电源系统的制作方法

专利名称：电源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电源系统，尤其涉及用于一升降设备中的电源系统， 其可回收该升降设备所释放的部分势能，并将该部分势能转换为电能以再 度利用，达到能源节约的功效。
背景技术：
升降设备已是现今类型的建筑结构中不可或缺的部分，尤其是都市中 的建筑用地普遍不足，建筑物不得不提升其高度，来达到更高的容积率。 故不论是搭载人或物，各式各样的升降设备在日常生活中处处可见，而升 降设备的运作，消耗能量是不可避免的，因此以下将概略述说已知升降设 备的运作与能量消耗的相互关系。
请参照图1，图l是已知升降设备的示意图。升降设备10主要通过电 力(已知的电力来源为市用交流电电源)来进行上升或下降的搭载的运作， 其结构大概包含一承载结构11、 一驱动系统12以及一刹车装置13。当升 降设备10呈上升动作，亦即承载结构11上升至一较高处，此时会得到一 个相较于原位置为正的势能差，该势能差由电力供予升降设备IO中的驱动 系统12，而后驱动系统12拉升承载结构11所得，因此可视为升降设备10 所消耗的电能的一大部分转换成势能(还有其他小部分电能是应用于承载 结构本体或升降设备中的其它装置所需的)。请注意，文中所提到的"势能"
一词，是指"重力势能"。
另外，当升降设备4夂下降时，亦即承载结构ll欲下降至空间中较低的 位置时，大多数则通过驱动系统12以及刹车装置13的运作以及控制，使 得承载结构11以一稳定的速度下降至该较低位置。但此时可发现，存在于 原本高位置与该较低位置间的一势能差(由电能所转换)，在承载结构11 下降时，被刹车装置13进行减速所消耗，使其可在一稳定的速度下降(减 緩承载结构11由势能差所产生的加速度)。
因此，当已知的升降设备进行『上升』与『下降』的反复过程时，有许多电能在运作过程中不可避免地被消耗用掉。而以目前一部升降设备一 天上、下次数可能需要上百次，特別是指Z^司行号或百货公司而言，如此 一来，就更需要消耗『许许多多』的电能，随着能源价格高涨，更是必须 付出非常高额的电能费用。
于此，在已知的升降设备的运作模式中，有相当庞大的能源是被浪费 的(特别是指在承载结构11呈下降时，被刹车装置13进行减速时所消耗)。 倘若能将升降设备所释放的势能差适当地回收并再利用，即可达节约能源 的效果，亦可减少废热的产生(刹车装置在使承载结构减速时，原本的势 能差转换成热能)。然而，欲回收势能，必须通过能量存储装置与能量转换 装置，将势能转换为利于存储的方式，另外，考量到升降设备中普遍使用 的能量是电能，因此将势能转换成电能便为最可行的方式。
其中能量转换装置虽可轻易的由已知的发电机来实施，但能量存储装
置却无法有效率地利用已知的普通电容与电池来实施；举例说明，现今普 遍应用的能量存储元件的能量存^f渚类型有三种1.将能量转换为化学能形 式来存储，其中传统的电池及属在此种类型。2.将能量转换为物理能方式 来存储，如传统的电容。3.将能量转换为兼具物理能与化学能的形式来存 储，此类包含有超级电容。
一般而言，电容虽然在制程上较为简单，但因其能量存储密度不高， 故其能量存储容量相对较小，只能当做短暂储能使用。而传统电池，主要 是利用化学能的方式来进行能量存储，因此其能量存储密度明显优于一般 电容，而可应用于各种电力供应装置，但是，缺点是:其所能产生的瞬间 电力输出会受限于化学反应速率，而无法快速的充放电或进行高功率输出， 且充放电次数有限，过度充放时易滋生各种问题；例如目前所4吏用的蓄 电池，虽然标榜着可重复使用，但还是有其寿命的限制。在多次充放电或 长时间不使用的情况下，蓄电池的容量会下降，且容易损坏，原因在于蓄 电池是利用化学能转换为电能，化学物质要常保其活性，才不至于失效变 质，当原来的化合物活性都作用完或将近用完时，便无法再进行新的化学 反应，进而导致蓄电池老化而宣告寿终。