CN113037139B - 一种两级式余热回收自给照明系统 - Google Patents

一种两级式余热回收自给照明系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两级式余热回收自给照明系统，包括LED射灯、高功率LED芯片、一级余热回收单元和二级余热回收单元；高功率LED芯片、一级余热回收单元和二级余热回收单元设置于LED射灯底座内；一级余热回收单元包括一级温差发电器、余热回收模块和置于底座外部的LED装饰灯带；一级温差发电器利用高功率LED芯片与余热回收模块之间的温差进行发电，将热能转化为电能供LED装饰灯带工作；二级余热回收单元中的二级温差发电器利用余热回收模块与LED射灯外部空气之间的温差进行发电，一方面将热能转化电能存储，另一方面利用控制模块内的控制策略控制离子风发生装置保证一级余热回收单元的发电率。本设计实现了低功率LED装饰灯和离子风发生装置的能量自给。

Description

一种两级式余热回收自给照明系统
技术领域
本发明涉及LED照明设备和电子器件余热回收利用领域，具体来说是一种两级式余热回收自给照明系统。
背景技术
LED光源广泛应用于照明系统。相比传统的照明光源，LED因其使用寿命长，节能效果好，具有一定的环保性等多种显著优势，使其在照明行业中炙手可热。然而，LED工作时有60％～70％的能量会以热量的形式散发，造成能源的浪费；如果能将一定比例的低品位热能进行回收利用，将达到节能减排的目的。
当LED芯片的功率超过200瓦时，LED芯片工作时的功率较高、产热量也高，因此对LED芯片采用离子风散热装置进行强制对流散热，其风速只需要通过调节电晕电极的施加电压就可以实现控制，响应速度快。离子风散热器虽然需要施加几千伏的输入电压，但是其输入电流很小，只有毫安级。因此，电晕放电功率相比于传统散热方式小很多，可以有效节约能源。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本申请提出了一种两级式余热回收自给照明系统，通过两级温差发电实现对高功率LED芯片工作时产生的大量热量进行有效回收利用。
本发明所采用的技术方案为：
一种两级式余热回收自给照明系统，包括LED射灯、高功率LED芯片、一级余热回收单元和二级余热回收单元；LED射灯包括灯本体和底座，所述高功率LED芯片、一级余热回收单元和二级余热回收单元设置于底座的内部；所述一级余热回收单元包括余热回收模块和置于底座外部的LED装饰灯带；一级余热回收单元利用高功率LED芯片与余热回收模块之间的温差进行发电，将热能转化为电能供LED装饰灯带工作；二级余热回收单元包括余热回收模块、温度传感器、控制模块、蓄电池和多层压电陶瓷变压器；二级余热回收单元利用余热回收模块与LED射灯外部空气之间的温差进行发电，一方面将热能转化电能存储，另一方面调节一级余热回收单元的发电功率。
进一步，所述余热回收模块包括离子风发生装置、热沉、一级温差发电器和二级温差发电器；所述离子风发生装置用于产生离子风对热沉进行强制对流散热；所述热沉对高功率LED芯片进行散热，同时热沉还分别作为一级余热回收单元温差发电的冷端和二级温差发电器的热端；
进一步，热沉(81)上装有温度传感器以监测热沉温度；所述温度传感器用于采集热沉的温度，温度传感器、蓄电池和多层压电陶瓷变压器均通过信号线连接控制模块；控制模块根据温度传感器所采集的温度信息分别控制蓄电池，多层压电陶瓷变压器和离子风发生装置的工作启停；多层压电陶瓷变压器连接离子风发生装置。
进一步，所述热沉连接一级温差发电器的冷端，所述一级温差发电器的热端与高功率LED芯片的发热面连接；所述热沉连接二级温差发电器的热端，二级温差发电器的冷端与LED射灯外部空气接触。
进一步，离子风发生装置包括针电极、网电极、圆形盖板以及导流腔；导流腔为环形腔体，在导流腔的上部设有圆形盖板，针电极固定在圆形盖板上；在导流腔的底部安装有网电极；针电极和网电极分别连接多层压电陶瓷变压器的正极和负极，由蓄电池作为电源为多层压电陶瓷变压器供电进而改变针电极、网电极之间的电压；进而产生离子风。
进一步，所述针电极的材质为钨钢，呈八边形阵列排布。
进一步，针电极尖端与网电极之间的间距为5mm，网电极接地，功率为1W左右。
