专利名称：将照明设施的热能回收再利用的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可将路灯等照明设施的热能回收再利用的方法及其装置，特别涉及一种可以通过热电芯片模块将光源所产出的热能进一步回收并转换为电能以再利用的节能减碳的装置。
背景技术：
自从十九世纪美国大发明家爱迪生发明电灯以来，人类在黑夜即开始享有亮如白昼的灯光。一百多年来，电灯点亮了世界的各个角落，除了提供人类便利的生活照明外，也大大地提升了科技的效率及文明的发展；但是，人类为了获取照明，也相对地耗费了许多电能，逐渐衍生了能源危机以及环境污染的梦魇。所有照明产品中，除了近几年来开发的LED(二极管发光照明)及CCFL(冷阴极管照明)等外，大部分均是十分耗费电能的照明装置；例如白炽灯、卤素灯、水银灯、高压钠灯、陶瓷复金属灯等；虽然LED灯、日光灯、CCFL灯等相对比较省电，但仍有散热不良、光衰严重，以及汞污染等诸多问题尚未获得有效地解决；而且，此些照明装置若用于户外照明， 如路/街灯、投射灯、球场或广场照明灯，或用于工厂、卖场的照明，仍有光通量不足、演色性不佳等问题，因此户外照明尤其是路灯、街灯或是广告用的洗墙灯等，大部分仍以相对耗电量较大的陶瓷复金属灯、高压钠灯等为主。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于是提供一种可将路灯等照明设施的热能回收再利用的方法及其装置，其耗电相对可以得到大幅改善，进而达到节省能源，降低环境污染的目的。为达到前述目的，本发明采取照明装置前所未有的热能回收再利用方法，将照明光源所产出的热能作适当收集、撷取，再通过所布设的热电芯片模块转换为电能以续行使用。自从人类使用白炽灯泡迄今，灯泡发光同时产生的热能都未曾善加利用，而是任其白白地浪费掉。其实，早在1823年德国物理学家西贝克(Thomas Johann Seebeck)的研究就已经发现；将两种金属在封闭的电路中连结，再在接合处加热，会使附近的指南针偏转。这说明了热在电路中会造成电流及/或电能，即热电(thermoelectricity)；—直到现今，半导体科技来临，这古老的西贝克效应才开始斩露头角；在P型半导体中，冷端为负极，而在N型半导体中，冷端则为正极；将此二种半导体以导体，例如铜片，连结起来，并施以热能时，则 P可产生负电荷，N可产生正电荷，结果电流可以从一端流到另端，只要持续维持者温差，电能就可以不断地产生。一般而言，如同前述；人造光源，除冷光外，均有明显的热能随的产生。在室内照明方面，白炽灯由于十分耗能，已即将为各国政府所禁用，而逐渐由比流行数十年的日光灯更低耗能、高亮度的、LED以及CCFL等照明装置所取代。在户外照明方面，尤其是路灯；由于需要较大的光通量，以及较佳的演色性(Ra值)，以提高安全度，不得不采取仍属较高耗能的陶瓷复金属灯或高压钠灯(HID)等。由于高耗能，因此也同时产生大量的热能；以较为先进的陶瓷复金属灯而言，其灯泡周围温度仍有数百摄氏度的高温。本发明开发完成此一极富节能减碳效益的方法及其装置，可以节省大量的电能， 又不减损照明效率。本发明的主要特点是利用路/街灯、投射灯、球场或广场照明灯等光源所产生的热能加以适当地收集并提供予热电芯片模块，以将热能直接转换为电能，再将此所获的电能以导线、整/变流电路、电压调控器、二极管、保护电路、电表、电池，以及其它必要的电子元组件等所构成的电路系统加以储存或直接输往供电电路或市电网络以产出额外电能，并加以再利用。一般路灯等户外照明装置均由导线、灯座、灯泡、反光罩、灯壳、安定器、控制电路等所构成。当此一路灯照明装置通电时，灯泡即可发光。在灯泡发光时，由于灯丝阻止电流通过的缘故，也同时产生高温。本发明即是利用此一高温的热能加以发电；即，在反光罩外侧-与灯泡相反位置的背面上，视其可利用的面积，固设一组或多组热电芯片模块，并以导线加以串联或并联，再将此串联或并联的热电芯片模块/群，以导线接至电路系统模块，进行整流、变流、升压、稳压等电流、电压的调控，再经二极管及保护电路、电表等及其它必要电子元组件，以将所获的电能加以储存或直接输往供电电路再利用或输入市电网络以增加额外的电力供应。目前热电材料的发展已达相当程度的水平；依照工业界较常使用的材料系统，大约可分为(1)铋締类化合物或合金类；( 铅締合金类；C3)硅锗合金类。其中，铋締类较广泛利用在冷冻业界；铅締合金及硅锗合金类则通常被用来作为发电模块，其工作温度及效率稍有不同，应依个别条件加以分析、设计来配置使用。