而超级电容是一种介于电池与电 容间的元件，又称双电层电容(Electrical Double-Layer Capacitor),因同时通 过部分物理储能、部分化学储能架构，故其具有比普通电容更大的容量，但 其缺点是因有化学材料而具化学特性，而易有如电池的漏电缺点，又加上因还有部分是物理特性的放电速度快的现象，如此一来就产生有很快就 会没电的现象，无法达到有效蓄电功能。甚至，超级电容的耐压度不高， 内阻较大，因而不可以用于交流电路，且如果使用不当会造成电解质泄漏 等现象，由于超级电容先天的特性，电能消耗过于快速若需持续使用将必 要频繁的对其充电，导致其并不适合做为一个主要的电力供应来源。
所以，上述已知储能元件并无法同时达到升Pfi殳备所要求的寿命长(高 充放电次数)、高能量存储密度、瞬间高功率输出及快速充放电等优点。因 此，因为已知的电容与电池，其所具备的能量存储密度并不足以令其在一 个理想的重量下存储足以供应升降设备运作的充沛电能，换句话说，已知 的电容或电池，在此种情形的应用将不具备令人接受的经济效益，因为如 果在这种情况下想要存储充足的电能以便回收再度被利用，以已知的电容 或电池所形成的能量存储装置将会有着相当惊人的重量与体积，如此一来， 对升降设备来说，便成了实作上的障碍(升降设备为达到能承受这额外的 重量与体积，在主要结构和设计上必须重新考量)，故能量回收所带来的优
势将因此大打折扣。

发明内容
因此，本发明的目的，是在提供一种电源系统，应用具有低成本、能 量存储密度高、体积小、重量轻、容量大、无需维护、使用寿命长、环保 低污染等优点的能量存储装置，进而回收存储升降设备下降时势能转换的 电能，以再提供负载所需的电力，期望能达到节能再利用的电源系统。
本发明的目的在于提供一种电源系统，使得能提升充放电次数以及充 》文电凌文能。
本发明又一 目的，是提供一种通过石兹性电容(magnetic capacitor)的能量 存储密度高于绝大多数的电容及电池，因此利用磁性电容来作为升降设备 中的一个能量存储装置，可说是兼备了效能与成本。
为解决以上所存在的问题，因此本发明提供一种磁性电容所组成的电 源系统，其可用于升降设备中且具备能源回收的功能。利用磁性电容的高 能量存储密度，可在不影响升降设备的结构的情形下，实现可存储大量电 能的电源系统。
依据本发明的一实施例，公开了一种电源系统。该电源系统包含一能量转换装置以及一能量存储装置，其中该能量存储装置耦接于该能量转 换装置。该能量转换装置用以于当一升降设备的一承载结构下降时，将该 承载结构的 一势能差转换成一 电能。该能量存储装置用以于该承载结构下 降时，存储该能量转换装置所产生的该电能，其中该能量存储装置包含至 少一磁性电容模块，而该磁性电容模块包含至少一磁性电容，其以电势能
的形式来存储能量。
优选地，该磁性电容模块包含至少 一个-兹性电容或包含由多个磁性电
容(magnetic capacitor)以串联、并联或串并联方式组成的一磁性电容组。 优选地，该磁性电容包含有一第一磁性电极、 一第二磁性电极以及设
于其间的 一介电层，其中该第 一磁性电极与第二磁性电极内具有磁偶极以
抑制该-兹性电容的漏电流。
优选地，该第一磁性电极包含有 一第一磁性层，具有排列成第一方
向的^f兹偶极； 一第二;兹性层，具有排列成第二方向的^f兹偶极；以及一隔离
层，包含有非磁性材料，设于该第一磁性层与该第二磁性层之间；其中该 第一方向与该第二方向互为反向，以抑制该f兹性电容的漏电流。
优选地，该第一磁性电极与第二磁性电极包含有稀土元素等，该介电 层由氧化钛(Ti03)、氧化钡钛(BaTi03)或一半导体层所构成。 优选地，该半导体层为氧化硅。


图1为。知升降设备的示意图。
图2为本发明磁性电容与其他已知能量存储媒介的比较示意图。 图3为本发明磁性电容的一实施例的结构示意图。 图4为图3所示的第一磁性电极的一实施例的结构示意图。 图5为本发明磁性电容模块的一实施例的示意图。 图6为采用本发明电源系统的升P争设备的 一 实施例的示意图。主要元件符号说明
