將照明設施的熱能回收再利用的裝置的製作方法

2023-05-22 02:54:16 2

專利名稱：將照明設施的熱能回收再利用的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可將路燈等照明設施的熱能回收再利用的裝置，特別涉及一種可以通過熱電晶片模塊將光源所產出的熱能進一步回收並轉換為電能以再利用的節能減碳的裝置。
背景技術：
自從十九世紀美國大發明家愛迪生發明電燈以來，人類在黑夜即開始享有亮如白晝的燈光。一百多年來，電燈點亮了世界的各個角落，除了提供人類便利的生活照明外，也大大地提升了科技的效率及文明的發展；但是，人類為了獲取照明，也相對地耗費了許多電能，逐漸衍生了能源危機以及環境汙染的夢魘。所有照明產品中，除了近幾年來開發的LED(二極體發光照明)及CCFL(冷陰極管照明)等外，大部分均是十分耗費電能的照明裝置；例如白熾燈、滷素燈、水銀燈、高壓鈉燈、陶瓷復金屬燈等；雖然LED燈、日光燈、CCFL燈等相對比較省電，但仍有散熱不良、光衰嚴重，以及汞汙染等諸多問題尚未獲得有效地解決；而且，此些照明裝置若用於戶外照明， 如路/街燈、投射燈、球場或廣場照明燈，或用於工廠、賣場的照明，仍有光通量不足、演色性不佳等問題，因此戶外照明尤其是路燈、街燈或是廣告用的洗牆燈等，大部分仍以相對耗電量較大的陶瓷復金屬燈、高壓鈉燈等為主。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在於提供一種可將路燈等照明設施的熱能回收再利用的裝置，其耗電相對可以得到大幅改善，進而達到節省能源，降低環境汙染的目的。為達到前述目的，本實用新型採取照明裝置前所未有的熱能回收再利用裝置，將照明光源所產出的熱能作適當收集、擷取，再通過所布設的熱電晶片模塊轉換為電能以續行使用。自從人類使用白熾燈泡迄今，燈泡發光同時產生的熱能都未曾善加利用，而是任其白白地浪費掉。其實，早在1823年德國物理學家西貝克(Thomas Johann Seebeck)的研究就已經發現；將兩種金屬在封閉的電路中連結，再在接合處加熱，會使附近的指南針偏轉。 這說明了熱在電路中會造成電流及/或電能，即熱電(thermoelectricity)；—直到現今， 半導體科技來臨，這古老的西貝克效應才開始斬露頭角；在P型半導體中，冷端為負極，而在N型半導體中，冷端則為正極；將此二種半導體以導體，例如銅片，連結起來，並施以熱能時，則P可產生負電荷，N可產生正電荷，結果電流可以從一端流到另端，只要持續維持者溫差，電能就可以不斷地產生。一般而言，如同前述；人造光源，除冷光外，均有明顯的熱能隨的產生。在室內照明方面，白熾燈由於十分耗能，已即將為各國政府所禁用，而逐漸由比流行數十年的日光燈更低耗能、高亮度的、LED以及CCFL等照明裝置所取代。在戶外照明方面，尤其是路燈；由於需要較大的光通量，以及較佳的演色性(Ra值)，以提高安全度，不得不採取仍屬較高耗能的陶瓷復金屬燈或高壓鈉燈(HID)等。由於高耗能，因此也同時產生大量的熱能；以較為先進的陶瓷復金屬燈而言，其燈泡周圍溫度仍有數百攝氏度的高溫。本實用新型開發完成此一極富節能減碳效益的裝置，可以節省大量的電能，又不減損照明效率。本實用新型的主要特點是利用路/街燈、投射燈、球場或廣場照明燈等光源所產生的熱能加以適當地收集並提供予熱電晶片模塊，以將熱能直接轉換為電能，再將此所獲的電能以導線、整/變流電路、電壓調控器、二極體、保護電路、電錶、電池，以及其它必要的電子元組件等所構成的電路系統加以儲存或直接輸往供電電路或市電網絡以產出額外電能，並加以再利用。一般路燈等戶外照明裝置均由導線、燈座、燈泡、反光罩、燈殼、安定器、控制電路等所構成。當此一路燈照明裝置通電時，燈泡即可發光。在燈泡發光時，由於燈絲阻止電流通過的緣故，也同時產生高溫。本實用新型即是利用此一高溫的熱能加以發電；即，在反光罩外側-與燈泡相反位置的背面上，視其可利用的面積，固設一組或多組熱電晶片模塊，並以導線加以串聯或並聯，再將此串聯或並聯的熱電晶片模塊/群，以導線接至電路系統模塊，進行整流、變流、升壓、穩壓等電流、電壓的調控，再經二極體及保護電路、電錶等及其它必要電子元組件，以將所獲的電能加以儲存或直接輸往供電電路再利用或輸入市電網絡以增加額外的電力供應。