CN110820922A - 自供电建材组件 - Google Patents

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郑有生
蔡绍宗
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Abstract

本发明提供一种自供电建材组件,包括建材基体,所述建材基体具有相对设置的第一面、第二面,所述第一面处于第一环境中,所述第二面处于第二环境中,所述第一环境的温度高于所述第二环境的温度,还包括热电发电设备,所述热电发电设备处于所述建材基体内,且所述热电发电设备的热端表面与所述第一面热耦合,所述热电发电设备的冷端表面与所述第二面热耦合。本发明的一种自供电建材组件,利用建筑物墙面的内部及外部两面存在的温差实现热电发电,用来满足电子数码设备的电能需求实现电能的自供应,设计结构简单紧凑,受安装环境的限制小,与建筑物浑然一体不影响建筑物外观美感。

Description

自供电建材组件
技术领域
本发明属于建筑技术领域,具体涉及一种自供电建材组件。
背景技术
在物联网时代(IOT)或智能家居/智能城市年代,各种功能的电子或数码设备广泛地被放置在很多地方。然而所有电子设备都需要电力才能运行,但提供电力在很多情况可能会增加复杂性甚至于具有很大的挑战性。一所智能建筑物可能装置许多数码设备提供各种功能,例如用于电子地震检测或沉降监测或地下水监测系统的设备(特别是在一些地下空间应用的场合里面),也可以想象得到,有些部分处在供电上会产生困难的位置。就算供电没有问题,某些装置可能在建筑物内部难以到达或不可能服务的位置,例如,本来最优的安装位置在墙壁的深处,此时需要更换电源就会存在非常大的困难,基于这种困难的解除,目前则通常放弃在预定位置安装;就算采用蓄电池,大量传感器的蓄电池还是需要定期更换,所牵涉的工序还是繁复的。
IOT或智能家居/智能城市目前仍处于起步阶段,而智能建筑更是近几年开始产生的概念。针对超大量传感器被应用的物联网时代(IOT),一个自给自足式(selfsufficient)电力系统将是有益的和有价值的发明。而现有的传感器的一种惯常的供电方式是采用纽扣电池或者前述的蓄电池,但其电量始终有限,当其电量耗尽后需要进行更换或者充电等后续操作,而如前所述,这导致对用电设备的安装提出限制;另一种的供电方式例如可以采用太阳能,但其受环境天气状况影响较大,例如在没有太阳的日子或太阳不能照射的地方就出问题了,且太阳能光伏的设计复杂,体积相对较大;再一种则是使用建筑的电网,这也是目前最为主流的,这种方式首先要考虑线路对建筑产生的不利影响例如线路的复杂性、外观美感性的降低,甚至线路损坏、短路等可能引起火灾等危情。
热电效应(Thermoelectric effect)能够由温差产生电压,或者由电压产生温差。简单的放置一个热电装置,当他们的两端有温差时会产生一个电压,而当一个电压施加于其上,它也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度,冷却或加热物体。因为这个加热或制冷的方向决定于施加的电压,热电装置让温度控制变得非常容易。
而这种热电效应虽然被得到了一定程度的应用,例如在医疗设备等领域,但是在建筑技术领域却由于可能存在的较小温差而极少被业内人员采用来实现建材本身对设备的供电功能,却在一些需要对建材内隐藏的数码设备的供电采用如前所述的传统供电方式、例如电网供电、太阳能供电及太阳能光伏发电供电,基于这种现状提出本发明。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于提供一种自供电建材组件,利用建筑物墙面的内部及外部两面存在的温差实现热电发电,用来满足电子数码设备的电能需求实现电能的自供应,设计结构简单紧凑,受安装环境的限制小,与建筑物浑然一体不影响建筑物外观美感。
为了解决上述问题,本发明提供一种自供电建材组件,包括建材基体,所述建材基体具有相对设置的第一面、第二面,所述第一面处于第一环境中,所述第二面处于第二环境中,所述第一环境的温度高于所述第二环境的温度,还包括热电发电设备,所述热电发电设备处于所述建材基体内,且所述热电发电设备的热端表面与所述第一面热耦合,所述热电发电设备的冷端表面与所述第二面热耦合。
优选地,所述建材基体内构造有用于安装数码电子设备的安装空间,所述数码电子设备与所述热电发电设备电连接。
优选地,所述数码电子设备包括信号接收器、信号发射器、传感器、变压器、电容器中的一个或者多个。
优选地,所述热电发电设备包括热电发电机。
优选地,所述热电发电机为p型和n型三碲化二铋组合构造的热电发电机。
优选地,所述第一面与所述热端表面之间构造有导热结构;和/或,所述第二面背离所述热电发电设备的一侧设置有散热结构。
优选地,所述导热结构包括设置于所述第一面与所述热端表面之间的多根导热管道;和/或,所述散热结构包括散热器。
优选地,所述导热管道的外侧填充有隔热绝缘材料。
优选地,所述隔热绝缘材料包括发泡材料、玻璃纤维布中的任意一种或者多种。
优选地,所述建材基体的材料包括木材、金属、混凝土、纤维、玻璃、塑料、石化材料中的任一种或者多种。
本发明提供的一种自供电建材组件,将热电发电设备应用到建材中,从而能够极大程度的利用建材作为建筑物墙体所具有的面积较大的特点,能够在极小温差的环境下仍然能够实现自发电功能(无需外部供电),设计结构简单紧凑,受安装环境的限制小,与建筑物浑然一体不影响建筑物外观美感,此外,这种设计方式具有极低的故障率,因此维修需求较小。
附图说明
图1为本发明设计前的低温差热电发电试验的设计结构图;
图2为本发明实施例的自供电建材组件的原理结构示意图;
图3为本发明实施例的自供电建材组件安装于建筑物墙壁的应用工况示意图;
图4为图3中A处的局部放大图。
附图标记表示为:
1、建材基体;11、第一面;12、第二面;13、导热管道;2、热电发电设备;3、数码电子设备;4、导线;1’、热电发电机;2’、第一导热硅胶;3’、散热器;4’、第二导热硅胶;5’、水。
具体实施方式
本发明的重点是如何把普通的建材,如木条或砖头或金属等,变成能够独立运作的智能数码设备。要独立运作,不需要外来的供电安排,最佳的方法是利用如外墙的特殊环境条件,透过内外温差来发电。其发电原理是基于Seebeck效应,当一组热电偶的对立面存在一定的温差时便会产生电流。目前市面使用Seebeck效应的热电发电机的产品大致上普及,在10-20℃的温差已经产生一定的电能。使用热电发电机需要热面保持热的状态,比较冷的面保持比较低的温度。半导体运算产品需要有效把热能带走,使用散热器,导热管,等等的零部件,而这些元素经过改装也可以套用在智能建材上,把外墙的热能引导到热电发电机的表面或从冷面把热能引离。至于智能建材的电子数码功能,就是利用日趋便宜,日渐小型化的集成电路(IC)设备,尺寸小如几毫米已经具有完整的复杂电子功能,更简单的单一功能设备对电能的需求更低。
在世界上很多的地方,户外环境是比较高温的,而室内是一般维持着比较舒适的空调环境,比较低温。一般温差大概有8-10℃,如果太阳直接照射外墙,温差可以接近20℃甚至有更高。在炎热气候的地方如中东、或我国西北地区,内外温差大可能超过30℃。相反地,在寒冷地带,最极端的内外温差是室外比室内冷40-50℃,在比较温和秋冬天的地方,内外温差一般也维持10-20℃。这些条件代表本发明适合使用在更广泛的环境。简单来说,只要室内需要使用空调系统来为人们维持一个更加舒适的空调环境,那么就几乎可以肯定存在着室内室外的温差,无论室内是较低温抑或较高温。当然,就算是建筑物内部的分隔墙,尽管墙壁的两面都同时处于室内,只要分隔墙的两面存在了温差就能应用本发明。
目前市面上的轻便半导体热能发电机,一般提供的使用说明和参考数据是大于摄氏20℃的温差。如本发明的示范就采用了一组40mmX 40mm的半导体电热发电机(SP1848-27145),在温差20℃的时候产生970mV的电压和225mA的电流,产生超过200mW的电能。在这种条件下,其电压和电流都足以推动很多微型半导体数码电子设备。在更小的温差条件下(例如温差只有1-2℃),目前基本上是没有任何实际数据,从Seebeck效应的基础理解,电流是可以产生,但与此同时在温差细小的环境下,电阻也会增加,结果就是产生的电流经过高的电阻被消耗掉。因此,现有技术中基于了前述的数据对热电发电设备进行了广泛应用,但是当环境条件持续在一个内外温差更小的状态,则被认为不存在实用价值,因为这可能需要较为庞大的体积面积方能弥补电阻的对产生电能的消耗。
如图1所示,发明人在约26-27℃的空调温控环境下,测试该半导体热电发电机。发明人制造两面温差的方法如下。在热面,发明人采用1.0mm厚的4.0W/mK导热系数的导热硅胶也即第一导热硅胶2’(面积4.0mmX4.0mm)来贴合热电发电机1’的一面到一组笔记型电脑(Lenovo Y470P)的中央处理器的散热器3’(与中央处理器贴合的位置/方向),冷面就贴了同款的导热硅胶定位第二导热硅胶4’(总面积4.0mm X 18.0mm)。因为热电发电机1’面积只有4.0mmX4.0 mm,多出的硅胶的功能是带走热面传过去的温度,让冷面有效地接近房间较低的温度。所述散热器3’的另一端散热部位泡在温度约33℃的水5’里面让热能可以带到热面,约30秒后水温平衡达到31.5℃。这个时候测量在热面上面的散热器3’部位得到31.0℃,而冷面上的导热硅胶测量是27.0℃。由于热水没有保温,所以温度持续下降。在10分钟内所有温度达到平衡,没有任何温差。
在这10分钟期间,发明人得到以下的结果。
热面温度/℃ 冷面温度/℃ 温差/℃ 电压/mV 电流/mA
31.0 27.5 3.5 24 0.20
29.0 27.0 2.0 11 0.11
27.5 26.5 1.0 5.5 0.05
26.5 26.5 0 0 0
这些结果显示如果有温差,尽管温差很小,热电发电机还是能够发电。使用者只需要在设计上考虑最低电能产生时如何进行缓冲存储即可。而将热电效应利用到建材组件中则能够充分利用建筑材料具有的体积及面积优势,利用大面积来产电,就算只有极小的温差1℃,还能利用面积的优势来发出有效的电能。假若同类型的半导体电热发电机套用在本发明所制造的智能建材,发电机的面积增加十倍,在摄氏一度的温差就能产生约50mV0.5mA的电能。该水平的电压电流足够满足现时市面存在的电压转换器,然而能够推动内嵌的数码电子设备。
基于前述试验的验证,结合参见图2及图3及图4所示,根据本发明的实施例,提供一种自供电建材组件,包括建材基体1,所述建材基体1具有相对设置的第一面11、第二面12,所述第一面11处于第一环境中,所述第二面12处于第二环境中,所述第一环境的温度高于所述第二环境的温度,还包括热电发电设备2,所述热电发电设备2处于所述建材基体1内,且所述热电发电设备2的热端表面与所述第一面11热耦合,所述热电发电设备2的冷端表面与所述第二面12热耦合。所述建材基体1例如可以是普通木材、砖石等建材,也可以是金属、混凝土、纤维(含人工纤维)、玻璃、塑料、石化材料中的任一种或者多种。该技术方案中,将热电发电设备2应用到建材中,从而能够极大程度的利用建材作为建筑物墙体所具有的面积较大的特点,能够在极小温差的环境下仍然能够实现自发电功能(无需外部供电),设计结构简单紧凑,受安装环境的限制小,与建筑物浑然一体不影响建筑物外观美感,此外,这种设计方式具有极低的故障率,因此维修需求较小。
进一步的,所述建材基体1内构造有用于安装数码电子设备3的安装空间,所述数码电子设备3与所述热电发电设备2电连接,具体的例如通过导线4实现两者的连接,所述数码电子设备3包括信号接收器、信号发射器、传感器、变压器、电容器中的一个或者多个,其中信号接收器、信号发射器及传感器作为用电设备满足IOT的互联需求,而所述变压器、电容器则可以作为前述用电设备的一个电路部件而存在,亦可以作为一个电路的部件而单独存在,以实现所述热电发电设备2的电能输出的转换、存储等必要电路功能,而可以理解的是,所述数码电子设备3与所述热电发电设备2之间的电路上设置相应的整流模块、存储模块则是必要且基础的电路设计知识,本发明不做特别保护。
优选地,所述热电发电设备2包括热电发电机,更为具体的,所述热电发电机为p型和n型三碲化二铋组合构造的热电发电机。