10、 600 升降设备
11、 601 承载结构
12、 602 驱动系统
13、 622 刹车装置
7100i兹性电容
110、120;兹'性电才及
130介电层
115、125、 113、 117磁偶极
112、116磁性层
114隔离层
200、607磁性电容模块
603电源系统
604电源调节电路
605电源供给模块
610钢索
630发电装置
640轨道装置
642滚轮
具体实施例方式
本发明的主要特征，在于提供一个包含有一个或多个磁性电容所构成 的能量存储装置的电源系统，该电源系统可将已知升降设备中所浪费的大 量电能，通过该磁性电容的高储能容量而回收存储，以达能源再利用及降 低负载电能费用的节约目的。
相较于传统的电能存储装置(如电池或电容或超级电容)，本发明所公
开的磁性电容通过于上、下电极处形成的; 兹场，可以更高的密度来存储电 荷，使得在升降设备中，只需额外负担可令人接受范围内的重量与硬件成 本，即可达到回收能源的可能。
以下将详细介绍本发明磁性电容的原理及操作的细节。请参考图2,图 2为本发明磁性电容与其他已知能量存储媒介的比较示意图。相较于主要以 化学能方式进行能量存储的其他已知能量存储媒介(例如传统电池或超级 电容)，其所能产生的瞬间电力输出亦会受限于化学反应速率，而无法快速 的充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时易滋生各种 问题。相比而言，由于磁性电容中存储的能量全部以电势能的方式进行存 储，磁性电容除了具有可匹配的高能量存储密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快 速充放电等特点，故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。简而言之， 尽管传统电容或电池，甚至于超级电容，固然有其优势之处，但由图2可 知，磁性电容兼具了传统电容与传统电池的优点，因此在作为一个电力供 应元件上，是相当好的选择。
请参考图3，图3为本发明磁性电容的一实施例的结构示意图。如图3 所示，磁性电容100包含有一第一磁性电极110、 一第二磁性电极120以及 位于其间的一介电层130。第一磁性电极110与第二磁性电极120由具磁性 的导电材料所构成，并通过适当的外加电场进行磁化,使第一磁性电极110 与第二磁性电极120内分别形成磁偶极(magneticdipole)115与125，以于磁 性电容100内部构成一磁场，对带电粒子的移动造成影响，从而抑制磁性 电容100的漏电流。
所需要特别强调的是，图3中磁偶极115与125的箭头方向仅为范例 说明。对本领域技术人员而言，应可了解到》兹偶极115与125实际上由多 个整齐排列的微小磁偶极所迭加而成，且在本发明中，磁偶极115与125 最后形成的方向并无限定，可依^f兹性电容100的形状进行调整，例如可指 向同一方向或不同方向。介电层130则是用来分隔第一;兹性电极110与第 二磁性电极120,以在第一磁性电极110与第二磁性电极120处累积电荷而 存储电势能。
在本发明的一实施例中，第一i兹性电极110与第二磁性电极120包含 有磁性导电材质，例如稀土元素，介电层130由氧化钬(Ti03)、氧化钡钛 (BaTi03)或一半导体层，例如氧化硅(siliconoxide)所构成，然而本发明并不 限于此，第一磁性电极110、第二;兹性电4及120与介电层130均可视产品的 需求而选用适当的其他材料。
进一步说明磁性电容的操作原理如下。物质在一定磁场下电阻改变的
现象，称为「磁阻效应」，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，
