本发明涉及智能建筑中的能量收集装置，尤其是涉及利用一种智能民用建筑烟道-室内温差进行能量收集的装置，用于为低功耗的智能建筑无线传感器节点供电。
背景技术：
未来智能建筑中分布大量传感器节点，例如室内外的温度、湿度、照度、风速、风向传感器，均需解决节点供电问题，通常有两种选择，第一，布线实现供电以及测量信号的传递，考虑到传感器数量繁多、围护结构体量巨大并可能存在的活动部件，布线设计和施工代价较大；第二，电池供电，测量信号无线传输，即构建无线传感网络，避免前种方法布线的困扰，但仍存在某些负面影响：a)电池电量有限，限制节点使用寿命，b)节点往往不回收，化学电池引起的二次污染。
针对上述问题，希望实现中无线传感网络节点的自供电，因此能量收集技术在智能建筑有了用武之地。该技术致力于收集自然环境中无处不在的可再生能源，如风能、太阳能、温差、各种物体的动能，为低功耗的无线传感网络节点供电。能量收集技术与发电有些区别，能量收集往往意味着仅仅获取较为微弱的能量为低功耗或超低功耗的用电设备供电，而发电通常要求为外界提供强劲的动力。
目前，能量收集技术这一新型环保供电技术受到学术界和产业界的共同关注，正越来越接近应用水平；该技术在智能建筑上的应用出现喜人的萌芽态势。
近年来智能建筑中的能量收集成为国内外研究的一个热点，大致分为如下几种类型：建筑光伏能量收集；混凝土温差能量收集；屋顶降水能量收集，在高层建筑屋顶蓄积雨水，冲击水泵叶轮收集能量；高层建筑晃动能量收集；风能收集。
然而智能建筑中的能量收集技术仍有如下问题和挑战：
1)均专注于能量收集技术本身，在智能建筑构造、部件设计上如何适应和配合能量收集装置和无线传感网络节点的功能发挥方面，相应的研发仍显不足，有待加强。
2)上述每一种能量收集方法均存在时间上、空间上不可完全覆盖性。时间上看，夜间无法利用光伏太阳能；阴天往往室内外温差很小无法利用混凝土温差能量收集；风能收集依赖于气象条件；高层建筑晃动能量收集和屋顶降水能量收集可利用的时段较上述几种方式更为短暂。空间上看，屋顶降水能量收集、高层建筑晃动能量收集的分布性不佳，能量收集区位集中；风力收集装置通常有旋转部件，其安装位置大为受限。
针对以上存在的问题，认识到为智能建筑的无线传感网络提供可靠能源，必须拓展能量收集在所处位置上、时段上的限制，唯此能无线传感网络才能发挥全天候的功效。
技术实现要素：
为了克服已有智能建筑的无线传感网络提供可靠能源受到所处位置上、时段上的限制，无法发挥全天候的功效的不足，本发明提供了一种便捷、持久和环保地给无线传感网络供电的烟道-室内温差能量收集装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种烟道-室内温差能量收集装置，所述能量收集装置包括由外到内布置的文丘里板、底板、烟道侧电路板、室内侧电路板和隔热支承块，其中隔热支承块中布置了p型水泥基seebeck效应棒以及n型水泥基seebeck效应棒。
进一步，所述水泥薄壁排烟道中，在烟道壁上预留圆孔用于安装防火止回阀，防火止回阀外侧安装排烟管，在预留圆孔的两侧的烟道壁上分别预留两个相同形式的矩形安装孔，以便分别安装两组文丘里板及底板；所述两个预留矩形安装孔，其中一个矩形安装孔必须位于烟道壁的毗邻室内一侧，另一个在其对壁；两个矩形安装孔中心高度相同，且与预留圆孔孔心的高度位置接近；两个矩形安装孔的形状、大小相同，均为阶梯形方孔，开孔沿水泥薄壁排烟道壁外侧设有便于安装的矩形凹台。
再进一步，所述文丘里板材料可为导热系数高、轻质的金属材料，文丘里板是向烟道内弯折的金属板，从安装位置看，弯折的剖面轮廓近似梯形，嵌套在水泥薄壁排烟道壁的矩形安装孔上，并凸向烟道内；文丘里板四周有折边，便于与底板拼装。
与文丘里板拼合的底板是平面形状为矩形的薄金属板，材料与文丘里板相同；底板形状、面积与水泥薄壁排烟道上的预留矩形安装孔凹台吻合；位于烟道壁毗邻室内一侧的矩形安装孔上，安装的一组文丘里板及底板，其底板中央开设方孔，方孔是预留安装无线传感器的空位，该位置与室内侧电路板中央的空位对应；位于烟道壁非毗邻室内一侧的矩形安装孔上，安装的一组文丘里板及底板，其底板没有开孔。