进一步，二级余热回收单元中控制模块的温度控制的策略为：
在控制模块中设置热沉温度的上限值和下限值；热沉翅片上的温度传感器将温度数据发送至控制模块，当热沉的温度低于下限值，此时二级余热回收单元温差发电的发电量通过蓄电池储存，离子风发生装置不工作，热沉自然对流散热；当热沉的温度达到上限值，控制模块通过控制蓄电池经过多层压电陶瓷变压器为离子风发生装置供电，通过多层压电陶瓷变压器提高离子风发生装置内针电极与网电极之间的电压，开启离子风发生装置对热沉进行强制对流散热，增大一级温差发电器的温差，提高一级余热回收单元的温差发电功率。
进一步，所述一级温差发电器与LED装饰灯带之间通过升压稳压电路连接，升压稳压电路是DC-DC升压模块。
进一步，灯本体由反射银碗、配光镜、灯罩和灯泡构成，反射银碗内表面镀铝，配光镜覆盖在反射银碗的一端端面上，反射银碗的另一端端面上且该端面与底座通过螺丝相连，灯罩罩在反射银碗外部且灯罩也与底座通过螺丝相连。
有益效果：
本发明在LED射灯的内部设有两级温差发电模块，高功率LED芯片工作时会产生大量热量，热量会传递到温差发电模块的热端，其冷端与热沉相连进行散热；加载于温差发电模块两端的较大的温度梯度使其产生电能，通过升压稳压电路后，为低功率的LED装饰灯供电。这样有效回收利用了高功率射灯产生的热能，能够实现低品位能量的有效利用。
同时，通过二级温差发电系统供电离子风散热装置实现了系统温度的自动控制，提升了余热回收效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为温差发电回收照明系统余热驱动LED装饰灯的系统结构示意图。
图2为底座的内部构造图。
图3为余热回收模块。
图4为离子风散热装置。
图5为温度控制策略流程图。
图中：10-反射银碗；20-灯罩；30-配光镜；40-底座；50-LED装饰灯带；60-高功率LED芯片；70-一级温差发电器；80-余热回收模块；81-热沉；82-二级温差发电器；83-固定支架；84-离子风发生装置；90-升压稳压电路；100-控制模块；110-蓄电池；120-多层压电陶瓷变压器。
具体实施方式
有关本发明的详细说明及技术内容，配合图示说明如下，但所附图示仅供参考及说明用，并非对本发明加以限制。
如图1所示一种两级式余热回收自给照明系统，包括：LED射灯、高功率LED芯片60、一级余热回收单元和二级余热回收单元；
LED射灯包括灯本体和底座40；其中，灯本体由反射银碗10、配光镜30、灯罩20和灯泡构成，反射银碗10内表面镀铝，配光镜30覆盖在反射银碗10的一端端面上，反射银碗10的另一端端面上且该端面与底座40通过螺丝相连，灯罩20罩在反射银碗10外部且灯罩20也与底座40通过螺丝相连。灯罩20以及底座40材质均为压铸铝，具有良好的导热性能。底座40的内部构造如图2所示，高功率LED芯片60、一级余热回收单元和二级余热回收单元设置于底座40的内部。
如图2，一级余热回收单元包括一级温差发电器70、余热回收模块80、升压稳压电路90和置于底座40外部的LED装饰灯带50；一级温差发电器70的热端通过导热胶与高功率LED芯片60的发热面连接，即高功率LED芯片60与一级温差发电器70之间的缝隙处填充厚度不超过1mm的导热硅脂；一级温差发电器70的冷端通过导热胶与余热回收模块80相连，一级温差发电器70的输出级通过导线与升压稳压电路90的输入端相连；升压稳压电路90的输出端通过导线与LED装饰灯带50的输入级相连。LED射灯工作时，高功率LED芯片60工作时会产生大量热量，热量会传递到一级温差发电器70的热端，一级温差发电器的冷端与余热回收模块80连接进行散热；加载于一级温差发电器70两端较大的温度梯度使一级温差发电器70产生电能。根据塞贝克效应的发电原理可知：如果接触点存在温度差，在闭合回路中就会产生电动势，温差与电动势在一定范围内满足下列公式：ΔU＝α(T2-T1)，T2为热端温度，T1为冷端温度，α为塞贝克系数，ΔU为温差发电模块产生的电动势。根据塞贝克发电原理可知，如果温差半导体片两端的温差发生变化时，其输出的电压也是不稳定的，为保证系统的正常工作，底座40内部需安装升压稳压电路90，它能够输出恒定的电压为LED装饰灯带进行工作。当LED射灯以200W的功率运行时，通过本发明的温差发电系统，LED装饰灯带将以20W的功率运行，回收的能量为输入能量的10％左右。在该阶段中，通过一级温差发电器70实现对高功率LED芯片60热量的有效利用，将热能转化为电能给LED装饰灯带50使用。升压稳压电路90是一种DC-DC升压模块，输入电压为2-24V，输出电压恒定为12V。LED装饰灯带50长约2m，输入电压为12V，功率为20W。
