一种基于热电化学电池的电致变色玻璃全天候自供电系统

本发明涉及建筑节能领域，具体涉及一种基于热电化学电池的电致变色玻璃全天候自供电系统。

背景技术：

1、通过电压调节透光率的电致变色玻璃，是一种降低室内太阳光透射量，进而降低空调能耗的重要技术。地表的太阳光是由50％可见光、43％红外线与7％紫外线组成，人体所感受的热量基本上来自于可见光与红外线。当对电致变色玻璃施加电压时，玻璃内部变色层发生可逆的氧化还原反应开始着色，改变其对可见光与红外线的吸收率与透过率，将大部分的太阳能热量隔绝在室外，以此降低室内温度，节省空调耗电，从而达到建筑节能减排的效果，对降低建筑碳排放具有重要意义。此外，夜间使用电致变色玻璃可以有效保护室内隐私与安全，具有全天候工作的需求。

2、现有电致变色玻璃，需要通过施加外部电压调节透光率，造成了供电能耗较大，安装和维护成本较高等问题。

3、因此，在已知室内与室外温差和太阳辐射强度的情况下，包括复合型相变储热材料的热能储备能力，本发明提出一种新型的基于热电化学电池的电致变色玻璃全天候自供电系统。通过研究结果发现：相变储热材料在相变温度点区间范围内具有较大的潜热，在持续吸热/放热过程中保持温度恒定。此外，将相变材料同金属泡沫复合后，可以提升材料的导热能力，并且金属泡沫的孔隙率将会影响储热密度与速率；热电化学电池输出电压大小主要受高温端与低温端的温差大小影响，并且温差越大，热电化学电池输出的电压越大。此外，凝胶热电化学电池不存在电解液泄漏问题，可以免维护；电致变色玻璃是在外加电场的作用下，电致变色层发生可逆的氧化还原反应，且电压越大，反应程度越剧烈，玻璃着色越深。基于以上现象，本发明利用热端与冷端相变储热材料相变点温度差，采用热电化学电池取代原有外加直流电通过温差发电，以此实现电致变色玻璃的有效运行。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明设计了一种新型的基于热电化学电池的电致变色玻璃全天候自供电系统，其技术方案如下：

2、本发明首先提供了一种基于热电化学电池的电致变色玻璃全天候自供电系统，包括热电化学电池供电模块、控制模块以及电致变色玻璃模块；

3、所述热电化学电池供电模块包括凝胶热电池组和凝胶热电池支撑板；其中凝胶热电池组的两侧均由内到外设置有导热片、复合型相变储热材料和吸热片；所述吸热片用于将将光能转化为热能同时吸收环境中的热能并将热能传递给复合型相变储热材料；所述复合型相变储热材料用于储存吸热片传递的热能并为凝胶热电池组提供热能；所述导热片用于将复合型相变储热材料的热能传递给凝胶热电池组；所述凝胶热电池组用于根据温差产生电能；所述凝胶热电池支撑板作为热电化学电池供电模块的框架，用于放置凝胶热电池组；其中，凝胶热电池组位于温度较高的一侧为凝胶热电池组的热端，另一侧为凝胶热电池组的冷端。

4、所述控制模块用于采集室内外光照强度以及室内外温度的数据以及将热电化学电池供电模块转化所得电压进行升压稳压，并根据外部遥控指令或采集的数据对升压稳压后的电压进行调节后施加于电致变色玻璃模块两端；

5、所述电致变色玻璃模块用于根据控制模块施加于电致变色玻璃模块两端的电压改变透射率。

6、作为本发明的优选方案，所述凝胶热电池组包括多组凝胶热电化学电池对，每个凝胶热电池对包括串联的一个p型凝胶热电化学电池与一个n型凝胶热电化学电池；所述凝胶热电池支撑板开设有用于放置凝胶热电化学电池的空腔；所述空腔将每一个凝胶热电化学电池进行隔离，同时增大凝胶热电化学电池四周传热热阻并降低凝胶热电化学电池四周传热性能，从而提升凝胶热电化学电池两端的有效温差。

7、作为本发明的优选方案，所述复合型相变储热材料通过密封框密封在吸热片与导热片之间；所述复合型相变储热材料通过导热泡沫材料和相变材料复合得到；所述导热泡沫材料为泡沫铜、泡沫铝、泡沫铁、泡沫镍、泡沫石墨、高回弹聚氨酯泡沫、三聚氰胺泡沫中的一种，所述相变材料为脂肪酸、多元醇、石蜡、低共熔物、无机水合盐中的一种。