所述文丘里板与底板拼合后，用六个螺钉安装固定于水泥薄壁排烟道上的预留矩形安装孔上，文丘里板与底板拼合后的总厚度与水泥薄壁排烟道上的预留矩形安装孔轮廓边缘的凹台厚度相同，底板底部与烟道矩形安装孔外壁贴合；
水泥薄壁排烟道上非毗邻室内一侧安装的文丘里板和底板的中间为空腔；
水泥薄壁排烟道壁的毗邻室内一侧安装的文丘里板和带方孔的底板的空腔中有填充物，所述填充物构造层次由烟道内向外依次为：烟道侧电路板，隔热支承块和室内侧电路板，p型水泥基seebeck效应棒，n型水泥基seebeck效应棒布置在隔热支承块内部。
所述烟道侧电路板安置在烟道壁的毗邻室内一侧的文丘里板及其底板的空腔中，与文丘里板的内侧轮廓吻合，并紧密贴合；烟道侧电路板四周有翻边，以便嵌套隔热支承块。
所述烟道侧电路板为印刷电路板，在与文丘里板贴合接触的一侧无印刷电路，形成与文丘里板的电绝缘；有翻边的一侧表面嵌入多排矩形金属膜，每一个金属膜对应两个相邻的水泥基seebeck效应棒，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；烟道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膜电连通；从安装位置看，烟道侧电路板外表面的金属膜与水泥基seebeck效应棒空间位置上对应，中间仅隔半层烟道侧电路板的厚度。
所述室内侧电路板安置在烟道壁的毗邻室内一侧的文丘里板及其底板的空腔中，紧贴底板的内侧；外形为四周有翻边的矩形薄板，便于嵌套隔热支承块，端面与隔热支承块侧面贴合。
所述室内侧电路板为印刷电路板，有翻边的一侧表面为多排矩形金属膜，每一个金属膜对应两个相邻的水泥基seebeck效应棒，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；室内侧电路板厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与室内侧电路板表面的金属膜电连通；室内侧电路板的另一侧表面无印刷电路，与文丘里板的底板紧密贴合。
所述隔热支承块填充于烟道侧电路板和室内侧电路板之间的空腔内。隔热支承块采用导热系数低，热阻较大，隔热性能好的材料，隔热支承块内排列正方形通孔，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。每两个相邻的水泥基seebeck效应棒的端部，对应烟道侧电路板表面的一个金属膜，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；
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seebeck效应棒与每一p型水泥基seebeck效应棒反向串接，所有水泥基seebeck效应棒串接后的两个总引出端应布置在室内侧电路板，储能电路模块、传感器模块、无线传输模块也均应布置在室内侧电路板；
取p型水泥基seebeck效应棒与n型水泥基seebeck效应棒的数量相同，并在空间上交错排布，并加以编号，所有奇数编号为p型水泥基seebeck效应棒，偶数编号为n型水泥基seebeck效应棒，二者数量相等，编号(1)的p型水泥基seebeck效应棒其室内侧电路板一端接触的金属膜为一个总引出端。编号(1)的p型水泥基seebeck效应棒与烟道侧电路板一端的金属膜接触，该金属膜与编号(2)的n型水泥基seebeck效应棒接触，即编号(1)的p型水泥基seebeck效应棒与编号(2)的n型水泥基seebeck效应棒在烟道侧电路板上共用一片金属膜，实现电连通；编号(2)的n型水泥基seebeck效应棒另一端与室内侧电路板的金属膜接触，该金属膜与编号(3)的p型水泥基seebeck效应棒接触接触，即编号(2)的n型水泥基seebeck效应棒与编号(3)的p型水泥基seebeck效应棒在室内侧电路板上共用一片金属膜，实现电连通；依次类推，直到最大编号的n型水泥基seebeck效应棒接触的室内侧电路板上的金属膜为另一个总引出端。