依照前述，热电效应需具备有一定程度的温差，电路内才会有电动势产生；也就是说，必需有“冷与热的搭配”，以及负载电路才能构成完整的热电系统。本发明在先天上已具备“冷与热的搭配”，则实际实施更佳路灯启动时段必然是在夜间至清晨；这段时间是全天M小时里气温最低的时段，先天上已具备了相对“冷”的条件；而路灯启动发光时，灯泡可以产生数百摄氏度的高温，传递到布设在反光罩背向面上的热电芯片模块时，经测定仍可以达到摄氏一百多度；相较于如此高「热」，夜里的气温实在是相对十分的“冷”；如此一来，“热”、“冷”间的差距-即温差也十分的悬殊，实在是给热电芯片模块绝佳的发电条件。另一方面，由于材料科学的进步，导热材料也有许多选择。热传导事实上就是热从高温区经由物质传递到低温区的现象。由于物体与高温区接触的分子其振动较为快速，通过这些分子把能量传给邻近温度较低而振动较慢的分子，使其跟着加快振动，进而完成能量的传导；经过实际测试，传热物质两端的温差愈大时，热传导的速率也愈快；此一物理现象更说明了高功率的路灯等户外照明在夜间发光、发热时，与其所处的暗夜气温，可以巧妙地形成一种持续的相对温差，且由于路灯光源的功率十分稳定，大气温度在夜间通常也仅是细微、渐近地变化，因此二者间可以持续维持十分理想且稳定的大温差范围。如再采用合宜的导热材料，将光源所产生的热能传递给热电芯片模块的热端；甚或加设以辐射屏、真空或其它绝热设施、材料，尽可能将冷与热的环境区隔开来；此外，也可在灯壳上设置鳍片，使的扩大与大气接触的面积；或兼在灯壳内侧以传热材料设置蜂巢式、触脚式等各种适用型式的释热压板，将热电芯片模块冷端处可能入侵的热能，尽快移除，或是辅以耐候、防水型风扇或涂布特殊降温材料等方法，使冷端与热端之间，维持着优越的温差条件，则热电芯片模块必可持续地发挥十分良好的转换效率，无论是在高功率的陶瓷复金属灯、高压钠灯，或是LED半导体照明装置，只要是照明伴随产生的热能，所有灯具均得以本发明所揭露的方法及其装置，经由设计良好的物理结构以及适当优异的材料选用，达到将热能直接转换为电能以再加以利用的目的。本发明方法及其装置，无论是在半导体材料、传热导体、绝缘材料以及照明装置本身所需的蓄电设施、充电电路、控制电路及其它各种电子控制元组件、模块、整流电路、变流电路、升/降电压及稳压电路、二极管、各种芯片、电路、安定器，以及耐候及防水风扇、降温材料等均已有相当成熟的产品可供选用；此外，关于西贝克效应，热学、电子学、各种照明设计、真空绝热、真空粉末绝热、辐射屏等各种绝热技术及材料等也均已有相当完备的研究成果，也广为专业人士所熟悉，且均已有成熟实用的产品广泛流通使用，在此恕不予逐一赘述。为此，为达到以上功能或目的，本发明提供一种将照明设施的热能回收再利用的装置，包括有一光源，该光源外部设置有一反光罩，该反光罩外部则设置有一灯壳，其特征在于至少一热电芯片模块，设置在反光罩外侧表面，该热电芯片模块接触反光罩的一侧将受到光源热能影响以形成热端，而另一侧则连接与大气接触的灯壳以形成冷端，使该热电芯片模块正、反两侧维持一稳定的温差，以产出稳定的电能。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的装置，其中，该热电芯片模块产生的电能经由一导线引导至一电路控制系统，通过该电路控制系统内的整流电路，电压调控电路、二极管等必要的电子元组件或模块等调控后，即可直接进入供电电路续行使用。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的装置，该电路控制系统连接有一蓄电设施可将电能储存再加以利用。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的装置，其中，该灯壳与反光罩二者中间隔垫有绝热材，以避免热传导效应。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的装置，其中，该反光罩设置有突起的导热体，使之更接近光源的热源。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的装置，其中，该照明设施结合有一太阳能发电板、一风力发电机、或一同时兼具有太阳能发电板及风力发电机的发电设施，可在白昼阳光或风力充足时获取电能，并储存在一蓄电设施内，以备于夜间提供予光源使用。