混凝土能量收集

混凝土是最廣泛使用的建筑材料，因為它的成本低，而且適應性強。近年來(lái)，納米技術(shù)的快速發(fā)展為混凝土賦予了新的功能提供了一個(gè)令人興奮的機會(huì )。通過(guò)先進(jìn)的制造過(guò)程，比如納米技術(shù)，混凝土可以被定義為元混凝土，這是我們在下面的文章中提出的概念。這意味著(zhù)混凝土具有可適應的性能，可以用于不同的應用，比如能量收集、傳感、隔熱、自清潔等等。今天我們要重點(diǎn)介紹的是能量收集部分。

能量收集-熱電 首先，我們從熱電開(kāi)始。熱電材料是一種當暴露于溫差時(shí)，電子會(huì )從熱端向冷端移動(dòng)，產(chǎn)生開(kāi)路電壓的材料。作為一個(gè)熱機，熱電裝置的效率由卡諾效率和材料性能決定，材料性能用一個(gè)參數ZT來(lái)表示。要獲得高的ZT，我們需要材料具有高的塞貝克系數S和高的電導率σ，以及低的熱導率k。只有當ZT達到3到4時(shí)，熱電裝置才能與當前的發(fā)電方式相競爭。

混凝土/瀝青路面中的能量收集潛力是什么？那么，混凝土或瀝青路面或基礎設施中的能量收集潛力是什么呢？你可以看到在你右邊的圖片中，時(shí)間和溫度的關(guān)系，我們有熱點(diǎn)混凝土（黑線(xiàn)）和空氣（紫線(xiàn)）。我們可以觀(guān)察到，混凝土路面表面溫度與空氣溫度之間的溫差從25華氏度到58華氏度不等。這意味著(zhù)這是一個(gè)很好的機會(huì )，我們可以使用熱電材料來(lái)收集能量。

混凝土中的氧化物納米材料 這是我們的一個(gè)研究，使用氧化物納米材料在混凝土中。我們使用了兩種不同的氧化物材料，氧化鋅和摻鋁氧化鋅，與一型水泥混合。添加率從0.2%到1%不等，按水泥重量計算。

我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗測試，來(lái)評估熱電性能，比如塞貝克系數、電導率和熱導率。這張幻燈片展示了我們在進(jìn)行塞貝克系數測量之前的情況。對于塞貝克系數的測量，熱功率的測量是通過(guò)電壓差除以溫度差來(lái)計算的。在你的左手邊，是溫度和電壓輸出的關(guān)系，我們得到了。我們有參考樣品和另外兩個(gè)樣品，分別摻入了氧化鋅和摻鋁氧化鋅。我們發(fā)現，在摻鋁氧化鋅的樣品中，塞貝克系數有30%的提高，摻入量為0.4%。

另一個(gè)性能是電導率，我們在28天時(shí)得到了這個(gè)結果，是混合設計與電導率的關(guān)系。你可以看到，紅色的是摻鋁氧化鋅的樣品，黑色的三角形是參考樣品。摻鋁氧化鋅的樣品的電導率比普通水泥高了37%，這是令人印象深刻的。

正如我剛才提到的，我們需要有低的熱導率，才能有高的熱電轉換效率。左邊的圖顯示了混合設計與熱導率的關(guān)系，我們發(fā)現，隨著(zhù)納米顆粒摻入量的增加，熱導率降低了。我們還測量了每個(gè)樣品的密度，我們發(fā)現，熱導率隨著(zhù)密度的降低而降低。我們還做了熱電功率潛力的建模工作，右邊的圖顯示了。估計的功率輸出是10毫瓦每平方厘米，溫差為50開(kāi)爾文，這足以為一些小型電子設備提供電力，比如LED燈、傳感器或結構健康監測。

另一個(gè)有趣的話(huà)題是使用壓電材料來(lái)進(jìn)行能量收集。壓電材料的原理是基于直接效應和反向效應，它們可以把機械力轉換為電能，反之亦然。我們都知道，振動(dòng)無(wú)處不在，我們可以把來(lái)自基礎設施的振動(dòng)能量轉化為電能，儲存在能量存儲裝置中，然后用于其他的應用。

其中一種有前途的壓電材料是PVDF，PVDF是一種聚合物基壓電材料，具有很高的柔性，可以適應結構的不同部位。所以我們研究了使用PVDF的方法。在我們的實(shí)驗室里，我們使用電紡設備來(lái)制備PVDF的β相納米纖維，并把它作為裝置，摻入到水泥基材料中。對于PVDF來(lái)說(shuō)，β相更適合于壓電性能，可以提高壓電性能。所以我們會(huì )盡量增加β相的含量。

對于PVDF的納米纖維，這是我和我的同事一起做的，我們有不同濃度的PVDF前驅體，從8%到40%。我們發(fā)現，對于8%的樣品，它有最高的β相含量，達到了80%。我們可以得到更細的纖維，這些纖維通過(guò)電紡過(guò)程會(huì )產(chǎn)生更高的極化，因此，具有細小尺寸的PVDF納米纖維具有高的β相含量，這意味著(zhù)我們會(huì )有更高的能量收集效率。

實(shí)驗裝置 我們還做了一些試驗性的測試，用于壓電式能量發(fā)生器，我們把PVDF納米纖維嵌入到可彎曲的混凝土ECC中，然后我們做了四點(diǎn)彎曲試驗，測試載荷速率我們改變了拉伸速率，從0.5毫米每秒到2毫米每秒，我們有不同的樣品長(cháng)度。

結果 這里只是一個(gè)結果，是機械測試的結果，樣品的平均最佳結構強度是4.6兆帕，彈性模量是28千兆帕，加載速率從0.5到2毫米每秒的變化并沒(méi)有顯示出什么明顯的影響，對結構性能的影響。但是值得注意的是，我們還記錄了測試過(guò)程中的累積輸出電壓。

電壓輸出 這張幻燈片展示了不同配置的樣品和累積輸出電壓。我們可以看到，累積輸出電壓隨著(zhù)加載速率的增加而增加，高加載速率的樣品比其他樣品有更高的電壓，大約是三到五倍，而且長(cháng)樣品比短樣品有更高的結果。

結論 所以，總結我們的工作，對于熱電部分，氧化鋅和摻鋁氧化鋅是有效的納米顆粒，可以調節水泥基材料的熱電行為，摻鋁氧化鋅納米顆粒的0.4%濃度表現出最好的結果，因為它有最高的塞貝克系數，我們得到的估計功率輸出是10毫瓦每平方厘米，這對于給小型電子設備供電是很好的。對于壓電部分，我們的累積電壓可以達到17千伏，這對于多功能操作材料是有利的。