本发明将给出一种混凝土温差能量收集在智能建筑中的应用技术。温差能量收集的材料通常有金属、半导体和明胶等，上述材料与智能建筑构造和材料的结合上存在一定困难，于是，有学者开始研究混凝土材料的温差能量收集性能。纯水泥基体是电不良导体，也无法进行温差能量收集，掺入碳纤维后可显著增强水泥基材料电导率，形成碳纤维水泥基复合材料(carbonfiberreinforcedcement-basedcomposites，简写为cfrc)，其高电导率是载流子经由碳纤维网络和多种类型缺陷界面共同输运的结果，同时材料也出现了seeback效应，具备温差能量收集的条件。碳纤维水泥基复合材料中，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；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。碳纤维水泥基复合材料本身变现为p型半导体性质，通过进一步掺杂不同材料，可以增强其p型半导体性质，也可使其变性为n型半导体性质。碳纤维水泥基复合材料所产生电动势仍属微量，一般在几十μv/k级别，目前不少材料学者正致力于提高这一关键指标，最高已达几千μv/k。
材料学者主要从减小热岛效应，缓解建筑能源消耗，有效利用夏季室外存在的大量热能的角度，研究碳纤维水泥基复合材料的应用，见综述性文献：魏剑等.碳纤维水泥基复合材料seebeck效应研究现状.材料导报,2017,31(1):84-89。
当温度较高烟气进入烟道，文丘里板温度上升，高于室内温度。由于文丘里板与p型水泥基seebeck效应棒或者n型水泥基seebeck效应棒之间仅仅相隔半层烟道侧电路板，而金属材质的文丘里板的热传导作用较强，故p型水泥基seebeck效应棒以及n型水泥基seebeck效应棒的烟道侧电路板一端温度接近于文丘里板的温度。同样，由于隔热支承块的隔热作用，p型水泥基seebeck效应棒以及n型水泥基seebeck效应棒的室内侧电路板一端温度接近于室内温度。从而，在每个p型水泥基seebeck效应棒或者n型水泥基seebeck效应棒两端存在较为明显的温差，将产生一定的温度电动势。
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，烟道侧电路板和外墙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seebeck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。另一方面，为使用和维护方便，所有水泥基seebeck效应棒串接后的两个总引出端应布置在室内侧电路板，储能电路模块、传感器模块、无线传输模块也均应布置在室内侧电路板，室内侧电路板上留有足够的空余面积用于实现上述电路模块。
本发明的有益效果主要表现在：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，利用智能建筑中烟道部位与周围存在的温差，充分考虑与烟道附近的建筑构造和建筑材料的融合，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烟道-室内温差能量收集装置，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。
附图说明
图1是烟道-室内温差能量收集装置的结构示意图。
图2是文丘里板以及室内侧盖板之间的装配图。
图3是室内侧电路板的结构示意图。
图4是隔热支承块的结构示意图。
图5是烟道侧电路板的结构示意图。
图6是穿孔保温层的结构示意图。
