CN212277226U - 一种基于辐射制冷的自动通断装置及路灯 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光学器件领域，为解决现有太阳能电池路灯寿命短、转化效率低、需要电能存储等问题，公开了一种基于辐射制冷技术的自动通断装置及路灯，工作波长为红外光，在夜间，在隔绝温差发电器面向天空那一面传导与对流情况下，利用辐射制冷器降低温差发电器那一面温度，使其低于环境温度，而温差发电器另一面由于环境加热使两端产生温差进而夜间通路；在白天，由于太阳光辐射的加热抵消了辐射制冷产生的温差，温差发电器不工作，则在白天断路；使用本技术方案可以实现一种自动通断装置。
Description
技术领域
本实用新型属于光学器件领域，具体涉及一种自动通断路装置。
背景技术
随着时代的发展，城市现代化建设步伐不断加快，能源的供需矛盾也越来越突出其中单单路灯的照明就需要消耗大约15%的电能，因此节电节能、绿色照明的要求越来越迫切，越来越高。在过去的一个世纪里，如何通过可再生能源发电受到科学家广泛关注。
太阳能电池虽然为实现这一目标提供了一个途径，即在白天实现小规模、分布式的可再生能源发电。但是其光电转换效率只有百分之二十左右，而且其成本较高，无法自动通断路必须依靠光敏元件，如果在阴雨天没有存储电能情况下夜晚发电仍然是一个很大的挑战。世界上有很大一部分人仍然没有用上电，尤其是在晚上光伏发电系统无法工作的时候。虽然太阳能路灯在这方面已经取得了进展，但随着夜间照明需求达到峰值，需要将光伏或太阳能热模组与电池耦合，从而推高了成本。因此，一种无需储存就能在夜间发电的模块化方式将对照明应用产生直接而重大的影响。除了照明，大量的低功耗离网传感器也可以从夜间模块化电源中受益，夜间发电的能力可能是一种广泛应用的基本能力，包括照明和低功率传感器。
实用新型内容
为解决现有技术中存在的成本高，效率低，必须需要存储夜间才能正常发电，无法自动通断路问题，采用如下技术方案：
一种基于辐射制冷的自动通断装置，包含：防风罩，辐射冷却器，绝缘外壳，导热片，温差发电器，所述温差发电器上设置正极引线和负极引线；所述的防风罩与绝缘外壳围成腔体结构，所述的防风罩在大气窗口波段为透明；辐射冷却器上包含发射端面和输入端面，辐射冷却器的发射端面朝向防风罩且置于所述腔体中；温差发电器顶部紧贴辐射冷却器的输入端面，所述导热片设置于温差发电器底部并与外界空气接触；
温差发电器顶部与辐射冷却器的输入端面接触；导热片通过热传递将外界空气的热量传递至温差发电器底部，温差发电器底部与外界空气温度相同；
在夜间时，辐射冷却器发射端面通过热辐射将温差发电器顶部的热量辐射向外界空气中，此时温差发电器顶部温度低于外界空气温度；
温差发电器顶部与底部产生温差进而驱动温差发电器工作，温差发电器上正极引线和负极引线之间产生电势差，此时基于辐射制冷的自动通断装置的工作状态为通路；
在白天时，太阳光通过防风罩后辐射到辐射冷却器发射端面上，使辐射冷却器温度升高，辐射冷却器辐射的热量和吸收太阳光的热量抵消，温差发电器不能正常工作，温差发电器上正极引线和负极引线之间电势差为零，此时基于辐射制冷的自动通断装置的工作状态为断路。
优选方案：
所述导热片设置为栅格状或者条状阵列增大与空气的接触面积，具有良好的热传导性能，通过导热片加强了与环境的传导对流，进而加热温差发电器底端。
所述的辐射制冷器由SiO2和Si3N4两层膜组成，Si3N4在SiO2上面，厚度通过优化算法优化之后分别是59nm和1500nm，集成在温差发电器的顶端。其通过互补声子共振实现8-14um“大气窗口”的选择性高发射率，进而在不需要任何能源输入的情况下通过辐射制冷冷却温差发电器顶端，使温差发电器两端产生温差。SiO2和Si3N4的组合也可以是HfO2和SiO2，或者HfO2和Si3N4，其主要作用是在大气窗口提供高发射率。
所述的防风罩由12.5 mm厚的低密度聚乙烯制成，其特征在于红外透明。
所述的绝缘外壳由聚苯乙烯外壳覆盖着镀铝的聚酯薄膜组成，其目的为减少外界环境对温差发电器顶端的热辐射影响。
上述方案的辐射冷却器为了减少成本，仅仅利用SiO2和Si3N4两层膜组成。为了获得更好的降温效果，增加温差发电器的输出电流，实用新型还设计了另外一种辐射制冷器，其仅仅基于SiO2薄膜，利用离子束刻蚀法刻蚀2.5um高光栅，周期为4.5um，占空比为1/3，实现了在大气窗口平均发射率90%以上。可以有效提高温差发电器的输出电流，使路灯在夜晚可以稳定工作。