8、作为本发明的优选方案，所述控制模块包括dc-dc升压稳压单元、可变电压输出单元、光线强度与温度数据采集器以及控制面板；所述dc--dc升压稳压单元用于将热电化学电池供电模块输出的电压升压至稳定电压；所述可变电压输出单元用于调节控制模块的输出电压，即施加于电致变色玻璃两端的电压；所述光线强度与温度数据采集器用于采集室内外光线强度以及室内外温度的数据，并将采集的数据传输给控制面板；所述控制面板用于接收外部遥控指令或光线强度与温度数据采集器传输的数据并控制可变电压输出单元进行电压调节。

9、本发明还提供了一种基于上述电致变色玻璃全天候自供电系统的电致变色玻璃调控方法，包括以下步骤：

10、1)吸热片将光能转化为热能同时吸收环境中的热能，并将热能传递给复合型相变储热材料；

11、2)在吸热片传递热能时，复合型相变储热材料接收吸热片传递的热能升温至相变温度点，之后保持温度不变并继续接收吸热片传输的热能进行相变；在吸热片不传递热能时，复合型相变储热材料保持温度不变并向环境散热进行相变；并且复合型相变储热材料实时通过导热片为热电化学电池组提供产电所需的热能；3)热电化学电池组接收传递将热能并转化为电能，热电化学电池组将产生的电能输送到控制模块；

12、4)控制模块将输送的电能进行升压稳压并采集室内外光照强度以及室内外温度的数据，根据外部遥控指令或采集的数据对升压稳压后的电压进行调节后施加于电致变色玻璃两端；电致变色玻璃模块根据施加于电致变色玻璃两端的电压改变透射率。

13、作为本发明的优选方案，光照情况下，太阳辐射照射在热电化学电池模块中朝向室外的吸热片上，吸热片吸收太阳辐射并转化为热能传递给复合型相变储热材料；当环境温度高于复合型相变储热材料的温度时，吸热片还吸收环境中的热能并传递给复合型相变储热材料；没有光照情况下且环境温度高于复合型相变储热材料的温度时，吸热片仅吸收环境中的热能并传递给复合型相变储热材料；

14、复合型相变储热材料迅速吸热升温至各自的相变温度点，之后保持温度不变并继续接收吸热片传输的热能进行相变；复合型相变储热材料还实时通过导热片为热电化学电池组提供产电所需的热能；

15、没有光照且环境温度低于复合型相变储热材料的温度时，复合型相变储热材料保持温度不变通过吸热片向环境散热进行相变，同时复合型相变储热材料继续通过传热片向热电化学电池组传递热能；

16、作为本发明的优选方案，所述控制模块包括自动检测控制和外部指令控制；

17、其中，自动检测控制具体为：

18、当控制模块检测到室外光照强度大于设定值且室内温度大于或等于设定值时，对升压稳压后的电压进行调节，使得施加于电致变色玻璃两端的电压增大，从而减小电致变色玻璃的透光率；

19、当控制模块检测到室内温度小于设定值或室内光照强度小于设定值时，对升压稳压后的电压进行调节，使得施加于电致变色玻璃两端的电压减小，从而增大电致变色玻璃的透光率；

20、外部指令控制具体为：

21、通过外部遥控指令设置电致变色玻璃的透光率，控制模块接收到外部遥控指令后直接对施加于电致变色玻璃两端的电压进行调控，使得致变色玻璃的透光率达到设置的值；当选择外部指令控制模式后未锁定，则经过设定好的时间后进入自动控制模式。

22、相比于现有技术，本发明的优点在于：

23、1)本发明基于环境温差发电达到自供电的效果，相比于现有电致变色玻璃的需要外部供电才能运行更加节能，并且有效利用太阳能这一清洁能源。

24、2)本发明冷热两端都采用复合型相变储热材料，可以使得供电模块在恒定的温差区间内长时间稳定工作，使得电致变色玻璃可以全天候稳定自供电工作。

25、3)本发明供电模块与电致变色玻璃集成于一体，便于安装与维护。现有的供电方式采用专用变压器将220v交流电转换为玻璃所需的低压直流电，并通过电线引接在玻璃两端，有较大的安装与维护成本。

26、4)本发明发电模块占用空间位置小，能量密度较高，并且只需要要环境温差即可发电，对光照的依赖不强，同时采用凝胶热电化学电池，无泄漏风险。现有光伏发电自供电变色玻璃，光伏发电板占地面积大且光电转换效率低，并且受光照影响因素大。相比于光伏发电自供电变色玻璃，本发明稳定可靠，受气候影响小，后期维护成本低。