本发明又提供一种所述将照明设施的热能回收再利用的装置，其中，该光源为一白炽灯、一卤素灯、一灯泡、一 LED灯、一高压钠灯或一陶瓷复金属灯等高发热的装置。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的装置，其中，该灯壳选择设置有至少一耐候防水的散热鼓风机、散热风扇、释热鳍片或释热压板。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的装置，其中，该热电芯片模块具有两导体，并在两导体之间设置有至少一P型半导体与至少一 N型半导体，由于受热即在 P型半导体上产生负电荷，N型半导体上产生正电荷，经由两导体传导产出电能。另外，本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的方法，其主要是将至少一热电芯片模块设置于该照明设施的一反光罩与一灯壳之间，该热电芯片模块接触反光罩的一侧将受到该照明设施内一光源所产生的工作热能影响以形成热端，而另一侧则连接与大气接触的灯壳以形成冷端，通过热电芯片模块正、反两侧维持一稳定的温差，以产出稳定的电能。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的方法，其中该热电芯片模块将经由一导线以连接一电路控制系统，并通过该电路控制系统的调控后，将所获得的电能再行输入该照明设施的供电电路使用。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的方法，将一蓄电设施连接该电路控制系统，并用以储存该电能。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的方法，将一太阳能发电板、一风力发电机、或一同时兼具有太阳能发电板及风力发电机的发电设施固设于该照明设施内，经由该太阳能发电板或该风力发电机所产生的电能将被储存于一蓄电设施内。本发明又提供一种将照明设施的热能回收再利用的方法，将至少一散热鼓风机、 散热风扇、释热鳍片或释热压板设置于该灯壳。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为本发明将路灯等照明设施的热能回收再利用的装置的实施例图；图2为本发明应用在反光罩灯具上的实施例图；图3为本发明结合太阳能与风能共同储能的实施例图；图4为本发明应用在洗墙灯上的实施例图；图5为本发明的热电芯片模块的工作原理图；以及图6为本发明应用在造型街灯上的实施例图。其中，附图标记1 路灯2反光罩灯具3 灯具4洗墙灯5 路灯6造型街灯10 灯杆11固合螺丝12反光罩121反光罩外侧表面13 灯泡131 灯丝14电路控制系统15安定器16热电芯片模块
161、162 导体163P型半导体164N型半导体165、166 绝缘体167释热鳍片168释热压板169a、169b 导线17 灯壳18固合栓19绝热材2O 导线21蓄电设施22导热体23太阳能发电板M风力发电机25透明护罩26街灯柱27 托架28鼓风机29卤素灯管
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述请参阅图1，本实施例是以一般路灯为说明。在一灯杆10的末端，以固合螺丝11 将装置有反光罩12、透明护罩25、光源13、电路控制系统14、安定器15以及布设在反光罩外侧表面121上的热电芯片模块16等零组件的灯具灯壳17稳固设置。本发明所述光源13 可为多种产品，例如本实施例所示的灯泡13。其中灯具灯壳17与反光罩12 二者以固合栓 18固合，中间隔垫有绝热材19，以避免热传导效应，使二者可各自维持冷端及热端，形成温差。当通电启动路灯1时，灯泡13即瞬间发光，并产生热能。由于灯泡13固设于反光罩12 及透明护罩25之间，所有热能随即向外传导，其中有许多热能经由空气传递到反光罩12， 反光罩12随即受热升温，并在持续接受热能后形成一高热载体，是为热端；此时，布设于此一反光罩外侧表面121上的热电芯片模块16随即受热产生电动势，由于热电芯片模块16 的另一面系为与相对低温的大气接触的灯壳17，即是冷端；故热电芯片模块16的正、反两侧可维持一稳定的温差，如此即可不断产出稳定的电流及/或电能。此一产出的电能经由导线20引导至电路控制系统14，由其中的整流电路，电压调控电路、二极管等必要的电子元组件及/或模块等调控后，即可直接进入供电电路续行使用，或输往蓄电设施21加以利用。