目前熱電材料的發展已達相當程度的水平；依照工業界較常使用的材料系統，大約可分為(1)鉍締類化合物或合金類；( 鉛締合金類；C3)矽鍺合金類。其中，鉍締類較廣泛利用在冷凍業界；鉛締合金及矽鍺合金類則通常被用來作為發電模塊，其工作溫度及效率稍有不同，應依個別條件加以分析、設計來配置使用。依照前述，熱電效應需具備有一定程度的溫差，電路內才會有電動勢產生；也就是說，必需有「冷與熱的搭配」，以及負載電路才能構成完整的熱電系統。本實用新型在先天上已具備「冷與熱的搭配」，則實際實施更佳路燈啟動時段必然是在夜間至清晨；這段時間是全天M小時裡氣溫最低的時段，先天上已具備了相對「冷」 的條件；而路燈啟動發光時，燈泡可以產生數百攝氏度的高溫，傳遞到布設在反光罩背向面上的熱電晶片模塊時，經測定仍可以達到攝氏一百多度；相較於如此高「熱」，夜裡的氣溫實在是相對十分的「冷」；如此一來，「熱」、「冷」間的差距-即溫差也十分的懸殊，實在是給熱電晶片模塊絕佳的發電條件。另一方面，由於材料科學的進步，導熱材料也有許多選擇。熱傳導事實上就是熱從高溫區經由物質傳遞到低溫區的現象。由於物體與高溫區接觸的分子其振動較為快速，通過這些分子把能量傳給鄰近溫度較低而振動較慢的分子，使其跟著加快振動，進而完成能量的傳導；經過實際測試，傳熱物質兩端的溫差愈大時，熱傳導的速率也愈快；此一物理現象更說明了高功率的路燈等戶外照明在夜間發光、發熱時，與其所處的暗夜氣溫，可以巧妙地形成一種持續的相對溫差，且由於路燈光源的功率十分穩定，大氣溫度在夜間通常也僅是細微、漸近地變化，因此二者間可以持續維持十分理想且穩定的大溫差範圍。如再採用適宜的導熱材料，將光源所產生的熱能傳遞給熱電晶片模塊的熱端；甚或加設以輻射屏、真空或其它絕熱設施、材料，儘可能將冷與熱的環境區隔開來；此外，也可在燈殼上設置鰭片，使之擴大與大氣接觸的面積；或兼在燈殼內側以傳熱材料設置蜂巢式、觸腳式等各種適用型式的釋熱壓板，將熱電晶片模塊冷端處可能入侵的熱能，儘快移除，或是輔以耐候、防水型風扇或塗布特殊降溫材料等裝置，使冷端與熱端之間，維持著優越的溫差條件，則熱電晶片模塊必可持續地發揮十分良好的轉換效率，無論是在高功率的陶瓷復金屬燈、高壓鈉燈，或是LED半導體照明裝置，只要是照明伴隨產生的熱能，所有燈具均得以本實用新型所揭露的裝置，經由設計良好的物理結構以及適當優異的材料選用，達到將熱能直接轉換為電能以再加以利用的目的。本實用新型裝置，無論是在半導體材料、傳熱導體、絕緣材料以及照明裝置本身所需的蓄電設施、充電電路、控制電路及其它各種電子控制元組件、模塊、整流電路、變流電路、升/降電壓及穩壓電路、二極體、各種晶片、電路、安定器，以及耐候及防水風扇、降溫材料等均已有相當成熟的產品可供選用；此外，關於西貝克效應，熱學、電子學、各種照明設計、真空絕熱、真空粉末絕熱、輻射屏等各種絕熱技術及材料等也均已有相當完備的研究成果，也廣為專業人士所熟悉，且均已有成熟實用的產品廣泛流通使用，在此恕不予逐一贅述。為此，為達到以上功能或目的，本實用新型提供一種將照明設施的熱能回收再利用的裝置，包括有一光源，該光源外部設置有一反光罩，該反光罩外部則設置有一燈殼，其特徵在於，至少一熱電晶片模塊，設置在反光罩外側表面，該熱電晶片模塊接觸反光罩的一側將受到光源熱能影響以形成熱端，而另一側則連接與大氣接觸的燈殼以形成冷端，使該熱電晶片模塊正、反兩側維持一穩定的溫差，以產出穩定的電能。上述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其中，該熱電晶片模塊產生的電能經由一導線引導至一電路控制系統，通過該電路控制系統內的整流電路，電壓調控電路、二極體或模塊調控後，直接進入用以續行使用的供電電路。上述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其中，該電路控制系統連接有將電能儲存再加以利用的一蓄電設施。