通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，
电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值高出10
倍以上，而能够产生很庞大的磁阻效应。如果进一步结合Maxwell-Wagner
电路模型，磁性颗粒复合介质中也可能会产生很庞大的磁电容效应。
在已知电容中，电容值C由电容的面积A、介电层的介电常数f。^及 9厚度d决定，如"。J 。然而在本发明中，磁性电容100主要利用第
一磁性电极110与第二磁性电极120中整齐排列的磁偶极来形成磁场来， 使内部存储的电子朝同一自旋方向转动，进行整齐的排列，故可在同样条 件下，容纳更多的电荷，进而增加能量的存储密度。模拟于已知电容，磁 性电容100的运作原理相当于通过》兹场的作用来改变介电层130的介电常 数，故造成电容值的大幅提升。
此外，在本实施例中，第一石兹性电极IIO与介电层130之间的界面131 以及第二磁性电极120与介电层130之间的界面132均为一不平坦的表面， 以通过增加表面积A的方式，进一步提升i兹性电容100的电容值C。
请参考图4,图4为图3所示的第一^F兹性电极110的一实施例的结构示 意图。如图4所示，第一磁性电极110为一多层结构，包含有一第一磁性 层112、 一隔离层114以及一第二磁性层116,其中隔离层114由非磁性材 料所构成，而第一磁性层112与第二磁性层116则包含有具磁性的导电材 料，并在磁化时，通过不同的外加电场，使得第一磁性层112与第二磁性 层114中的》兹偶极113与117分别具有不同的方向，例如在本发明的一优 选实施例中，》兹偶极113与117的方向为反向，而能进一步抑制；兹性电容 IOO的漏电流。此外，需要强调的是，第一磁性电极110的结构并不限于前 述的三层结构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆 迭，再通过各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容100的漏 电流，甚至达到几乎无漏电流的效果。此外，第二磁性电极120的结构亦 可采用上述第一磁性电极110的结构，此一设计变化亦属本发明的范畴。
此外，由于已知储能元件多半以化学能的方式进行存储，因此都需要 有一定的尺寸，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本发明的磁 性电容100以电势能的方式进行存储，如此一来可以提供更有效率的储能 方式，因而本发明的^f兹性电容可作为一个较佳的电力供应来源。
请参考图5，图5为本发明磁性电容模块200的一实施例的示意图。承 前所述，在本实施例中，是利用半导体制程在一硅基板上制作多个小尺寸 的磁性电容100,并通过适当的金属化制程，在多个磁性电容100间形成电 连接，从而构成一个包含有多个磁性电容100的磁性电容模块200,再以磁 性电容^t块200作为能量存储装置或外部装置的电力供应来源。在本实施例中，^f兹性电容模块200内的多个^兹性电容100以类似阵列的方式电连接， 然而本发明并不限于此，而可根据不同启动装置的电力供应需求，来调整 磁性电容以串联、并联或串并联的方式组成，以满足各种不同装置的电力 供应需求。
