TWM480807U - 能量儲存裝置 - Google Patents

Description

能量儲存裝置

本創作係為一種能量儲存裝置，特別是關於一種設置於載具或建築物的能量儲存裝置。

現今在國際能源危機的情況下，世界各國正積極的尋找永續的、可再生的及淨潔的替代能源，例如風能、潮汐能、太陽能等取自於環境之綠色能源，其中上述綠色能源不會產生過量的二氧化碳等溫室氣體，因而可有助於保護環境。

再者，由於地球自轉時與大氣層摩擦，大氣中的空氣、雲層及地表永遠都存在電荷，所以，環境中經常性或偶發性會產生閃電，而閃電也是一種綠色能源，惟閃電這種綠色能源係屬於瞬間高電壓、高電流之電能，例如為幾十微秒內所產生最大電壓為1百萬伏特/3萬安培電流的電能。因此，人們係透過避雷針將上述閃電之電能導引至大地中，以避免上述閃電之電能傷害到人體或設備。

本創作在於提供一種能量儲存裝置，用以接收閃電電能，並將閃電電能儲存，以實現保護環境及提供電力給電氣設備。

本創作提出一種能量儲存裝置，設置於一載具或一建築物，包括一接收單元、一電性導通單元、一限流單元、一分壓單元及一儲能單元。接收單元用以接收環境中的一閃電電能。電性導通單元耦接接收單元，用以分辨閃電電能的電性。限流單元耦接電 性導通單元，用以限制閃電電能的電流。分壓單元耦接限流單元，用以將閃電電能的電壓分壓。儲能單元耦接分壓單元，用以儲存閃電電能。

本創作之能量儲存裝置透過限流單元，以限制閃電電能流經本創作之電流大小，其中閃電電能經由限流單元以限制閃電電能的電流，致使預設電流值的電流流經分壓單元及儲能單元，而閃電電能經由分壓單元以分壓，以產生一符合儲能單元的電壓，致使對儲能單元充電，藉此提升能量儲存裝置的使用性、方便性及保護環境。

以上之概述與接下來的實施例，皆是為了進一步說明本創作之技術手段與達成功效，然所敘述之實施例與圖式僅提供參考說明用，並非用來對本創作加以限制者。

1、1a‧‧‧能量儲存裝置

8‧‧‧建築物

9‧‧‧載具

90‧‧‧外殼體

10‧‧‧接收單元

12‧‧‧電性導通單元

121‧‧‧第一路徑

122‧‧‧第二路徑

14‧‧‧限流單元

140‧‧‧分流電路

16‧‧‧分壓單元

160‧‧‧分壓電路

161‧‧‧第一分壓電阻

162‧‧‧第二分壓電阻

18‧‧‧儲能單元

20‧‧‧放電單元

22‧‧‧電池單元

圖1A為本創作一實施例之能量儲存裝置之功能方塊圖。

圖1B為根據圖1A之本創作一實施例之能量儲存裝置之局部功能方塊圖。

圖2為本創作另一實施例之設置於飛機上的能量儲存裝置之示意圖。

圖3為本創作另一實施例之設置於建築物上的能量儲存裝置之示意圖。

圖1A為本創作一實施例之能量儲存裝置之功能方塊圖。圖1B為根據圖1A之本創作一實施例之能量儲存裝置之局部功能方塊圖。請參閱圖1A及圖1B。一種能量儲存裝置1，包括一接收單元10、一電性導通單元12、一限流單元14、一分壓單元16與一儲能單元18。在實務上，電性導通單元12耦接於接收單元10與 限流單元14之間，分壓單元16耦接於限流單元14與儲能單元18之間，其中能量儲存裝置1係透過接收單元10，以接收環境中的閃電或超級閃電的電能，且將環境中的閃電電能儲存於儲能單元18，當然，儲存閃電電能的儲能單元18可輸出並運用到載具或建築物之電氣設備，本實施例不限制能量儲存裝置1的態樣與用途。

值得注意的是，能量儲存裝置1係設置於模組系統的內部，而電池單元22係設置於模組系統的外部，在其他實施例中，能量儲存裝置1也可不供電給電池單元22，或是能量儲存裝置1也可不具有電池單元22，例如能量儲存裝置1可直接供電至後端設備，本實施例不限制能量儲存裝置1的態樣。

