Insinöörit uudistavat perinteistä itämaista arkkitehtuuria kehittääkseen lämpösähköisiä laattoja, jotka pystyvät tuottamaan energiaa ja antamaan välittömästi hälytyssignaaleja. Tämä keksintö avaa uusia mahdollisuuksia älykkäiden rakennusten rakentamiselle.
Sisältö
Ihailemme usein perinteistä arkkitehtuuria sen esteettisyyden, säilyvyyden tai historiallisen merkityksen vuoksi, mutta entä jos se voisi myös auttaa meitä elämään paremmin nykyhetkessä? Nykyisissä olosuhteissa, joita leimaavat rakennusten korkea energiankulutus ja kiireellinen tarve käyttää uusiutuvia energialähteitä, ryhmä insinöörejä Shenzhenin yliopistosta on herättänyt henkiin muinaisen Kiinan arkkitehtonisen perinnön. Advanced Composites and Hybrid Materials -lehdessä julkaistussa artikkelissa asiantuntijat osoittavat, että muinaisten arkkitehtien viisautta voidaan hyödyntää kehitettäessä nykyaikaisia materiaaleja, joilla voidaan luoda järjestelmiä, jotka tuottavat sähköenergiaa ja toimivat samalla palovaroittimina.
Vuosisatojen ajan kattojen rakenne, jossa on päällekkäiset kaarevat tiilet, on optimoinut auringon säteilyn ja lämmön haihtumisen, ennakoiden modernin kestävän tekniikan peruskonseptit. Uusi hybridi-lähestymistapa tarjoaa uuden sukupolven ”älykkäitä tiiliä”, jotka ovat saaneet inspiraationsa itämaisesta arkkitehtuurista ja muuttavat auringon säteilyn sähköksi suoraan kattoon integroitujen lämpösähköisten laitteiden avulla.
Itämaisen konstruktivistisen viisauden uusi tulkinta modernin tekniikan puitteissa.
Perinteisille itäaasialaisille katoille ovat ominaisia limittyvät, kaltevat ja kaarevat pinnat. Tällainen geometria, joka luo luonnollisia mikrotermisiä gradientteja, edistää sekä auringonvalon absorptiota että lämmön ja kosteuden nopeaa haihtumista.
Tämän periaatteen innoittamana tutkijat ovat kehittäneet lämpösähköisiä laitteita, jotka ovat muodoltaan laattoja. Jokainen laite jäljittelee muinaisten kattojen kuviota, joten yläpinta lämpenee auringossa ja alapinta pysyy suhteellisen viileänä.
Tämä lämpötilaero, joka on välttämätön termoelektrisen elementin oikean toiminnan kannalta, vahvistuu järjestelmän arkkitehtuurin ansiosta. Näin rakenne ei ole enää pelkkä tuki, vaan se muuttuu aktiiviseksi osaksi energiaprosessia.
Biologista alkuperää olevat materiaalit tehokkaaseen lämpöenergian muuntamiseen.
Järjestelmän teknologinen ydin perustuu kalvojen käyttöön, jotka koostuvat yksiseinäisistä hiilinanoputkista ja ligniinistä – biomassasta saatavasta luonnollisesta polymeeristä. Ligniinin lisääminen parantaa paitsi lämpösähköisiä ominaisuuksia myös materiaalin fototermistä muuntamista.
Nämä kalvot osoittavat voimakasta absorptiota näkyvässä ja lähi-infrapuna-alueilla, jotka ovat samat kuin auringon spektri. Säteilyn simulointitesteissä ne saavuttavat lämpötilan 55 °C käyttämällä yhtä standardivalonlähdettä ja 85 °C kaksinkertaistamalla intensiteetin. Lisäksi insinöörit ovat vahvistaneet, että komposiitti on mekaanisesti erittäin vakaa. Satojen taivutussyklien jälkeenkin sen sähköiset ominaisuudet pysyvät käytännössä muuttumattomina. Tällainen kestävyys on välttämätöntä materiaaleille, joita käytetään arkkitehtonisissa sovelluksissa, joissa ne ovat jatkuvasti alttiina ympäristön vaikutuksille.