上述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其中，該燈殼與反光罩二者之間隔墊有用以避免熱傳導效應的絕熱材。上述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其中，該反光罩設置有使之更接近光源的熱源的突起的導熱體。上述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其中，該照明設施結合有能夠在白晝陽光或風力充足時獲取電能，並儲存在一蓄電設施內，以備於夜間提供予光源使用的一太陽能發電板、一風力發電機、或一同時兼具有太陽能發電板及風力發電機的發電設施。上述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其中，該光源為具有高發熱的一白熾燈、一滷素燈、一燈泡、一 LED燈、一高壓鈉燈或一陶瓷復金屬燈。上述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其中，該燈殼選擇設置有至少一耐候防水的散熱鼓風機、散熱風扇、釋熱鰭片或釋熱壓板。上述的將照明設施的熱能回收再利用 的裝置，其中，該熱電晶片模塊具有兩導體， 並在兩導體之間設置有受熱即產生負電荷的至少一P型半導體與受熱即產生正電荷的至少一 N型半導體，經由兩導體傳導產出電能。
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細描述，但不作為對本實用新型的限定。
圖1為本實用新型將路燈等照明設施的熱能回收再利用的裝置的實施例圖；圖2為本實用新型應用在反光罩燈具上的實施例圖；圖3為本實用新型結合太陽能與風能共同儲能的實施例圖4為本實用新型應用在洗牆燈上的實施例圖；圖5為本實用新型的熱電晶片模塊的工作原理圖；以及圖6為本實用新型應用在造型街燈上的實施例圖。其中，附圖標記1 路燈2反光罩燈具3 燈具4洗牆燈5 路燈6造型街燈10 燈杆11固合螺絲12反光罩121反光罩外側表面13 燈泡131 燈絲14電路控制系統15安定器16熱電晶片模塊161、162 導體163 P型半導體164 N型半導體165、166 絕緣體167釋熱鰭片168釋熱壓板169aU69b 導線17 燈殼18固合栓19絕熱材20 導線21蓄電設施22導熱體23太陽能發電板24風力發電機[0062]25透明護罩26街燈柱27託架28鼓風機29滷素燈管具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的結構原理和工作原理作具體的描述請參閱圖，本實施例是以一般路燈為說明。在一燈杆10的末端，以固合螺絲11將裝置有反光罩12、透明護罩25、光源13、電路控制系統14、安定器15以及布設在反光罩外側表面121上的熱電晶片模塊16等零組件的燈具燈殼17穩固設置。本實用新型所述光源 13可為多種產品，例如本實施例所示的燈泡13。其中燈具燈殼17與反光罩12 二者以固合栓18固合，中間隔墊有絕熱材19，以避免熱傳導效應，使二者可各自維持冷端及熱端，形成溫差。當通電啟動路燈1時，燈泡13即瞬間發光，並產生熱能。由於燈泡13固設於反光罩12及透明護罩25之間，所有熱能隨即向外傳導，其中有許多熱能經由空氣傳遞到反光罩12，反光罩12隨即受熱升溫，並在持續接受熱能後形成一高熱載體，是為熱端；此時，布設於此一反光罩外側表面121上的熱電晶片模塊16隨即受熱產生電動勢，由於熱電晶片模塊16的另一面是為與相對低溫的大氣接觸的燈殼17，即是冷端；故熱電晶片模塊16的正、反兩側可維持一穩定的溫差，如此即可不斷產出穩定的電流及/或電能。此一產出的電能經由導線20引導至電路控制系統14，由其中的整流電路，電壓調控電路、二極體等必要的電子元組件及/或模塊等調控後，即可直接進入供電電路續行使用，或輸往蓄電設施21加以利用。本實施例中，其光源13雖然是以燈泡為描述代表，但光源13也可選擇為一白熾燈、一滷素燈、一 LED燈、一高壓鈉燈及/或一陶瓷復金屬燈等高發熱的裝置，都可適用於路燈或投射燈等高亮度需求的領域。 