中国古建屋顶变身“发电站”

西班牙《非常有趣》杂志2月3日文章，原题：一支工程师团队正在运用中国古代建筑智慧，打造以太阳能为动力的节能屋顶瓦片我们常常欣赏传统建筑的美学价值、岁月痕迹或历史意义，其实它还能帮助我们开启更便捷的未来。工程师们正在重新诠释传统的东方建筑智慧，开发出能够发电、也能触发快速警报装置的屋顶瓦片，为智能建筑的建造开辟了新的可能性。在当今建筑能耗高企、亟需利用可再生能源的背景下，中国深圳大学一组工程师将目光瞄准了中国古代的传统建筑。近日，他们在《先进复合材料和混合材料》期刊上发表论文，论证了如何将古代建筑智慧融入先进材料的研发，从而创造出既能发电又兼具火灾探测功能的系统。

温差是高效热电性能的关键

传统的东方屋顶以层叠式结构、陡峭的坡度和弧形表面为特征。这种几何形状能够形成天然的温度梯度，从而促进太阳光的吸收和热量、水分的快速散发。以中国古建筑为灵感，新方案提出了新一代“智能屋瓦”的理念。

研究人员设计了瓦片状的热电装置。每个单元都模仿了传统屋顶的瓦片，使得一部分在阳光照射下升温，而另一部分则保持相对凉爽。这种温差是高效热电性能的关键，而系统的结构设计进一步放大了这种温差。这种结构设计不再仅仅是瓦片互相支撑，而是成为能量转换过程中的重要组成部分。
无需传统光伏板

该系统的技术核心在于使用由单壁碳纳米管和木质素（一种源自生物质的天然聚合物）组成的薄膜。木质素的引入不仅提高了热电性能，还增强了材料的光热转换能力。这些薄膜在可见光和近红外波段具有很强的吸收能力，与太阳光谱相吻合。在模拟照射下，单次标准太阳光照射即可使其温度达到55°C，强度加倍后可达85°C。此外，工程师们还验证了该复合材料具有出色的机械稳定性。即使经过数百次弯曲循环，其电性能也几乎保持不变。这种强度对于用于承受持续环境应力的建筑材料至关重要。

每套装置由多个串联的热电“元件”组成，并封装在一个模仿东方瓦片的结构中。最先进的型号包含20个活性元件，在太阳辐射下可产生一定温差。在此条件下，发电机可达到60毫伏的开路电压。尽管数字看起来并不高，但它们证明了无需传统光伏板、直接从建筑表面收集能量的可行性。因此，这种设计可以用于建造屋顶。

再现古典美学
除了瓦片本身的性能之外，该项目的价值还在于其优美外观。太阳能瓦片被设计为真正的建筑构件，而非外部附加物。因此，屋顶本身被转化为能源基础设施，能够利用太阳辐射和环境温度梯度发电。这种方法对于历史建筑或传统风格的建筑尤其具有吸引力，因为在这些建筑中安装现代面板通常会在视觉上显得突兀。而新型瓦片能够在保留建筑特色、再现古典美学的同时，融入先进的科技功能。从城市角度来看，该系统提供了一种分散式发电模式，有助于减轻整个社区的能源负担。

该项目的第二个主要贡献是热探测功能。在温度急剧上升的情况下（例如火灾期间），该装置会产生与温度梯度成正比的电压。当该电压超过预设阈值时，系统会自动触发警报。测试表明，其响应速度极快。在300°C的高温下，警报信号仅需0.16秒即可激活。这超越了许多现有传感器的性能。此外，该系统还可以与无线模块集成，将警报直接传输到手机或其他设备。

‍能量采集和火灾探测功能的结合对于历史建筑尤为重要。许多传统建筑除了缺乏现代化的监控系统外，还使用木材和其他易燃材料建造。这些热电瓦片可以为寺庙、宫殿和古宅提供一种隐蔽的解决方案，在提供能源的同时，又不改变其外观。这项研究表明，技术创新并非总是意味着与传统决裂。研究人员利用先进材料重新诠释了中国传统建筑瓦片的设计，创造出一种能够发电并同时作为超快速火灾探测器的系统。传统建筑、生物材料和热电技术的融合，为打造真正的智能建筑开辟了一条充满希望的道路。（作者埃里卡·库托，罗何译）