图7是烟道侧电路板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图7，一种烟道-室内温差能量收集装置，包括由外到内布置的文丘里板2，底板3、4，烟道侧电路板7，室内侧电路板5，隔热支承块6，其中隔热支承块中布置了p型水泥基seebeck效应棒8以及n型水泥基seebeck效应棒9。
水泥薄壁排烟道，见图1，在烟道壁上预留圆孔用于安装防火止回阀，防火止回阀外侧安装排烟管，在预留圆孔的两侧的烟道壁上分别预留两个相同形式的矩形安装孔，以便分别安装两组文丘里板及底板。这两个预留矩形安装孔，其中一个矩形安装孔必须位于烟道壁的毗邻室内一侧，另一个在其对壁。两个矩形安装孔中心高度相同，且与预留圆孔孔心的高度位置接近。两个矩形安装孔的形状、大小相同，均为阶梯形方孔，开孔沿水泥薄壁排烟道壁外侧设有便于安装的矩形凹台。水泥薄壁排烟道不属于本装置的一部分，但为了安装本装置需要在现有通行的水泥薄壁排烟道上增设两个矩形安装孔。在此烟道壁的两个矩形安装孔上，各安装一组文丘里板和底板。
文丘里板材料可为导热系数高、轻质的金属材料，比如铝材。文丘里板是向烟道内弯折的金属板，从安装位置看，弯折的剖面轮廓近似梯形，嵌套在水泥薄壁排烟道壁的矩形安装孔上，并凸向烟道内。文丘里板四周有折边，便于与底板拼装。见图1和图2。
文丘里板在此的作用一方面是利用流体的文丘里效应，即流体在通过缩小的过流断面时，出现流速增大的现象，在管道的最窄处，动态压力(速度头)达到最大值，静态压力(静息压力)达到最小值。流体的速度因为通流横截面面积减小而上升。整个涌流都要在同一时间内经历管道缩小过程，因而压力也在同一时间减小。进而产生压力差，这个压力差用于测量或者给流体提供一个外在吸力。另一方面，在文丘里板附近气流，变化导致气流对流加强，从而传热效果加强。
与文丘里板拼合的底板是平面形状为矩形的薄金属板，材料与文丘里板相同。底板形状、面积与水泥薄壁排烟道上的预留矩形安装孔凹台吻合。位于烟道壁毗邻室内一侧的矩形安装孔上，安装的一组文丘里板及底板，其底板中央开设方孔，方孔是预留安装无线传感器的空位，该位置与室内侧电路板中央的空位对应；位于烟道壁非毗邻室内一侧的矩形安装孔上，安装的一组文丘里板及底板，其底板没有开孔。见图1和图2。
文丘里板与底板拼合后，用六个螺钉安装固定于水泥薄壁排烟道上的预留矩形安装孔上，文丘里板与底板拼合后的总厚度与水泥薄壁排烟道上的预留矩形安装孔轮廓边缘的凹台厚度相同，底板底部与烟道矩形安装孔外壁贴合。
水泥薄壁排烟道上非毗邻室内一侧安装的文丘里板和底板的中间为空腔。见图1和图2。
水泥薄壁排烟道壁的毗邻室内一侧安装的文丘里板和带方孔的底板的空腔中，有填充物。在这一组文丘里板和底板之间的填充物构造层次由烟道内向外依次为：烟道侧电路板，隔热支承块，室内侧电路板。p型水泥基seebeck效应棒，n型水泥基seebeck效应棒布置在隔热支承块内部。
烟道侧电路板，安置在烟道壁的毗邻室内一侧的文丘里板及其底板的空腔中，与文丘里板的内侧轮廓吻合，并紧密贴合。见图1、图2和图5。烟道侧电路板四周有翻边，以便嵌套隔热支承块。烟道侧电路板为印刷电路板，在与文丘里板贴合接触的一侧无印刷电路，形成与文丘里板的电绝缘；有翻边的一侧表面嵌入多排矩形金属膜，每一个金属膜对应两个相邻的水泥基seebeck效应棒，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；烟道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膜电连通。从安装位置看，烟道侧电路板外表面的金属膜与水泥基seebeck效应棒空间位置上对应，中间仅隔半层烟道侧电路板的厚度。
室内侧电路板，见图1、图2和图3。安置在烟道壁的毗邻室内一侧的文丘里板及其底板的空腔中，紧贴底板的内侧。外形为四周有翻边的矩形薄板，便于嵌套隔热支承块，端面与隔热支承块侧面贴合。室内侧电路板为印刷电路板，有翻边的一侧表面为多排矩形金属膜，每一个金属膜对应两个相邻的水泥基seebeck效应棒，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；室内侧电路板厚度方向的中间为印刷电路层，印刷电路与室内侧电路板表面的金属膜电连通。室内侧电路板的另一侧表面无印刷电路，与文丘里板的底板紧密贴合。