請參閱圖2，本實施例與圖1的最大區別，在於此是設置有傳熱突起的導熱體22的反光罩燈具2。該燈具2在不影響光源反射效率的條件下，通過設計為突起的導熱體22，使的更接近熱源，以擷取更多、更強的熱能。由於燈泡13所產生的熱能是以空氣為介質傳遞至反光罩12，而空氣本身的導熱率並不理想(0. 57X10-4cal/cm □ S □ oC)，因此，本實施例設置有更接近燈泡13熱源的突起導熱體22，可更有效地擷取熱能傳導給設置於反光罩外側表面121上的熱電晶片模塊16，以創造更大的溫差值，以利獲取更多的電能。 請參閱圖3，本實施例為複合式能量回收再利用的裝置。更正確的說，此是為交互利用「風、光、熱」三種能量以獲取更多電能供應予路燈的實施例。在白晝陽光或風力充足時，可以通過一太陽能發電板23、一風力發電機24、或一同時兼具有太陽能發電板23及風力發電機24的發電設施來獲取電能，並加以儲存在蓄電設施21內，以備於夜間提供予燈泡 13使用；當夜幕低垂後，蓄電設施21上的電路控制系統14即依設定自行啟動供電，令燈泡 13發亮；此時光源同時產出的熱能即可經由燈具3內的空氣及反光罩12傳導至布設於反光罩外側表面121上的熱電晶片模塊16，該熱電晶片模塊16接受熱能後即可產生電動勢， 且由於入夜後大氣溫度降低，燈具燈殼17的溫度自然遠低於在燈泡13熱源上方的反光罩12 ；如此被夾置於反光罩12及燈具燈殼17中間的熱電晶片模16的上下二側即維持一定範圍以上的溫差；通過此一持續且穩定的溫差，可以平順(Smooth)的產出電能，此電能經導線20輸往電路控制系統14加以調控後即可直接利用或儲存於蓄電設施21。 請參閱圖4，本實施例是以一般夜間廣告用的洗牆式投射照明燈為實施例。在一配置有高溫滷素燈管29的洗牆燈4，其中熱電晶片模塊16布設於反光罩外側表面121 ；當該洗牆燈4通電後，滷素燈管29隨即發光並同時產生一工作熱能，此熱能經傳遞至反光罩12 後，隨即對設置於反光罩外側表面121上的熱電晶片模塊16加熱，使熱電晶片模塊16產生熱端，同時，由於熱電晶片模塊16的另端是貼設於燈殼17，該燈殼17直接暴露於夜間的冷空氣中，相對為一冷端；在內外為熱、冷端所形成的溫差環境中，熱電晶片模塊16即可產出電流及/或電能，此電能經導線20引導入電路控制系統14即可再行使用或儲存。請參閱圖5，此是為路燈5使用熱電晶片模塊的工作示意圖。在光源燈泡13通電後，燈泡13中的燈絲131隨即產高溫，此高溫熱能經由空氣傳遞予反光罩體12及傳熱突起導熱體22，由於反光罩體12及傳熱突起導體22均選用導熱係數極佳的材料，故其熱傳導效率極高，可將光源所產生的高溫熱能有效地傳遞；此時，布設於反光罩外側表面121上的熱電晶片模塊16，其具有導體161、162，並在兩導體161、162之間規則排放有至少一 P型半導體163與至少一 N型半導體164，由於受熱即在P型半導體163上產生負電荷，N型半導體 164上產生正電荷，經由兩導體161、162傳導產出電能，並通過兩端導線169a、169b連接進入供電電路使用。該熱電晶片模塊16兩端設置有絕緣體165、166，以穩定熱電晶片模塊16 產生的電能傳輸，維持供電的效能。且由於燈殼17直接與大氣接觸，因此其溫度遠低於反光罩12，如此一來，在熱電晶片模塊的冷端與熱端即可建構一持續且穩定的溫差，以產出大量電流及/或電能供路燈5本身再利用。而在燈殼17上還可設置釋熱鰭片167，使之擴大與大氣接觸的面積，或可兼在燈殼17內側以傳熱材料設置蜂巢式、觸腳式等各種適用型式的釋熱壓板168，可大幅增加散熱效益。請參閱圖6，本實施例是以造型街燈6為例；在一特殊造型的街燈柱26上延伸有託架27以支撐至少一耐候防水的散熱鼓風機或風扇28 ；在該造型街燈6被啟動時，電能經導線及電路控制系統14令燈泡13發光，同時產生熱能，該熱能傳導至反光罩12，反光罩12 即受熱；是為熱端；並對布署設置於反光罩外側表面121上的熱電晶片模塊16傳熱；此時， 在熱電晶片模塊16上方的燈殼17，由於是與夜間大氣直接接觸，故可維持在相對低溫，形成冷端；熱電晶片模塊16在此冷、熱端的相對溫差條件下，即可產生電動勢，即電能；該電能經導線20被輸往電路控制系統14，經整流、變壓、二極體等電子電路調控後即可再續行供電予該造型街燈6。本實施例也可經特定的時間或溫度感測的設定，由電路控制系統14 內所設定的程序啟動系統內的鼓風機28，輔助燈殼17散熱，以達更高效益。當然，本實用新型還可有其它多種實施例，在不背離本實用新型精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本實用新型作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。
