用于灯具的电源以及具有该电源的照明系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于灯具的电源以及具有该电源的照明系统。用于灯具的电源包括：热存储部（3、4），热存储部具有相变材料（4）；以及热电发生部（5），具有与热存储部（3、4）中的相变材料（4）热连通的热侧（51）以及与热侧（51）相对的冷侧（52），热电发生部（5）根据热侧（51）与冷侧（52）的温差而产生电能。根据本发明，可以以低成本利用再生能源来实现对灯具的稳定的且高效率的供电。
【专利说明】用于灯具的电源以及具有该电源的照明系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于灯具的电源以及具有该电源的照明系统。
【背景技术】
[0002]LED灯具作为一种新光源，由于其具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长、可靠耐用、无污染、控制灵活等优点，因而得到了广泛应用。
[0003]在LED灯具中，LED接收电能而发光，从而产生热量。为了接收电能，现在常用的方案是将LED灯具接入到电网中，或者为LED灯具配备电池。
[0004]但有时却难以获得这种形式的电源。例如，在发生自然灾害时，电力线被破坏，并且也购买不到电池。还例如，在一些遥远的地区(诸如，在山区或者沙漠地区)，难以获得家用电源，而且在一些发展中国家，电力的价格仍然是比较昂贵的。在这种情况下，期望一种用于发光的可替换电源。
[0005]人们已经开发了光伏板、太阳能热电装置、地热热电装置等，从而利用这些再生能源来提供能量。但是这些利用可再生能源的装置通常用于高功率的应用场合中。但是对于一些低功率的装置(例如，照明系统)，迄今为止，人们没有研发出可以利用可再生能源的可行方案。
[0006]虽然目前出现了一种通过将太阳光直接转换成电能的光伏发电装置来用于户外的照明灯具，但是，这种光伏发电装置具有以下缺点:
[0007]I)这种将太阳光转换成电能的光电转换效率很低，所以这种光伏发电装置在照明系统中的应用受到很大的限制。
[0008]2)这种光伏发电装置是以接收太阳光为前提来产生电能的，因而会受到天气或气候的严重影响。例如，在阴天、雪天等天气下，由于太阳光不能照射到光伏板上，从而将影响电能的产生。
[0009]3)由于这种光伏发电装置通常用于户外，因而光伏板的表面上容易积累灰尘，而灰尘的存在将影响光伏板吸收光能，进而影响电能的产生。
[0010]4)这种光伏发电装置必须要配备有蓄电池来存储其所产生的电能，而蓄电池的体积和重量较大，将使得整个光伏发电装置的结构笨重。
[0011]5)蓄电池的成本很高，因而使得整个光伏发电装置的成本很高，限制了其使用。
[0012]6)蓄电池的使用寿命非常有限，因而人们需要在一定的使用期限过后更换蓄电池，进一步使得成本增加。
[0013]7 )蓄电池内由于含有大量危害自然环境的化学物质，其使用不利于环境保护。
[0014]8)太阳光的强度在一天中变化幅度很大，使得光伏板所产生的电力的波动很大，因而在光伏发电装置中必须设置复杂的电路来产生稳定的电力。
[0015]因而，期望一种能够利用再生能源的可替换方法来用于照明系统。
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，从而提供一种用于灯具的电源以及具有该电源的照明系统，从而可以以低成本以再生能源来实现对灯具的稳定的且高效的供电。
[0017]根据本发明的一个方面，提供一种用于灯具的电源，该电源包括:热存储部，热存储部具有相变材料；以及热电发生部，具有与热存储部中的相变材料热连通的热侧以及与热侧相对的冷侧，热电发生部根据热侧与冷侧的温差而产生电能。应用于照明系统中的热电发生装置是以热能为基础产生电力的，因而即使不能直接接收到太阳光，只要其能够接收到太阳的热辐射，即可产生电能，因而有利于避免已知技术中的光电发生装置中的光伏板受天气或气候的影响的缺点。另外，已知技术中的光电发生装置必须采用蓄电池来存储电能，成本高且结构笨重，而本发明中的热电发生部的相变材料相对来说成本低且重量轻。当这种电源应用于照明系统中时，无论照明系统是否接入电网，该电源能够为照明系统提供稳定的电力。