隔热支承块，见图2和图4，填充于烟道侧电路板和室内侧电路板之间的空腔内。隔热支承块采用导热系数低，热阻较大，隔热性能好的材料，如聚氨酯或硬质玻璃纤维材料。隔热支承块内排列正方形通孔，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。每两个相邻的水泥基seebeck效应棒的端部，对应烟道侧电路板表面的一个金属膜，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。
当温度较高烟气进入烟道，文丘里板温度上升，高于室内温度。由于文丘里板与p型水泥基seebeck效应棒或者n型水泥基seebeck效应棒之间仅仅相隔半层烟道侧电路板，而金属材质的文丘里板的热传导作用较强，故p型水泥基seebeck效应棒以及n型水泥基seebeck效应棒的烟道侧电路板一端温度接近于文丘里板的温度。同样，由于隔热支承块的隔热作用，p型水泥基seebeck效应棒以及n型水泥基seebeck效应棒的室内侧电路板一端温度接近于室内温度。从而，在每个p型水泥基seebeck效应棒或者n型水泥基seebeck效应棒两端存在较为明显的温差，将产生一定的温度电动势。
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，烟道侧电路板和外墙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seebeck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。另一方面，为使用和维护方便，所有水泥基seebeck效应棒串接后的两个总引出端应布置在室内侧电路板，储能电路模块、传感器模块、无线传输模块也均应布置在室内侧电路板，室内侧电路板上留有足够的空余面积用于实现上述电路模块。
为此，取p型水泥基seebeck效应棒与n型水泥基seebeck效应棒的数量相同，并在空间上交错排布，并加以编号。见图1、图6。和图7。不失一般性地，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seebeck效应棒，偶数编号为n型水泥基seebeck效应棒，二者数量相等。编号(1)的p型水泥基seebeck效应棒其室内侧电路板一端接触的金属膜为一个总引出端。编号(1)的p型水泥基seebeck效应棒与烟道侧电路板一端的金属膜接触，该金属膜与编号(2)的n型水泥基seebeck效应棒接触，即编号(1)的p型水泥基seebeck效应棒与编号(2)的n型水泥基seebeck效应棒在烟道侧电路板上共用一片金属膜，实现电连通；编号(2)的n型水泥基seebeck效应棒另一端与室内侧电路板的金属膜接触，该金属膜与编号(3)的p型水泥基seebeck效应棒接触接触，即编号(2)的n型水泥基seebeck效应棒与编号(3)的p型水泥基seebeck效应棒在室内侧电路板上共用一片金属膜，实现电连通；依次类推，直到最大编号的n型水泥基seebeck效应棒接触的室内侧电路板上的金属膜为另一个总引出端。
本实施例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，利用智能建筑中烟道部位与周围存在的温差，充分考虑与烟道附近的建筑构造和建筑材料的融合，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烟道-室内温差能量收集装置，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。