接着说明采用本发明电源系统所设计的升降设备的实施例。请参考图 6,图中的升降设备600包含(但不限于)承载结构601,耦接于一钢索 610;驱动系统602，耦接于钢索610，可提供承载结构601上升与下降时 必须的控制与动力；电源系统603,耦接于驱动系统602,可供给驱动系统 602运作时所需的电力；滚轮642耦接于发电装置630以及轨道装置640, 用以在承载结构601下降时，将势能差转换成动能；发电装置630,耦接于 滚轮642以及电源系统603，利用滚轮642产生的动能进行发电，并将产生 的电能存储于电源系统中的一磁性电容模块607;刹车装置622耦接于轨道 装置640,可当承载结构601下降时对其进行减速，使承载结构601下降时 可保持稳定的速度；以及轨道装置640,用以提供滚轮642以及刹车装置 622 —作用力产生点，可使滚轮642沿此滚动来产生动能，以及刹车装置 622对轨道装置640产生作用力(例如摩擦力)，以对承载结构601进行减 速。另外，电源系统603包含了两个电力供应来源，分别为电源供给模块 605与磁性电容模块607,其中磁性电容模块607除了可供应电力外，亦可 通过发电装置630对其充电以存储发电装置630所产生的电能。电源系统 603另包含一电源调节电路640，用以调整电源供应模块605与磁性电容模 块607于输出电源中的比例。"i貪注意，在实际上的应用时，本实施例中的 电源供应模块605可对应为已知升降设备中的市用交流电电源，亦可对应 其他可能供应升降设备所需电力的电源，本发明并未对此作出限制，故仅 以电源供应模块605来命名。另外，电源调节电路640具体实施的方法有 很多，且应为本领域技术人员可轻易明了，故在此不多作详述。
以下解释本实施例的电源系统603的应用。首先，假设^兹性电容模块 607未储有任何电荷(无法供给电力)，当升降设备600经一操作者控制， 欲使其承载结构601上升时，此时驱动系统602会通过电源系统603中的 电源供应模块605所提供的电力以藉此产生一拉升的动力，使得承载结构 601得以因此被拉升。经过以上的步骤，承载结构601最终便位于空间中较 高的位置。
ii如果操作者欲使承载结构601移动至空间中较低的位置时，此时驱动
系统602的运作及控制会使承载结构601开始下降，在下降的过程中，滚轮642在轨道装置640上开始滚动，而滚动时所产生的动能便带动了发电装置630,使其开始产生电能。请注意，由于滚轮642与轨道装置640作用消耗了绝大部分的势能差，故刹车装置622仅需在必要时候对承载结构601进行减速即可。发电装置630在上述过程中所产生的电能随后被存储至磁性电源模块607,可在之后供应不论是承载结构601内部元件(例如电灯)或者是驱动系统602所需的电力，而通过电源调节电路604，可将磁性电容模块607所供应的电压及电流转换为承载结构601与驱动系统602可接受的电压电平。同时，电源调节电路604亦可调整电源系统602的输出电源中，电源供应模块603及磁性电源模块607两者所提供的比例，使得升降设备600可得到稳定的电力供应。设置电源调节电路604的理由之一是为了避免磁性电容模块607所存储的电能不足以供应承载结构601上升至一较高的位置，此时通过加入电源供应模块605的电力供应，以使得驱动系统602具备足够的电力来让承载结构601得以上升至所要的较高位置，此外，电源调节电路604亦可控制磁性电容模块607与电源供应模块605以供给充沛的电力予升降设备600中的其它装置。
请注意，图6所示的升降设备600的结构仅属一概念性的说明，并非本发明所限定的实施方式。举例来说，通过滚4仑642与轨道装置640来将势能差转换成动能仅为一示范性说明，实际上可将势能转换成动能的装置很多，均可被应用于升降设备600，在此难以——列举。又本发明的主要精神是利用磁性电容本身的高能量存储密度来作为电源系统中的 一储能装置，以便将电能反复利用，故任何针对势能转换机制所做的设计变化，实仍属本发明的发明范畴。
已知的升降设备在下降时，为了维持稳定的下降速度，主要通过刹车装置来进行减速以消耗因承载结构下降所释方文出的势能，使其不至于转换成过多的动能，而承载结构所具备的势能是通过驱动系统拉升该承载结构所得，且驱动系统拉升该承载结构通过一电力供应，此举相当于将电能转换成势能存储起来，而该承载结构在下降至相对低的位置时，便通过刹车装置将势能消耗掉以免该势能转换为过多的动能，使承载结构失控落下，但这样的运作方式却浪费了许多先前以势能方式存储的电能。相较于已知