[0018]优选地，电源进一步包括热聚集部，用于将辐射到热聚集部的热量聚集，相变材料接收并存储来自于热聚集部的热量。热聚集部有利将热量聚集，促进热量的吸收和存储。
[0019]优选地，热聚集部由用于聚集光的光学元件构成。在应用于户外灯具的情况下，其主要热源来自于太阳光，因而通过将热聚集部设置成用于聚集光的光学元件，从而可以将太阳光聚集，从而使得太阳光所产生的热量聚集，利于热量的吸收和存储。
[0020]优选地，电源进一步包括热吸收部，热吸收部用于吸收由热聚集部所聚集的热量，并且热吸收部与相变材料热连通以将所吸收的热量传递给相变材料。热吸收部的设置可使得热量被快速吸收和传递到相变材料。
[0021]优选地，热聚集部将辐射到热聚集部热量聚集到焦点或焦平面，热吸收部设置于焦点或焦平面处。焦点或焦平面处的热量集中，因而热吸收部设置于焦点或焦平面处可使得热量的吸收效率高。
[0022]优选地，热聚集部为凹面镜或透镜。凹面镜或透镜的使用能够使得电源的结构简单且容易制造和组装。
[0023]优选地，所述凹面镜具有抛物线形状的横截面，从而能够更有效地聚集热量。
[0024]优选地，热聚集部以阵列方式布置于热存储部上。阵列方式的布置一方面可增加热吸收的面积，从而可以尽可能多地吸收热量；另一方面可以使得热量的吸收比较均匀，从而热电发生部的热侧的温度均勻，利于产生稳定的电压。
[0025]优选地，热吸收部和热存储部单独形成。也就是说，热吸收部和热存储部分体形成，从而使得热吸收部可以选择具有更好热量吸收性能和传递性能的材料制成，因而可以实现将热量快速吸收并传递到相变材料。
[0026]优选地，热吸收部至少部分地由金属制成。金属具有良好的热量吸收性能和传递性能，能够使得热量被快速吸收并传递到相变材料。
[0027]优选地，热吸收部和热存储部一体形成，从而可以使得电源的结构简单，制造方便。
[0028]优选地，热吸收部包括从热存储部的顶面突出的突出部，突出部容纳有相变材料，突出部内的相变材料与热存储部内的相变材料能够流体连通。即，突出部具有与热存储部连通的腔体，一方面可使得热吸收部和热存储部可以例如以模制的简单方法形成；另一方面，相变材料流体的连通可以有利于热量的快速传递。[0029]优选地，热吸收部形成为球形。球形的形状有利于使热吸收部集中于焦点处，从而实现对热量的高效率吸收。
[0030]优选地，热存储部包括至少部分地由透明材料制成的容器，相变材料容纳于容器中，从而有利于相变材料通过透明的容器吸收光并进而吸收热量。
[0031]优选地，容器为气密的容器，从而避免热量由于气体流通而损失，提高了热量的使用效率，并且进一步延长了电源对灯具的供电时间。
[0032]优选地，容器的外周壁附接有绝热材料，从而进一步避免了热量损失，提高了热量的使用效率，并且进一步延长了电源对灯具的供电时间。
[0033]优选地，容器通过导热胶粘附于热电发生部的热侧。导热胶的使用一方面利于容器的固定，另一方面利于热传导，从而实现了固定及热传导的双重作用。
[0034]优选地，相变材料为具有从250摄氏度到330摄氏度的融点的化合物。高融点的相变材料利于与冷侧形成较大的温度差，从而提高热电发生部的热电转换效率。
[0035]优选地，相变材料为以下化合物中的一种:LiN03、Na0H-NaN03> NaOH-NaNO2, NaNO2,ZnCl2, NaN03、NaOH、KNO30这些优选的相变材料融点高，成本低，潜热容量大，不但可以通过与冷侧形成较大的温度差而提高热电发生部的热电转换效率，而且降低了电源的成本、增加了电源的供电时间。
[0036]优选地，热电发生部由热电优值ZT大于I的热电材料制成，从而可以提高热电发生部的热电转换效率。
[0037]优选地，热电发生部由热电优值ZT为2?3的热电材料制成，有利于进一步提高热电发生部的热电转换效率，提高能源利用率。