本实施例中，其光源13虽然是以灯泡为描述代表，但光源13也可选择为一白炽灯、一卤素灯、一 LED灯、一高压钠灯及/或一陶瓷复金属灯等高发热的装置，都可适用于路灯或投射灯等高亮度需求的领域。请参阅图2，本实施例与图1的最大区别，在于此是设置有传热突起的导热体22的反光罩灯具2。该灯具2在不影响光源反射效率的条件下，通过设计为突起的导热体22，使的更接近热源，以撷取更多、更强的热能。由于灯泡13所产生的热能是以空气为介质传递至反光罩12，而空气本身的导热率并不理想(0. 57X10-4cal/cm □ S □ oC)，因此，本实施例设置有更接近灯泡13热源的突起导热体22，可更有效地撷取热能传导给设置于反光罩外侧表面121上的热电芯片模块16，以创造更大的温差值，以利获取更多的电能。请参阅图3，本实施例为复合式能量回收再利用的装置。更正确的说，此是为交互利用“风、光、热”三种能量以获取更多电能供应予路灯的实施例。在白昼阳光或风力充足时，可以通过一太阳能发电板23、一风力发电机对、或一同时兼具有太阳能发电板23及风力发电机对的发电设施来获取电能，并加以储存在蓄电设施21内，以备于夜间提供予灯泡 13使用；当夜幕低垂后，蓄电设施21上的电路控制系统14即依设定自行启动供电，令灯泡 13发亮；此时光源同时产出的热能即可经由灯具3内的空气及反光罩12传导至布设于反光罩外侧表面121上的热电芯片模块16，该热电芯片模块16接受热能后即可产生电动势， 且由于入夜后大气温度降低，灯具灯壳17的温度自然远低于在灯泡13热源上方的反光罩 12 ；如此被夹置于反光罩12及灯具灯壳17中间的热电芯片模16的上下二侧即维持一定范围以上的温差；通过此一持续且稳定的温差，可以平顺(Smooth)的产出电能，此电能经导线20输往电路控制系统14加以调控后即可直接利用或储存于蓄电设施21。请参阅图4，本实施例是以一般夜间广告用的洗墙式投射照明灯为实施例。在一配置有高温卤素灯管四的洗墙灯4，其中热电芯片模块16布设于反光罩外侧表面121 ；当该洗墙灯4通电后，卤素灯管四随即发光并同时产生一工作热能，此热能经传递至反光罩12 后，随即对设置于反光罩外侧表面121上的热电芯片模块16加热，使热电芯片模块16产生热端，同时，由于热电芯片模块16的另端是贴设于灯壳17，该灯壳17直接暴露于夜间的冷空气中，相对为一冷端；在内外为热、冷端所形成的温差环境中，热电芯片模块16即可产出电流及/或电能，此电能经导线20引导入电路控制系统14即可再行使用或储存。请参阅图5，此是为路灯5使用热电芯片模块的工作示意图。在光源灯泡13通电后，灯泡13中的灯丝131随即产高温，此高温热能经由空气传递予反光罩体12及传热突起导热体22，由于反光罩体12及传热突起导体22均选用导热系数极佳的材料，故其热传导效率极高，可将光源所产生的高温热能有效地传递；此时，布设于反光罩外侧表面121上的热电芯片模块16，其具有导体161、162，并在两导体161、162之间规则排放有至少一 P型半导体163与至少一 N型半导体164，由于受热即在P型半导体163上产生负电荷，N型半导体 164上产生正电荷，经由两导体161、162传导产出电能，并通过两端导线169a、169b连接进入供电电路使用。该热电芯片模块16两端设置有绝缘体165、166，以稳定热电芯片模块16 产生的电能传输，维持供电的效能。且由于灯壳17直接与大气接触，因此其温度远低于反光罩12，如此一来，在热电芯片模块的冷端与热端即可建构一持续且稳定的温差，以产出大量电流及/或电能供路灯5本身再利用。而在灯壳17上还可设置释热鳍片167，使之扩大与大气接触的面积，或可兼在灯壳17内侧以传热材料设置蜂巢式、触脚式等各种适用型式的释热压板168，可大幅增加散热效益。请参阅图6，本实施例是以造型街灯6为例；在一特殊造型的街灯柱沈上延伸有托架27以支撑至少一耐候防水的散热鼓风机或风扇28 ；在该造型街灯6被启动时，电能经导线及电路控制系统14令灯泡13发光，同时产生热能，该热能传导至反光罩12，反光罩12 即受热；是为热端；并对布署设置于反光罩外侧表面121上的热电芯片模块16传热；此时， 在热电芯片模块16上方的灯壳17，由于是与夜间大气直接接触，故可维持在相对低温，形成冷端；热电芯片模块16在此冷、热端的相对温差条件下，即可产生电动势，即电能；该电能经导线20被输往电路控制系统14，经整流、变压、二极管等电子电路调控后即可再续行供电予该造型街灯6。