本方案的工作波长为红外光，在夜间，防风罩隔绝了腔体结构与外界环境的传导对流，导热片加强了温差发电器底端与环境传导对流，在隔绝温差发电器面向天空那一面传导与对流情况下，利用辐射制冷器降低温差发电器顶端温度，使其低于环境温度，而温差发电器底端由于环境加热使两端产生温差进而实现通路；在白天，由于太阳光通过防风罩后辐射到辐射冷却器上，使辐射冷却器温度升高，抵消了在大气窗口高发射产生的降温，由于太阳光辐射的加热抵消了辐射制冷产生的温差，温差发电器不工作，进而实现断路；使用本技术方案可以实现以太阳光作为驱动的自动通断路灯装置。
本方案的优点是无需要额外电源存储电能，且无需专用光电感应开关，利用大气中的温差进行发电，无需铺设专用电缆，更加节能环保。此外此技术方案也可在夜间为视频监控系统提供电能，还可作为太阳能发电站的配套设备，通过大量的一种基于辐射制冷的自动通断装置并联，在夜间在其正极引线和负极引线输出电能，从而实现夜间发电。
附图说明
图1为基于辐射制冷的自动通断装置结构示意图；
图2为基于辐射制冷的自动通断装置工作原理示意图；
图3为辐射制冷器示意图；
图4为温差发电器的结构示意图；
图5为辐射制冷器8um-14μm发射率光谱图；
图6为辐射制冷器降温效果图；
其中：1-防风罩，2-辐射冷却器，3-绝缘外壳，4-导热片，5-温差发电器，6-发射端面，7-输入端面，8-正极引线，9-负极引线。
具体实施方式
为使实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实用新型实施例的附图，对实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。以下结合说明书附图对实用新型的技术方案做进一步的详细说明。
实施例一
如图1所示，一种基于辐射制冷的自动通断装置，包含：防风罩1，辐射冷却器2，绝缘外壳3，导热片4，温差发电器5，所述温差发电器上设置正极引线8和负极引线9；所述的防风罩与绝缘外壳围成腔体结构，所述的防风罩在大气窗口波段为透明；辐射冷却器上包含发射端面6和输入端面7，辐射冷却器的发射端面朝向防风罩且置于所述腔体中；温差发电器顶部紧贴辐射冷却器的输入端面，所述导热片设置于温差发电器底部并与外界空气接触；
温差发电器顶部与辐射冷却器的输入端面接触；导热片通过热传递将外界空气的热量传递至温差发电器底部，温差发电器底部与外界空气温度相同；
如图2所示：在夜间时，辐射冷却器发射端面通过热辐射将温差发电器顶部的热量辐射向外界空气中，此时温差发电器顶部温度低于外界空气温度；
温差发电器顶部与底部产生温差进而驱动温差发电器工作，温差发电器上正极引线和负极引线之间产生电势差，此时基于辐射制冷的自动通断装置的工作状态为通路；
在白天时，太阳光通过防风罩后辐射到辐射冷却器发射端面上，使辐射冷却器温度升高，辐射冷却器辐射的热量和吸收太阳光的热量抵消，温差发电器不能正常工作，温差发电器上正极引线和负极引线之间电势差为零，此时基于辐射制冷的自动通断装置的工作状态为断路；
阴雨天或者雾霾天气里接收太阳光辐射不足时，辐射制冷器辐射向外界的热能大于外界输入的热能，温差发电器处于工作状态，基于辐射制冷的自动通断装置的工作状态为通路。
通过一个热模型来表征设备的性能，在这个模型中，假设热电模块的冷侧是一个向上辐射的板，其净能量平衡建模为:
上式中Prad是由结构辐射出去的能量，其计算公式为：
其中h是普朗克常数，IBB=
,kB是波尔兹曼常数，c是光速，λ是工作波长。
Psun为太阳能吸收功率，IAM1.5为AM1.5光谱，
(
)为设备的太阳吸收率，r(
)为辐射冷却器的反射率谱，
为太阳入射角。
是入射大气热辐射的吸收功率。
是由于对流和传导造成的能量损失。hc=hcond+hconv是一个组合的非辐射热系数，它表示了由于辐射冷却器与外表面和邻近的空气接触而产生的传导和对流加热的集体效应。
在晚上的时候
，即通过辐射制冷有净功率输出，产生的温差通过温差发电器之后会有电流输出，进而点亮路灯。而在白天的时候,
即
，辐射制冷的降温效果被太阳辐射的加热效果抵消导致无净功率输出，则温差发电机无法正常工作，路灯会进入断路状态。综上，实现了白天路灯自动断路，晚上路灯有电流输入而无需储存就可以直接工作的自动通断路灯装置设计。