优选地,所述第一面11与所述热端表面之间构造有导热结构,具体的,例如在所述第一面11与所述热端表面之间设置多根导热管道13;和/或,所述第二面12背离所述热电发电设备2的一侧设置有散热结构例如散热器。该技术方案中,所述导热结构及散热结构的设置皆能够对所述建材基体1的第一面11及第二面12之间的温差形成起到促进作用,这明显是有利于所述热电发电设备2的电能输出的。而可以理解的是,所述导热结构当然也可以在所述第二面12与所述冷端表面之间设置,而最优的是仅在第一面11与所述热端表面之间设置,由此能够实现所述建材组件的结构简化及成本的节省。图2示出了本发明的自供电建材组件的一种具体实施方式,具体的,在寒冷气候地区,室外环境温度远低于室内环境温度,此时所述第一面11设置于室内侧所述第二面12则设置于室外侧,而在热带气候地区则恰恰相反,此时室外环境温度高于室内环境温度,所述第一面11设置于室外侧所述第二面12则设置于室内侧;在温和气候地区,夏天和冬天的内外温差有可能存在对调的可能,例如在室内夏天要开冷气,冬天则要开暖气,在这种情况下直流电的方向将会对调,当直流电极对调的时候,模组设计可以解决这个问题,而不会构成使用上的困难,电流变极的现象其实类同交流电转换成直流电的情况,就是转换频率很慢,二极管桥是一般把交流电转换成直流电的电路设计,而该功能可预先考虑在电子设备中,反而在温和气候地区,最大的忧虑是温差持续在较小的差距数值,热电发电机到底能否产生任何电流,而本发明中的自供电建材组件则尤其适用于这种工况,而可以理解的是,此时需要将所述第一面11及第二面12的面积设计的越大越有利。
优选地,所述导热管道13的外侧填充有隔热绝缘材料,例如,所述隔热绝缘材料包括发泡材料、玻璃纤维布中的任意一种或者多种。
本领域的技术人员容易理解的是,在不冲突的前提下,上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自供电建材组件,其特征在于,包括建材基体(1),所述建材基体(1)具有相对设置的第一面(11)、第二面(12),所述第一面(11)处于第一环境中,所述第二面(12)处于第二环境中,所述第一环境的温度高于所述第二环境的温度,还包括热电发电设备(2),所述热电发电设备(2)处于所述建材基体(1)内,且所述热电发电设备(2)的热端表面与所述第一面(11)热耦合,所述热电发电设备(2)的冷端表面与所述第二面(12)热耦合。
2.根据权利要求1所述的自供电建材组件,其特征在于,所述建材基体(1)内构造有用于安装数码电子设备(3)的安装空间,所述数码电子设备(3)与所述热电发电设备(2)电连接。
3.根据权利要求2所述的自供电建材组件,其特征在于,所述数码电子设备(3)包括信号接收器、信号发射器、传感器、变压器、电容器中的一个或者多个。
4.根据权利要求1所述的自供电建材组件,其特征在于,所述热电发电设备(2)包括热电发电机。
5.根据权利要求4所述的自供电建材组件,其特征在于,所述热电发电机为p型和n型三碲化二铋组合构造的热电发电机。
6.根据权利要求1所述的自供电建材组件,其特征在于,所述第一面(11)与所述热端表面之间构造有导热结构;和/或,所述第二面(12)背离所述热电发电设备(2)的一侧设置有散热结构。
7.根据权利要求6所述的自供电建材组件,其特征在于,所述导热结构包括设置于所述第一面(11)与所述热端表面之间的多根导热管道(13);和/或,所述散热结构包括散热器。
8.根据权利要求7所述的自供电建材组件,其特征在于,所述导热管道(13)的外侧填充有隔热绝缘材料。
9.根据权利要求8所述的自供电建材组件,其特征在于,所述隔热绝缘材料包括发泡材料、玻璃纤维布中的任意一种或者多种。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的自供电建材组件,其特征在于,所述建材基体(1)的材料包括木材、金属、混凝土、纤维、玻璃、塑料、石化材料中的任一种或者多种。
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