如图3，二级余热回收单元包括二级温差发电器82、余热回收模块80、温度传感器、控制模块100、蓄电池110和多层压电陶瓷变压器120；二级温差发电器82的热端通过导热胶与余热回收模块80相连，二级温差发电器82的冷端与LED射灯外部的环境的空气相连，二级温差发电器82的输出级通过导线连接蓄电池110；温度传感器用于采集余热回收模块80的温度，温度传感器、蓄电池110和多层压电陶瓷变压器120均通过信号线连接控制模块100；控制模块100根据温度传感器所采集的温度信息分别控制蓄电池110和多层压电陶瓷变压器120的工作启停；多层压电陶瓷变压器120连接余热回收模块80。
在本申请中，余热回收模块80如图3所示，包括离子风发生装置84和热沉81。离子风发生装置84包括针电极、网电极、圆形盖板以及导流腔；导流腔为环形墙体，在导流腔的上部盖合有圆形盖板，针电极通过热熔胶固定在圆形盖板上，针电极的材质为钨钢，呈八边形阵列排布。在导流腔的底部安装有网电极。针电极和网电极分别连接多层压电陶瓷变压器120的正极和负极，由蓄电池110作为电源为多层压电陶瓷变压器120供电进而改变针电极、网电极之间的电压。针电极尖端与网电极之间的间距为5mm，网电极接地，功率为1W左右。
离子风发生装置84通过固定支架83设置在热沉81的上方，在离子风发生装置84正对的下部设置有热沉81，热沉81呈太阳花状，由多个阵列排布的散热翅片构成；一级温差发电器70的冷端即通过导热胶与热沉81相连，一级温差发电器70的热端与高功率LED芯片60的发热面连接。热沉81还通过导热胶与二级温差发电器82的热端相连，二级温差发电器82的冷端与LED射灯外部的空气相连。
在本LED射灯长的工作过程中，随着LED射灯长时间点亮，高功率LED芯片60迅速升温，热沉81先是对高功率LED芯片60进行自然对流散热，效率低，热沉81的温度会逐渐升高，热沉81与热端(高功率LED芯片发热面)之间的温差逐渐降低，一级余热回收单元利用温差发电为低功率的LED装饰灯带50供电的功率逐渐降低，此时需要二级余热回收单元稳定一级余热回收单元的发电量。参照图5所示的二级余热回收单元中控制模块100的温度控制的策略为：
首先，在控制模块100中设置热沉81温度的上限值和下限值；热沉81翅片上的温度传感器将温度数据发送至控制模块100；当热沉81的温度低于下限值，此时热沉81与外界空气之间的温差逐渐增大，二级温差发电器82与热沉81通过导热胶相连，热沉82作为热端，空气作为冷端；此时二级余热回收单元温差发电的发电量通过蓄电池110储存，离子风发生装置84不工作，热沉81自然对流散热。
当热沉81的温度达到上限值，控制模块100通过控制蓄电池110为多层压电陶瓷变压器120供电，多层压电陶瓷变压器120改变离子风发生装置84内针电极与网电极之间的电压，开启离子风发生装置84对热沉81进行强制对流散热，降低热沉81的温度，增大一级温差发电器70的温差，提高一级余热回收单元的温差发电功率。当热沉81在强制对流散热作用下降低到一定温度后，控制模块100控制离子风发生装置84关闭，此时二级余热回收单元的发电量通过蓄电池110储存，在离子风发生装置84开启时，由蓄电池110为多层压电陶瓷变压器120供电，如此反复，实现两级回收单元的温度工作。