如图3所示，所述辐射制冷器选用优选方案，即采用离子束刻蚀法制作的SiO2光栅。其在大气窗口的光谱有很好的选择性高发射，且制作工艺成熟。刻蚀光栅的主要步骤为涂胶，前烘，曝光，显影，刻蚀，去胶这几个主要步骤。
如图4所示，所述温差发电器是利用塞贝克效应，将热能直接转换成电能的一种发电器件。将一个p型温差电元件和一个n型温差电元件在热端用金属导体电极连接起来，在其冷端分别连接冷端电极，就构成一个温差电单体或单偶。在温差电单体开路端接入电阻为RL的外负载，如果温差电单体的热面输入热流，在温差电单体热端和冷端之间建立了温差，则将会有电流流经电路，负载上将得到电功率 I^2*RL ，因而得到了热能直接转换为电能的发电器。
图5为实用新型实施例辐射制冷器在8um-14μm的发射率光谱；所述辐射制冷器在大气窗口有很好的选择性高发射率，除了在9um波长处由于SiO2材料固有属性所引起的发射率低谷外，其余波段发射率在0.95左右，因此可以实现很好的净降温功率；由上述理论计算过程推导可以得到其
102.627w/m^2。
图6为实用新型实施例辐射制冷器随环境温度变化所具有降温效果的改变。为精确显示其降温效果，令
=0；理论计算了所述辐射制冷器降温效果随环境温度变化情况。其所产生的温差足以使温差发电器工作，在夜晚无需任何输入点亮路灯。
实施例二
一种基于辐射制冷的自动通断路灯，包括：基于辐射制冷的自动通断装置、灯、导线；所述灯、基于辐射制冷的自动通断装置通过导线连接构成闭合回路。
当在晴朗的夜空条件下，由于温差发电器冷端的辐射冷却器的高发射率，在隔绝对流前提下，会比环境温度低。因此温差发电器工作，点亮路灯。
在白天，由于辐射制冷器的降温效果被太阳辐射抵消，温差发电器不工作，路灯自动熄灭。以上实现了在无任何输入的情况下在夜晚无需存储就可以直接发电进而点亮路灯装置。
阴雨天或者雾霾天气里接收太阳光辐射不足时，辐射制冷器辐射向外界的热能大于外界输入的热能，温差发电器处于工作状态，基于辐射制冷的自动通断装置的工作状态为通路，因此白天阴雨天时本方案的路灯发光。更优方案为可将灯设置为雾灯，在阴雨天气或雾霾天气灯光穿透力更强可照明范围更大。
以上所述是本实用新型的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于辐射制冷的自动通断装置，其特征在于包含：防风罩，辐射冷却器，绝缘外壳，导热片，温差发电器，所述温差发电器上设置正极引线和负极引线；所述的防风罩与绝缘外壳围成腔体结构，所述的防风罩在大气窗口波段为透明；辐射冷却器上包含发射端面和输入端面，辐射冷却器的发射端面朝向防风罩且置于所述腔体中；温差发电器顶部紧贴辐射冷却器的输入端面，所述导热片设置于温差发电器底部并与外界空气接触；
温差发电器顶部与辐射冷却器的输入端面温度相同；温差发电器底部与外界空气温度相同；
在夜间时，辐射冷却器发射端面通过热辐射使温差发电器顶部温度低于外界空气温度，
温差发电器顶部与底部产生温差进而驱动温差发电器工作，温差发电器上正极引线和负极引线之间产生电势差，此时基于辐射制冷的自动通断装置的工作状态为通路；
在白天时，太阳光通过防风罩后辐射到辐射冷却器发射端面上，使辐射冷却器温度升高，辐射冷却器辐射的热量和吸收太阳光的热量抵消，温差发电器不能正常工作，温差发电器上正极引线和负极引线之间电势差为零，此时基于辐射制冷的自动通断装置的工作状态为断路。
2.根据权利要求1所述的一种基于辐射制冷的自动通断装置，其特征在于：所述的导热片形状为栅格状或条形阵列，材质包括金属。
3.根据权利要求1所述的一种基于辐射制冷的自动通断装置，其特征在于：所述的辐射制冷器为层状结构，由分别为SiO2和Si3N4两层膜组成，集成在温差发电器的顶端。
4.根据权利要求1所述的一种基于辐射制冷的自动通断装置，其特征在于：所述的防风罩由聚乙烯制成。
5.根据权利要求1所述的一种基于辐射制冷的自动通断装置，其特征在于：所述的绝缘外壳由聚苯乙烯外壳覆盖着镀铝的聚酯薄膜组成。
6.一种基于辐射制冷的自动通断路灯，其特征在于包括：权利要求1至5之一所述的基于辐射制冷的自动通断装置、灯、导线；所述灯、基于辐射制冷的自动通断装置通过导线连接构成闭合回路。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |