Inżynierowie na nowo interpretują tradycyjną architekturę wschodnią, aby opracować termoelektryczne dachówki, które mogą wytwarzać energię i natychmiast wysyłać sygnały alarmowe. Ten wynalazek otwiera nowe możliwości w zakresie budowy „inteligentnych” budynków.
Spis treści
Często podziwiamy tradycyjną architekturę za jej estetykę, stan zachowania lub znaczenie historyczne, ale co by było, gdyby mogła ona również pomóc nam żyć lepiej w teraźniejszości? W dzisiejszym kontekście, charakteryzującym się wysokim zużyciem energii przez budynki i pilną potrzebą wykorzystania odnawialnych źródeł energii, grupa inżynierów z Uniwersytetu w Shenzhen przywróciła do życia architektoniczne dziedzictwo starożytnych Chin . W artykule opublikowanym w czasopiśmie Advanced Composites and Hybrid Materials eksperci pokazują, że mądrość starożytnych architektów może być wykorzystana przy opracowywaniu nowoczesnych materiałów do tworzenia systemów zdolnych do generowania energii elektrycznej i jednocześnie pełniących funkcję czujników pożarowych.
Przez wieki konstrukcja dachów z nakładającymi się na siebie zakrzywionymi dachówkami optymalizowała promieniowanie słoneczne i rozpraszanie ciepła, wyprzedzając podstawowe koncepcje współczesnej inżynierii zrównoważonej. Nowe hybrydowe podejście oferuje nową generację „inteligentnych dachówek”, które, zainspirowane architekturą wschodnią, przekształcają promieniowanie słoneczne w energię elektryczną za pomocą urządzeń termoelektrycznych zintegrowanych bezpośrednio z dachem.
Wschodnia mądrość konstruktywistyczna w nowym wydaniu w ramach współczesnej inżynierii.
Tradycyjne dachy wschodnioazjatyckie charakteryzują się nakładającymi się, stromymi i zakrzywionymi powierzchniami. Taka geometria, tworząca naturalne gradienty mikrotermiczne , sprzyja zarówno pochłanianiu światła słonecznego, jak i szybkiemu rozpraszaniu ciepła i wilgoci .
Zainspirowani tą zasadą naukowcy opracowali urządzenia termoelektryczne w kształcie dachówek . Każde urządzenie odwzorowuje wzór starych dachów, dzięki czemu górna powierzchnia nagrzewa się na słońcu, a dolna pozostaje stosunkowo chłodna .
Ta różnica temperatur, kluczowa dla prawidłowego działania elementu termoelektrycznego, jest wzmocniona dzięki samej architekturze systemu. W ten sposób konstrukcja przestaje być tylko podporą i staje się aktywną częścią procesu energetycznego.
Materiały pochodzenia biologicznego do efektywnej konwersji energii cieplnej.
Technologiczna istota systemu opiera się na wykorzystaniu folii składających się z jednościennych nanorurek węglowych i ligniny — naturalnego polimeru uzyskiwanego z biomasy. Dodanie ligniny nie tylko poprawia właściwości termoelektryczne, ale także zwiększa fototermiczną konwersję materiału .
Folie te wykazują silną absorpcję w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni, pokrywającym się ze spektrum słonecznym. Podczas symulowanego naświetlania osiągają temperaturę do 55 °C przy użyciu jednego standardowego źródła światła i do 85 °C przy podwojeniu intensywności. Ponadto inżynierowie potwierdzili, że kompozyt charakteryzuje się wyjątkową stabilnością mechaniczną. Nawet po setkach cykli zginania jego właściwości elektryczne pozostają praktycznie niezmienione . Taki poziom odporności jest niezbędny w przypadku materiałów stosowanych w zastosowaniach architektonicznych, narażonych na ciągłe oddziaływanie środowiska.
