张晓磊1 李茜2
枣庄矿业集团中兴建安工程有限公司 山东省枣庄市 277000
摘要：利用碳纤维水泥复合材料（CFRC）的Seeback效应原理，设计一种温差能量收集装置，将温差转化为电动势，串联叠加加强效应，并通过构造设计嵌装于建筑保温外墙中，为智能建筑低功耗的无线传感网络节点供电。这一装置避免了大量的布线供电设计和采用化学电池引起的二次污染。
关键词：智能建筑；Seeback效应；温差；电动势；保温外墙；能量收集；
一、设计原理∶CFRC的Seeback效应和利用温差的能量收集
Seeback效应是材料内部温差导致载流子沿温度场方向运动形成电动势的现象。当载流子为空穴时，在低温端产生正的温差电动势，表现为P型半导体性质;然而，当载流子为电子时，在低温端产生负的温差电动势，表现为N型半导体性质。对于P型半导体材料来说，当材料中没有温度梯度时，材料中的载流子（空穴）是均匀分布的，但是当材料中一旦存在温度梯度时，材料中热端的空穴就会向冷端进行扩散，扩散的结果就会导致热端的空穴越来越少，而冷端的空穴越来越多，当达到平衡后，热端和冷端之间形成了电势差。N型半导体材料与P型半导体材料类似，当N型半导体材料中存在温度梯度时，材料中热端的电子就会从向冷端扩散，当达到平衡后，热端和冷端之间同样会形成电势差。
二、能量收集装置的设计方案拟解决的关键问题
1.选取建筑保温外墙的内外表面作为能量收集的部位
将能量收集思路主要集中于选取建筑保温外墙的内外表面作为能量收集的部位，利用混凝土Seeback效应进行设计。以夏热冬冷地区为例∶根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016，夏热冬冷地区是指我国最冷月平均温度满足0~10℃，最热月平均温度满足25~30℃，日平均温度≤5℃的天数为0~90天，日平均温度≥25℃的天数为49~110天的地区。根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，夏热冬冷地区冬季采暖室内热环境设计指标，卧室、起居室室内设计温度取16-18℃;夏季空调室内热环境设计指标，卧室、起居室室内设计温度取26-28℃。由此可见，冬季有近3个月的室内外日均温差达到11-13℃。相反，夏季建筑保温外墙外部受到太阳辐射的作用，外表面温度往往高于室外日平均温度，我国江南、华南、西南地区持续35℃以上持续高温天气集中在5-10月。
2.电动势的叠加
装置内部的主要温差的能量收集并通过Seeback效应转化为电能，通过串联积累加强，获得叠加效应，以达到使用效果。由于P型水泥基Seebeck效应棒两端的温度电动势方向上与N型水泥基Seebeck效应棒的温度电动势相反，为叠加所有水泥基Seebeck效应棒的电动势，室内侧电路板和室外侧电路板需要实现将所有P型水泥基Seebeck效应棒两端的温度电动势正向串接，每一N型水泥基See-beck效应棒与每一P型水泥基Seebeck效应棒反向串接，如此水泥基Seebeck效应棒数量愈多，所获温差电动势愈高。
3.装置与建筑的整合
传感器的供电装置需与建筑融为整体。由于建筑外墙做法类型多样，本设计预设目前较为普遍采用的保温外墙做法，设定主要构造层次为砌块+外保温层的做法。因此，装置的尺寸，需要与外墙的厚度和构造层次匹配。
设计选取一块普通的外墙砌块加以改造，使该砌块及其保温层中埋设了P、N型水泥基Seebeck效应棒，两侧安装了电路板，并留出传感器的安装位置。在建筑外墙砌筑时作为一个普通砌块砌入外墙即可。并且，装置的外表面与建筑外立面的材质尽可能保持一致。
三、构造设计
1.嵌入保温外墙的温差能量收集装置，其构造层次由室内侧到室外侧依次为∶室内侧电路板，斜孔砌块，穿孔保温层和室外侧电路板，其中外墙砌块和保温层穿孔，孔内布置P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒。外墙砌块，外形大致为长方体，两侧均设有台阶型收口，较短小收口插入室内侧电路板的翻边内，端面与室内侧电路板贴合。外墙砌块及其外保温层上开设贯通孔，孔内注入相应的P型半导体性质的碳纤维水泥基复合材料以及N型半导体性质的碳纤维水泥基复合材料，凝固分别形成P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒。
设编号（1）为P型水泥基Seebeck效应棒，编号（2）为N型水泥基Seebeck效应棒，如此，所有奇数编号为P型水泥基See-beck效应棒，偶数编号为N型水泥基Seebeck效应棒，二者数量相等。每一个水泥基Seebeck效应棒两端分别与室内侧和室外侧的电路板表面的凸起金属帽和实现电连通。对编号（1）的P型水泥基Seebeck效应棒其外墙侧电路板一端接触的金属帽为一个总引出端，室内侧电路板一端接触的金属帽通过室内侧电路板的印刷电路引向编号（2）的N型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽，室外侧电路板一侧上与编号（2）的N型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽与通过室外侧电路板的印刷电路引向编号（3）的P型水泥基Seebeck效应棒接触的金属帽，依次类推，直到最大编号的N型水泥基Seebeck效应棒接触的室外侧电路板上的金属帽为另一个总引出端。
2.外墙砌块及其保温层的外侧安置室外侧电路板，外墙砌块室内侧安置室内侧电路板。室外侧电路板外形为四周有翻边的矩形薄板，插入穿孔保温层的阶梯型收口内。室外侧电路板为印刷电路板，其翻边一侧与穿孔的保温层外表面紧贴，并且在每一个穿孔保温层通孔位置处有一个微微凸起的金属帽嵌入于室外侧电路板表面，实现与P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的电连通;室外侧电路板厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与板表面的金属帽电连通。室外侧电路板的外表面无印刷电路，外表面可作拉毛处理以涂附与普通外墙相同的涂料;如果建筑外立面材料为铝板，也可在室外侧电路板的外表面附铝板，在提高传热效率的同时也统一了外立面。
3.室内侧电路板呈矩形薄板，外形为四周有翻边的矩形薄板，套在斜孔保温砖的阶梯型收口内。室内侧电路板在与斜孔保温砖接触的一侧，表面嵌入多排微微凸起的金属帽，实现与P型水泥基Seebeck效应棒以及N型水泥基Seebeck效应棒的电连通;室内侧电路板为印刷电路板，在厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与板表面的金属帽电连通。
结束语
本设计的有益之处在于从智能建筑中无线传感器节点的能量收集需求与碳纤维水泥基复合材料的功能有机结合的角度，利用智能建筑保温外墙的内外表面温差，充分考虑与建筑外墙材料的融合，设计了一种利用碳纤维水泥基复合材料进行温差能量收集的室内外墙温差能量收集装置，替代电池为无线传感器节点供电，避免大量布线，避免了电池的使用，从而避免电池电量和寿命对传感器节点寿命的限制，避免化学电池引起的污染，构建智能建筑传感器的便捷，持久和环保的供电方式。后续工作重点在于对装置进行检测，获取实验数据，并加以改进和研发。
参考文献：
[1]唐祖全，童成丰，钱觉时，等.钢渣混凝土的Seebeck效应研究[J].重庆建筑大学学报，2008（6）：125-128.
[2]魏剑，赵莉莉，张倩，等.碳纤维水泥基复合材料Seebeck效应研究现状[J].材料导报，2017，31（01）：84-89.