[0038]优选地，热电发生部由以下热电材料中的一种制成:Bi2Te3、PbTe、和BiSb。这些优选的材料可使得电源的成本降低、热电转换效率增加。
[0039]优选地，冷侧附接有散热器。散热器在冷侧的附接有利于保持冷侧的低温，从而与热侧形成大的温度差，使得热电发生部的热电转换效率提高。
[0040]优选地，散热器为风扇或铝块，这种散热器的使用可使得电源的结构相对简单、成本低且散热效果好。
[0041]优选地，灯具为LED灯具。相对于传统灯具来说，LED的功率消耗低，因而，即使在热电发生部所提供的功率有限的情况下，可以使得电源适于满足LED灯具的需要。
[0042]根据本发明的另一方面，还提供了一种照明系统，其包括根据前述任一项所述的电源以及与电源电连接的灯具。
[0043]优选地，照明系统包括换流器，换流器用于将从电源向灯具供应的电压转换为预定电压，从而可以向灯具供应稳定的电力。
[0044]优选地，照明系统包括蓄电池，蓄电池响应于热电发生部的状态而选择性地存储来自于电源的电能的超出灯具需求的部分或者将所存储的电能供应给灯具。也就是说，蓄电池的使用不但可以使得热电发生部所产生的多余能量被回收，从而进一步延长供电时间，并且蓄电池还可以用作备用电源，从而在热电发生部不能提供足够的电力的情况下提供补充电力，从而满足灯具的用电需求。
【专利附图】
【附图说明】[0045]附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。附图图解了本发明的实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。图中示出:
[0046]图1示意性地示出了相变材料的热存储过程和热释放过程的曲线图；以及
[0047]图2示意生地示出了根据本发明的包括具有热电发生部的电源的照明系统。
【具体实施方式】
[0048]以下将参照示出了本发明示例性实施例的附图对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以多种不同形式来实施，而不应该仅限于这里所阐述的示例性实施例来构造。当然，提供这些示例性实施例是为了使本公布更全面和完整，并能够向本领域技术人员充分传达本发明的范围。
[0049]下面，将参照附图详细解释本发明。
[0050]参照图2，根据本发明的一个实施方式，提供一种照明系统，该照明系统包括电源、通过电线9与该电源电连接的LED灯具8以及用于为LED灯具8提供期望的电压的换流器
10。根据本发明，将热电发生装置应用于照明系统中的电源中。具体地说，电源包括:热聚集部1、热吸收部2、容器3、相变材料4、热电发生部5 (其具有热侧51和冷侧52)、散热器
6、绝热材料7。下面，对这些部件进行更详细的描述。
[0051]容器3中容纳有相变材料4，从而容器3和相变材料4形成根据本发明的电源的热存储部。热电发生部5具有与热存储部中的相变材料4热连通的热侧51以及与热侧51相对的冷侧52，热电发生部5根据热侧51与冷侧52的温差而产生电能。热电发生部5的陶瓷板的两侧上均可粘附有高导热石墨片，以提供低接触热阻。
[0052]根据上述结构，可以明白，本发明的电源包括热电发生部(thermoelectricgenerator, TEG) 5,其中结合有潜热的相变材料(phase change material, PCM),从而相变材料用作LED灯具的能量源。
[0053]下面，对热电发生部5进行详细的说明。热电发生部5的热侧与相变材料4进行热接触。当在热电发生部5的两侧存在温差时，根据Seebeck (塞贝克)效应，则将在热电发生部的两个接点(junction)之间将出现电压差。热能转换成电能的效率依赖于材料的热电优值(ZT)以及热侧与冷侧之间的温度差。根据本发明，为了提高热电转换效率，优选ZT值大于I的热电材料，例如Bi2Te3、PbTe、BiSb。优选地，通过掺杂等方法，可以获得ZT值在2-3范围内的热电材料。
[0054]下面，为了使本发明更加清楚，结合图1对相变材料进行简要描述。