權利要求1.一種將照明設施的熱能回收再利用的裝置，包括有一光源，該光源外部設置有一反光罩，該反光罩外部則設置有一燈殼，其特徵在於，至少一熱電晶片模塊，設置在反光罩外側表面，該熱電晶片模塊接觸反光罩的一側將受到光源熱能影響以形成熱端，而另一側則連接與大氣接觸的燈殼以形成冷端，使該熱電晶片模塊正、反兩側維持一穩定的溫差，以產出穩定的電能。
2.根據權利要求1所述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其特徵在於，該熱電晶片模塊產生的電能經由一導線引導至一電路控制系統，通過該電路控制系統內的整流電路，電壓調控電路、二極體或模塊調控後，直接進入用以續行使用的供電電路。
3.根據權利要求2所述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其特徵在於，該電路控制系統連接有將電能儲存再加以利用的一蓄電設施。
4.根據權利要求1所述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其特徵在於，該燈殼與反光罩二者之間隔墊有用以避免熱傳導效應的絕熱材。
5.根據權利要求1所述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其特徵在於，該反光罩設置有使之更接近光源的熱源的突起的導熱體。
6.根據權利要求1所述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其特徵在於，該照明設施結合有能夠在白晝陽光或風力充足時獲取電能，並儲存在一蓄電設施內，以備於夜間提供予光源使用的一太陽能發電板、一風力發電機、或一同時兼具有太陽能發電板及風力發電機的發電設施。
7.根據權利要求1所述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其特徵在於，該光源為具有高發熱的一白熾燈、一滷素燈、一燈泡、一 LED燈、一高壓鈉燈或一陶瓷復金屬燈。
8.根據權利要求1所述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其特徵在於，該燈殼選擇設置有至少一耐候防水的散熱鼓風機、散熱風扇、釋熱鰭片或釋熱壓板。
9.根據權利要求1所述的將照明設施的熱能回收再利用的裝置，其特徵在於，該熱電晶片模塊具有兩導體，並在兩導體之間設置有受熱即產生負電荷的至少一 P型半導體與受熱即產生正電荷的至少一 N型半導體，經由兩導體傳導產出電能。
專利摘要本實用新型公開一種可將路燈等照明設施的熱能回收再利用的裝置，主要是由一熱能轉換為電能的熱電晶片模塊和反射罩、燈殼及電路控制系統、儲電設施及其它必要的電子元組件等所組成。通過光源所產生的熱能作為熱端，另以與大氣接觸的燈殼為冷端，使布設於反射罩與燈殼中間的熱電晶片模塊的上下端分別受熱及受冷，如此形成一穩定的溫差以產生電能，再將此所獲的電能經由電路控制系統內的電壓、電流調控晶片、電路模塊等儲存於儲電設施或直接輸入供電電路以有效回收再利用其自身所產生的熱能，以進一步節省電能的目的。
文檔編號F21V29/00GK201976044SQ20102069959
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月29日 優先權日2010年12月29日
發明者呂淑雲, 廖書璇, 廖明振, 廖珮瑜 申請人:易隨科技股份有限公司