本实施例也可经特定的时间或温度感测的设定，由电路控制系统14 内所设定的程序启动系统内的鼓风机观，辅助灯壳17散热，以达更高效益。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种将照明设施的热能回收再利用的装置，包括有一光源，该光源外部设置有一反光罩，该反光罩外部则设置有一灯壳，其特征在于，至少一热电芯片模块，设置在反光罩外侧表面，该热电芯片模块接触反光罩的一侧将受到光源热能影响以形成热端，而另一侧则连接与大气接触的灯壳以形成冷端，使该热电芯片模块正、反两侧维持一稳定的温差，以产出稳定的电能。
2.根据权利要求1所述的将照明设施的热能回收再利用的装置，其特征在于，该热电芯片模块产生的电能经由一导线引导至一电路控制系统，通过该电路控制系统内的整流电路，电压调控电路、二极管的必要的电子元组件或模块的调控后，即直接进入供电电路续行使用。
3.根据权利要求2所述的将照明设施的热能回收再利用的装置，其特征在于，该电路控制系统连接有一蓄电设施能够将电能储存再加以利用。
4.根据权利要求1所述的将照明设施的热能回收再利用的装置，其特征在于，该灯壳与反光罩二者之间隔垫有绝热材，以避免热传导效应。
5.根据权利要求1所述的将照明设施的热能回收再利用的装置，其特征在于，该反光罩设置有突起的导热体，使之更接近光源的热源。
6.根据权利要求1所述的将照明设施的热能回收再利用的装置，其特征在于，该照明设施结合有一太阳能发电板、一风力发电机、或一同时兼具有太阳能发电板及风力发电机的发电设施，能够在白昼阳光或风力充足时获取电能，并储存在一蓄电设施内，以备于夜间提供予光源使用。
7.根据权利要求1所述的将照明设施的热能回收再利用的装置，其特征在于，该光源为一白炽灯、一卤素灯、一灯泡、一 LED灯、一高压钠灯或一陶瓷复金属灯的高发热的装置。
8.根据权利要求1所述的将照明设施的热能回收再利用的装置，其特征在于，该灯壳选择设置有至少一耐候防水的散热鼓风机、散热风扇、释热鳍片或释热压板。
9.根据权利要求1所述的将照明设施的热能回收再利用的装置，其特征在于，该热电芯片模块具有两导体，并在两导体之间设置有至少一 P型半导体与至少一 N型半导体，由于受热即在P型半导体上产生负电荷，N型半导体上产生正电荷，经由两导体传导产出电能。
10.一种将照明设施的热能回收再利用的方法，其特征在于，将至少一热电芯片模块设置于该照明设施的一反光罩与一灯壳之间，该热电芯片模块接触反光罩的一侧将受到该照明设施内一光源所产生的工作热能影响以形成热端，而另一侧则连接与大气接触的灯壳以形成冷端，通过热电芯片模块正、反两侧维持一稳定的温差，以产出稳定的电能。
11.根据权利要求10所述的将照明设施的热能回收再利用的方法，其特征在于，该热电芯片模块将经由一导线以连接一电路控制系统，并通过该电路控制系统的调控后，将所获得的电能再行输入该照明设施的供电电路使用。
12.根据权利要求11所述的将照明设施的热能回收再利用的方法，其特征在于，将一蓄电设施连接该电路控制系统，并用以储存该电能。
13.根据权利要求10所述的将照明设施的热能回收再利用的方法，其特征在于，将一太阳能发电板、一风力发电机、或一同时兼具有太阳能发电板及风力发电机的发电设施固设于该照明设施内，经由该太阳能发电板或该风力发电机所产生的电能将被储存于一蓄电设施内。
14.根据权利要求10所述将照明设施的热能回收再利用的方法，其特征在于，将至少一散热鼓风机、散热风扇、释热鳍片或释热压板设置于该灯壳。
全文摘要
本发明公开一种可将路灯等照明设施的热能回收再利用的方法及其装置，主要是由一热能转换为电能的热电芯片模块和反射罩、灯壳及电路控制系统、储电设施及其它必要的电子元组件等所组成。通过光源所产生的热能作为热端，另以与大气接触的灯壳为冷端，使布设于反射罩与灯壳中间的热电芯片模块的上下端分别受热及受冷，如此形成一稳定的温差以产生电能，再将此所获的电能经由电路控制系统内的电压、电流调控芯片、电路模块等储存于储电设施或直接输入供电电路以有效回收再利用其自身所产生的热能，以进一步节省电能的目的。
文档编号H02J7/00GK102570918SQ20101062409
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者吕淑云, 廖书璇, 廖明振, 廖珮瑜 申请人:易随科技股份有限公司