[0055]相变材料4作为热电发生部5的热源所需要的热量来源于太阳能。当太阳能在白天照射在相变材料4上时，热量能够以相对恒定的温度存储在相变材料4中。具有融熔潜热的相变材料4产生相变，其相变与温度的关系如图1所示意性地示出的。在图1中，相变材料4当接收到来自于太阳能的热量后，左侧曲线O-A的温度从原点O处开始上升，直至达到点A。来自于太阳能的热量输入将进一步使得相变材料4融熔，但是温度不上升(B卩，如A-B所示，相变材料4进入其相变状态)，然后，相变材料4的温度保持其基本恒定的融点并且在该温度处吸收大量的热量。相变材料4持续吸收热量而温度不上升，直到在B点处相变材料4中的所有材料全部变为液相。当在夜晚时，不再有来自于太阳能的热量辐射在相变材料4上，并且液体的相变材料4周围的环境温度下降，相变材料4将开始凝固，开始出现与白天时的相变相反的过程。即，从点B朝向点A进行相变。通过相变过程，相变材料4将所吸收的热量释放出来，并且将该热量提供给热电发生部5。
[0056]在相变材料4从B到A的过程中，温度基本上保持恒定。因而，热电发生部5的输出电压也基本上恒定，而不必设置复杂的电路来保持电压的稳定性。由于最大电流依赖于恒定的内部电阻，因而，该热电发电部的最大输出电力也基本上是恒定的。相变材料用于热电发生部5中，可以提高其表面的温度的稳定性。另外，由于相变材料通过相变而将热量存储于其中，并且在夜晚时将热量释放出来并通过热电发生部转换成电能，因而可以使得本发明的电源的工作时间延长到夜晚，即，实现不但在白天、而且能够在晚上的时间为照明系统供电。
[0057]也就是说，潜热存储在相变材料4中，从而通过在白天吸收和会集太阳能来积累热能，并且热能通过热电发生部5而被转换成电能，从而不但在白天、而且能够在晚上用于驱动LED灯具，因而本发明的电源不需要体积笨重且价格昂贵的电池。另外，根据本发明，结合有潜热的相变材料4的热电发生部5由于可独立地提供电力，因而即使照明系统没有接入电网，也可以实现照明。
[0058]假设太阳光直接照射在相变材料4上(B卩，在没有设置根据本发明的热聚集部I和热吸收部2的情况下)，相变材料4存储在气密的透明存储容器(例如，由玻璃制成)中，并且当白天太阳光照射在容器上时，该容器的温度能够达到60摄氏度。
[0059]假设采用具有碲化铋的热电发生部5来驱动LED灯具，该热电发生部的ZT值在300K时大约为1.1。当如果使用具有大约60摄氏度的融点的相变材料4用作热电发生部5的热源并进而用于驱动LED灯具，并且假设冷侧的温度为20摄氏度(即温度差为40摄氏度时)，则热电转换效率为2.3%左右，这时电源可能将仅产生IW的输出功率。
[0060]表I中列出了具有大约60 ± 12摄氏度的融点的相变材料4、这些材料的融点、融化热、密度、以及用于产生IW的输出功率以便在四个小时间内驱动IW的LED装置(B卩，在四个小时内的功率大约为IW并且总电能为大约14.4KJ)所需要的材料的质量(所述质量的计算是假设在热电模块上具有40摄氏度的温度差下热电转换效率为2.3%的前提下进行的)。
[0061]表1:具有60± 12摄氏度的融点的相变材料的特性
【权利要求】
1.一种用于灯具的电源，其特征在于，所述电源包括: 热存储部(3、4)，所述热存储部具有相变材料(4);以及 热电发生部(5)，具有与所述热存储部(3、4)中的所述相变材料(4)热连通的热侧(51)以及与所述热侧(51)相对的冷侧(52)，所述热电发生部(5)根据所述热侧(51)与所述冷侧(52)的温差而产生电能。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述电源进一步包括热聚集部(I)，用于将辐射到所述热聚集部(I)的热量聚集，所述相变材料(4)接收并存储来自于所述热聚集部(I)的热量。
3.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，所述热聚集部(I)由用于聚集光的光学元件构成。