以上内容是结合附图对本发明实施例进行的描述，对本发明只起到示意性作用而非限制性作用。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者同等替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种两级式余热回收自给照明系统，其特征在于，包括LED射灯、LED装饰灯带(50)、高功率LED芯片(60)、离子风发生装置(84)、热沉(81)、一级温差发电器(70)、二级温差发电器(82)、温度传感器、控制模块(100)、蓄电池(110)和多层压电陶瓷变压器(120)；LED射灯包括灯本体和底座(40)，所述高功率LED芯片(60)、离子风发生装置(84)、热沉(81)、一级温差发电器(70)、二级温差发电器(82)设置于底座(40)内部；LED装饰灯带(50)置于底座(40)外部；所述热沉(81)连接一级温差发电器(70)的冷端，所述一级温差发电器(70)的热端与高功率LED芯片(60)的发热面连接；所述热沉(81)连接二级温差发电器(82)的热端，二级温差发电器(82)的冷端与LED射灯外部空气接触；一级温差发电器(70)利用高功率LED芯片(60)与热沉(81)之间的温差进行发电，将热能转化为电能供LED装饰灯带(50)工作；二级温差发电器(82)利用热沉(81)与LED射灯外部空气之间的温差进行发电，一方面将热能转化电能存储在蓄电池(110)中，另一方面调节一级温差发电器(70)的发电功率；所述离子风发生装置(84)用于产生离子风对热沉(81)进行强制对流散热；所述热沉(81)用于对高功率LED芯片(60)进行散热，同时热沉(81)还分别作为一级温差发电器(70)的冷端和二级温差发电器(82)的热端；热沉(81)上装有温度传感器以检测热沉温度；所述温度传感器用于采集热沉(81)的温度，温度传感器、蓄电池(110)和多层压电陶瓷变压器(120)均通过信号线连接控制模块(100)；离子风发生装置(84)包括针电极、网电极、圆形盖板以及导流腔；导流腔为环形腔体，在导流腔的上部设有圆形盖板，针电极固定在圆形盖板上；在导流腔的底部安装有网电极；针电极和网电极分别连接多层压电陶瓷变压器(120)的正极和负极，由蓄电池(110)作为电源为多层压电陶瓷变压器(120)供电，通过调节针电极、网电极之间的电压，进而产生不同强度的离子风。
2.根据权利要求1所述的一种两级式余热回收自给照明系统，其特征在于，控制模块(100)根据温度传感器所采集的温度信号分别控制蓄电池(110)，多层压电陶瓷变压器(120)和离子风发生装置(84)的工作启停；多层压电陶瓷变压器(120)连接离子风发生装置(84)。
3.根据权利要求1所述的一种两级式余热回收自给照明系统，其特征在于，所述针电极的材质为钨钢，呈八边形阵列排布。
4.根据权利要求1所述的一种两级式余热回收自给照明系统，其特征在于，针电极尖端与网电极之间的间距为5mm，网电极接地，功率为1W左右。
5.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的一种两级式余热回收自给照明系统，其特征在于，控制模块(100)的温度控制的策略为：
在控制模块(100)中设置热沉(81)温度的上限值和下限值；连接热沉(81)的温度传感器将温度数据发送至控制模块(100)，当热沉(81)的温度低于下限值，此时二级温差发电器(82)的发电量通过蓄电池(110)储存，离子风发生装置(84)不工作，热沉(81)自然对流散热；当热沉(81)的温度达到上限值，控制模块(100)通过控制蓄电池(110)经多层压电陶瓷变压器(120)为离子风发生装置(84)供电，通过多层压电陶瓷变压器(120)提高离子风发生装置(84)内针电极与网电极之间的电压，开启离子风发生装置(84)对热沉(81)进行强制对流换热，增大一级温差发电器(70)的温差，提高一级温差发电器(70)的温差发电功率。
6.根据权利要求5所述的一种两级式余热回收自给照明系统，其特征在于，所述一级温差发电器(70)与LED装饰灯带(50)之间通过升压稳压电路(90)连接，升压稳压电路(90)是DC-DC升压模块。
7.根据权利要求5所述的一种两级式余热回收自给照明系统，其特征在于，灯本体由反射银碗(10)、配光镜(30)、灯罩(20)和灯泡构成，反射银碗(10)内表面镀铝，配光镜(30)覆盖在反射银碗(10)的一端端面上，反射银碗(10)的另一端端面上且该端面与底座(40)通过螺丝相连，灯罩(20)罩在反射银碗(10)外部且灯罩(20)也与底座(40)通过螺丝相连。
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