Dachówki termoelektryczne: od tradycyjnego dachu do generatora słonecznego
Każde urządzenie składa się z kilku termoelektrycznych „nóżek” połączonych szeregowo i zamkniętych w konstrukcji imitującej wschodnią dachówkę. Najbardziej zaawansowany model zawiera dwadzieścia aktywnych elementów i generuje różnicę temperatur około 60 K pod wpływem promieniowania słonecznego .
W tych warunkach generator osiąga napięcie jałowe 60 mV i maksymalną moc wyjściową 11,9 μW. Chociaż liczby te mogą wydawać się skromne, pokazują one możliwość pozyskiwania energii bezpośrednio z powierzchni architektonicznych bez konieczności stosowania tradycyjnych paneli fotowoltaicznych. W ten sposób konstrukcja ta pozwoli na tworzenie dachów zdolnych do autonomicznego zasilania czujników, systemów monitorowania lub małych urządzeń elektronicznych .
Aktywna architektura i budynki wytwarzające energię elektryczną
Oprócz indywidualnych cech poszczególnych elementów, wartość projektu polega na jego integracji strukturalnej. Płytki termoelektryczne zostały zaprojektowane jako integralne elementy konstrukcyjne, a nie jako zewnętrzne dodatki.
W ten sposób sam dach staje się infrastrukturą energetyczną , zdolną do wykorzystania promieniowania słonecznego i gradientów temperatury otoczenia do wytwarzania energii elektrycznej.
Podejście to jest szczególnie atrakcyjne w przypadku zabytkowych lub tradycyjnych budynków, gdzie instalacja nowoczesnych paneli często wygląda nienaturalnie. Odtwarzając oryginalną estetykę, nowe panele pozwalają zachować indywidualność architektoniczną, jednocześnie wprowadzając zaawansowane funkcje. Z punktu widzenia urbanistyki system oferuje zdecentralizowany model wytwarzania energii, który może pomóc w zmniejszeniu obciążenia energetycznego całych dzielnic.
Podwójny system: energia słoneczna i system wczesnego ostrzegania o pożarach.
Drugą ważną zaletą projektu jest funkcja wykrywania przegrzania. W przypadku gwałtownego wzrostu temperatury, na przykład podczas pożaru , urządzenie generuje napięcie proporcjonalne do gradientu temperatury. Gdy napięcie to przekroczy ustalony próg, system automatycznie włącza sygnał alarmowy . Testy wykazują niezwykle szybki czas reakcji. W urządzeniu dwudziestostykowym sygnał ostrzegawczy jest aktywowany w zaledwie 0,16 sekundy przy temperaturze 300°C. Przewyższa to wyniki wielu istniejących czujników. Ponadto system można zintegrować z modułami bezprzewodowymi, które przekazują powiadomienia bezpośrednio na telefony komórkowe lub inne urządzenia.
Połączenie funkcji gromadzenia energii i wykrywania pożaru jest szczególnie istotne w przypadku budynków historycznych. Wiele tradycyjnych azjatyckich budynków, oprócz braku nowoczesnych systemów monitorowania, jest zbudowanych z drewna i innych materiałów ognioodpornych. Te termoelektryczne dachówki mogą stanowić dyskretne rozwiązanie dla ochrony świątyń, pałaców i zabytkowych domów, zapewniając jednocześnie dostawy energii bez zmiany ich wyglądu zewnętrznego.
Ochrona dziedzictwa kulturowego i nowe drogi dla zrównoważonej architektury
Prace przeprowadzone w Shenzhen pokazują, że innowacje technologiczne nie zawsze wymagają zerwania z przeszłością. Przeanalizowawszy projekt tradycyjnych chińskich dachówek przy użyciu zaawansowanych materiałów, naukowcy stworzyli system zdolny do generowania energii słonecznej i jednocześnie działający jako ultraszybki czujnik pożarowy. To połączenie tradycyjnej architektury, biomateriałów i technologii termoelektrycznych otwiera obiecującą drogę do stworzenia prawdziwie „inteligentnych” budynków .