4.根据权利要求3所述的电源，其特征在于，所述电源进一步包括热吸收部(2)，所述热吸收部(2)用于吸收由所述热聚集部(I)所聚集的热量，并且所述热吸收部(2)与所述相变材料(4 )热连通以将所吸收的热量传递给所述相变材料(4 )。
5.根据权利要求4所述的电源，其特征在于，所述热聚集部(I)将辐射到所述热聚集部(O的所述热量聚集到焦点或焦平面，所述热吸收部(2)设置于所述焦点或焦平面处。
6.根据权利要求2至5 中任一项所述的电源，其特征在于，所述热聚集部(I)为凹面镜或透镜。
7.根据权利要求6所述的电源，其特征在于，所述凹面镜具有抛物线形状的横截面。
8.根据权利要求6所述的电源，其特征在于，所述热聚集部(I)以阵列方式布置于所述热存储部(3、4)上。
9.根据权利要求4至5中任一项所述的电源，其特征在于，所述热吸收部(2)和所述热存储部(3、4)单独形成。
10.根据权利要求9所述的电源，其特征在于，所述热吸收部(2)至少部分地由金属制成。
11.根据权利要求4至5中任一项所述的电源，其特征在于，所述热吸收部(2)和所述热存储部(3、4) 一体形成。
12.根据权利要求11所述的电源，其特征在于，所述热吸收部(2)包括从所述热存储部(3,4)的顶面突出的突出部，所述突出部容纳有相变材料，所述突出部内的相变材料与所述热存储部(3、4)内的所述相变材料能够流体连通。
13.根据权利要求4至5中任一项所述的电源，其特征在于，所述热吸收部(2)形成为球形。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的电源，其特征在于，所述热存储部(3、4)包括至少部分地由透明材料制成的容器(3)，所述相变材料(4)容纳于所述容器(3)中。
15.根据权利要求14所述的电源，其特征在于，所述容器(3)为气密的容器。
16.根据权利要求14所述的电源，其特征在于，所述容器的外周壁附接有绝热材料(7)。
17.根据权利要求14所述的电源，其特征在于，所述容器通过导热胶粘附于所述热电发生部(5)的所述热侧(51)。
18.根据权利要求1至5中任一项所述的电源，其特征在于，所述相变材料(4)为具有从250摄氏度到330摄氏度的融点的化合物。
19.根据权利要求18所述的电源，其特征在于，所述相变材料(4)为以下化合物中的一种:LiNO3、NaOH-NaNO3、NaOH-NaNO2、NaNO2、ZnCl2、NaNO3、NaOH, KNO3。
20.根据权利要求1至5中任一项所述的电源，其特征在于，所述热电发生部(5)由热电优值ZT大于I的热电材料制成。
21.根据权利要求20所述的电源，其特征在于，所述热电发生部(5)由热电优值ZT为2^3的热电材料制成。
22.根据权利要求20所述的电源，其特征在于，所述热电发生部(5)由以下热电材料中的一种制成:Bi2Te3、PbTe、和 BiSb。
23.根据权利要求1至5中任一项所述的电源，其特征在于，所述冷侧(52)附接有散热器(6)。
24.根据权利要求23所述的电源，其特征在于，所述散热器(6)为风扇或铝块。
25.根据权利要求1至5中任一项所述的电源，其特征在于，所述灯具为LED灯具(8)。
26.一种照明系统，其特征在于，包括根据权利要求1至25中任一项所述的电源以及与所述电源电连接的灯具。
27.根据权利要求26所述的照明系统，其特征在于，所述照明系统包括换流器(10)，所述换流器用于将从所述电源向所述灯具供应的电压转换为预定电压。
28.根据权利要求26或27所述的照明系统，其特征在于，所述照明系统包括蓄电池，所述蓄电池响应于所述热电发生部的状态而选择性地存储来自于所述电源的电能的超出所述灯具需求的部分或者将所存储的电能供应给所述灯具。
【文档编号】H02N11/00GK103812385SQ201210455350
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月13日 优先权日:2012年11月13日
【发明者】冯祥芬, 胡飏, 诺贝特·林德 申请人:欧司朗有限公司