12的升降设备，本发明通过了能量转换装置，将升降设备在承载结构下降时所释放出的势能的一部分转换为电能，并存储在能量存储装置中，因此可在该承载结构欲上升时，再通过能量存储装置供予驱动系统或者提供予承载结构所需的电力，以达能量回收与再利用的效果，因而使得电源系统的电力不至于过度被浪费且可反复利用。
承上所述，通过磁性电容，实现了过往难以实行的升降设备的能量存储装置，此乃由于传统电容或电池较低的能量存储密度会使以其为基础设计的能量存储装置产生过大的重量，造成无法经济地实施于升降设备中(势必改变升降装置的结构与成本)，故本发明电源系统可以在兼顾成本与效能的考虑下，进行升降设备的能源回收与再利用，以达节约能源的实。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种电源系统，包含有一能量转换装置，用于当一升降设备的一承载结构下降时，将该承载结构的一势能差转换成一电能；以及一能量存储装置，耦接于该能量转换装置，用于该承载结构下降时，存储该能量转换装置所产生的该电能，其中该能量存储装置包含至少一磁性电容模块，而该磁性电容模块包含至少一磁性电容，其以电势能的形式来存储能量。
2. 如权利要求1所述的电源系统，其中该能量存储装置另于该承载结 构上升时，提供该升降设备运作时所需的至少 一部分电源。
3. 如权利要求l所述的电源系统，其中该能量转换装置包含有 一动能产生模块，用于该承载结构下降时，将该承载结构的势能差转换成一动能；以及一发电模块，耦接于该动能产生模块，用以将该动能产生模块所产生 的该动能转换成该电能。
4. 如权利要求1所述的电源系统，其中该磁性电容模块包含有多个磁 性电容。
5. 如权利要求4所述的电源系统，其中该多个磁性电容包含有以串联或 并联方式电连接的磁性电容。
6. 如权利要求4所述的电源系统，其中该多个磁性电容包含有以串并联 方式电连接的磁性电容。
7. 如权利要求1所述的电源系统，其中该磁性电容包含有 一第一磁性电极，其由具有磁性的导电材料构成，用以形成一第一磁偶极；一第二磁性电极，其由具有磁性的导电材料构成，用以形成具有一第 二石兹偶极；以及一介电层，设置于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间。
8. 如权利要求7所述的电源系统，其中该第一^兹偶极的方向相异于该第 二/f兹偶极的方向。
9. 如权利要求7所述的电源系统，其中该第 一磁性电极包含有一第一磁性层，其由具磁性的导电材料构成，用以形成具有一第三磁偶极；一第二磁性层，其由具磁性的导电材料构成，用以形成一第四磁偶极；以及一隔离层，其由非^兹性物质所构成并设置于该第 一磁性层与该第二磁 性层之间，其中该第一磁偶极由该第三磁偶极与该第四磁偶极所构成。
10.如权利要求9所述的电源系统，其中该第三^H禺极的方向相异于该 第四》兹偶极的方向。
全文摘要
本发明提供一种电源系统，包含一能量转换装置与一能量存储装置。该能量转换装置用以在当一升降设备的一承载结构下降时，将该承载结构的一势能差转换成一电能。该能量存储装置耦接于该能量转换装置，用以于该承载结构下降时，存储该能量转换装置所产生的该电能。该能量存储装置包含至少一磁性电容模块，而该磁性电容模块包含至少一磁性电容。本系统加入磁性电容模块，可在不改变传统升降设备的主要结构与设计下，存储自该能量转换装置由势能差所转换而来的电能，并提供给升降设备的上升时使用，大幅提高能源再利用效率，以达能源节约的效。
文档编号H02J15/00GK101673972SQ20081021537
公开日2010年3月17日 申请日期2008年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者许跃腾 申请人:光宝科技股份有限公司