Lämpösähköiset laatat: perinteisestä katosta aurinkogeneraattoriin
Jokainen laite koostuu useista lämpösähköisistä ”jaloista”, jotka on kytketty sarjaan ja upotettu itämaista laattaa jäljittelevään rakenteeseen. Kehittynein malli sisältää kaksikymmentä aktiivista elementtiä ja tuottaa noin 60 K:n lämpötilaeron auringon säteilyn vaikutuksesta.
Näissä olosuhteissa generaattori saavuttaa 60 mV:n lepotilan jännitteen ja 11,9 µW:n maksimitehon. Vaikka nämä luvut saattavat vaikuttaa vaatimattomilta, ne osoittavat mahdollisuuden saada energiaa suoraan arkkitehtonisista pinnoista ilman perinteisten aurinkopaneelien käyttöä. Näin ollen tämä rakenne mahdollistaa kattojen rakentamisen, jotka pystyvät itsenäisesti syöttämään virtaa antureille, valvontajärjestelmille tai pienille elektronisille laitteille.
Aktiivinen arkkitehtuuri ja sähköä tuottavat rakennukset
Yksittäisten elementtien ominaisuuksien lisäksi rakenteen arvo piilee sen rakenteellisessa integroinnissa. Lämpösähköiset levyt on suunniteltu kiinteiksi rakennusosiksi, ei ulkoisiksi lisävarusteiksi.
Täten katto itsessään muuttuu energiainfrastruktuuriksi, joka pystyy hyödyntämään auringon säteilyä ja ympäristön lämpötilaeroja sähköenergian tuotantoon.
Tämä lähestymistapa on erityisen houkutteleva historiallisille tai perinteisille rakennuksille, joissa nykyaikaisten paneelien asennus näyttää usein luonnottomalta. Uudet paneelit säilyttävät alkuperäisen estetiikan ja mahdollistavat arkkitehtonisen yksilöllisyyden säilyttämisen samalla, kun ne tuovat mukanaan edistyksellisiä toimintoja. Kaupunkisuunnittelun kannalta järjestelmä tarjoaa hajautetun energiantuotantomallin, joka voi auttaa vähentämään kokonaisen kaupunginosan energiankulutusta.
Kaksoisjärjestelmä: aurinkoenergia ja palon varhaisvaroitusjärjestelmä.
Toinen tärkeä etu rakenteessa on ylikuumenemisen tunnistustoiminto. Jos lämpötila nousee äkillisesti, esimerkiksi tulipalon sattuessa, laite tuottaa jännitteen, joka on verrannollinen lämpötilan gradienttiin. Kun jännite ylittää asetetun kynnyksen, järjestelmä aktivoi automaattisesti hälytyksen. Testit osoittavat, että vasteaika on erittäin nopea. Kaksikymmentäkosketteisessa laitteessa hälytys aktivoituu vain 0,16 sekunnissa 300 °C:n lämpötilassa. Tämä ylittää monien olemassa olevien anturien suorituskyvyn. Lisäksi järjestelmä voidaan integroida langattomien moduulien kanssa, jotka lähettävät hälytykset suoraan matkapuhelimiin tai muihin laitteisiin.
Energiankeruun ja palonilmaisun yhdistelmä on erityisen ajankohtainen historiallisissa rakennuksissa. Monet perinteiset aasialaiset rakennukset ovat paitsi vailla nykyaikaisia valvontajärjestelmiä, myös rakennettu puusta ja muista palonkestävistä materiaaleista. Nämä lämpösähköiset laatat voivat olla huomaamaton ratkaisu historiallisten temppelien, palatsien ja talojen suojelemiseksi, samalla kun ne tarjoavat energiaa muuttamatta niiden ulkonäköä.
Kulttuuriperinnön suojelu ja uudet tavat kestävään arkkitehtuuriin.
Shenzhenissä tehdyt tutkimukset osoittavat, että teknologiset innovaatiot eivät aina vaadi irtautumista menneisyydestä. Uudistamalla perinteisen kiinalaisen kattotiilen muotoilun ja käyttämällä edistyksellisiä materiaaleja tutkijat ovat luoneet järjestelmän, joka pystyy tuottamaan aurinkoenergiaa ja toimimaan erittäin nopeana palohälyttimenä. Tämä yhdistelmä perinteistä arkkitehtuuria, biomateriaaleja ja lämpösähkötekniikkaa avaa lupaavan tien kohti aidosti älykkäiden rakennusten luomista.