接收單元10用以接收環境中的一閃電電能，接收單元10例如為主動式避雷針或被動式避雷針，其中主動式避雷針係利用主動放電來吸引閃電的打擊，其防護面積較三叉式避雷針或富蘭克林避雷針等被動式避雷針為大，而被動式避雷針例如為一般傳統引雷針，通常設置於載具或建築物的最高點位置，或是最容易接收到閃電的位置。

電性導通單元12耦接接收單元10與限流單元14，並根據閃電電能的電性以導通第一路徑121或第二路徑122。在實務上，電性導通單元12根據正電荷以導通第一路徑121，或是電性導通單元12根據負電荷之電性，以導通第二路徑122，藉此正電荷或負電荷可流經電性導通單元12，其中第一路徑121包括一第一單向導通元件，第二路徑122包括一第二單向導通元件，第一單向導通元件與第二單向導通元件的極性反置，且第一單向導通元件與第二單向導通元件並聯，使正負電性分流。

詳細來說，第一單向導通元件例如為一個或多個串聯的二極體，第二單向導通元件例如為一個或多個串聯的二極體，本實施例不限制第一及第二單向導通元件的態樣。其中，電學定義：正電荷的流向為電流流向，而負電荷的流向為電子流流向。當閃電 電能例如為正電閃電或正雷電擊(positive stroke)時，正電荷的電流流經第一單向導通元件，換句話說，閃電電能的正電荷之電流將導通第一路徑121，或是閃電電能的正電荷之電流將流經第一路徑121。

另外，當閃電電能例如為負電閃電或負雷電擊(negative stroke)時，負電荷的電子流流經第二單向導通元件，換句話說，閃電電能的負電荷之電子流將導通第二路徑122，或是閃電電能的負電荷之電子流將流經第二路徑122。

因此，閃電電能所產生的電流或電子流，將分別流經電性導通單元12之第一路徑121或第二路徑122，為了方便說明，本實施例係以負電閃電所產生的電流來說明，於事實上，自然界閃電多數是負電閃電，而較少產生正電閃電，本實施例不限制電性導通單元12及閃電電能的態樣。此外，限流單元14、分壓單元16與儲能單元18分別根據電流或電子流，而設計符合電流或電子流之電性的電路。

值得一提的是，電路學上亦可用一套電路即可同時符合電流或電子流之電性，請參閱圖1B，第一路徑121及第二路徑122分別耦接限流單元14，且第一路徑121及第二路徑122與限流單元14之間分別耦接至接地端，藉此第一路徑121及第二路徑122後側之接地端將形成一迴路，而這迴路的電流係由第一路徑121輸出至限流單元14；反之，電子流自第二路徑122輸出，與第一路徑121後側之接地端構成迴路，藉此限流單元14、分壓單元16與儲能單元18可根據這迴路來設計，本實施例不限制能量儲存裝置1的電路態樣。

限流單元14耦接電性導通單元12與分壓單元16，用以限制閃電電能的電流。在實務上，限流單元14更包括一並聯的分流電路140，且限流單元14具有一預設電流值，當閃電電能的電流大於預設電流值時，所述並聯的分流電路140導通，以使超過預設 電流值的閃電電能的電流釋放到一放電單元20。另當閃電電能的電流等於或小於預設電流值時，所述並聯的分流電路140截止，以使等於或小於預設電流值的閃電電能的電流流至分壓單元16。

詳細來說，放電單元20例如為接地元件或放電元件，例如飛機的兩側機翼的放電棒，或是輪船的拋海接地，或是汽車之接地線，或是建築物之接地銅排，本實施例不限制放電單元20的態樣。

舉例來說，限流單元14的預設電流值例如為1仟安培，而閃電電能的平均電流例如為3萬安培，因此，2萬9仟安培的電流會經由分流電路140而導引至放電單元20，例如2萬9仟安培的電流會經飛機兩側機翼的放電棒而釋放到空氣中，其中1仟安培的電流會經由限流單元14而導引至分壓單元16。此外，預設電流值也可以為1萬、3萬、5萬或其他數值安培，本實施例不限制預設電流值的態樣。

簡單來說，限流單元14用以限制流經限流單元14的閃電電能的電流的大小，而超過預設電流值的閃電電能的電流經由分流電路140而導引至放電單元20，所以，限流單元14可保護後端各單元之電路或電子元件，以避免超級閃電電能的電流或超高電流損毀各單元之電路或電子元件。

分壓單元16耦接限流單元14與儲能單元18，用以將閃電電能的電壓分壓。在實務上，分壓單元16具有一預設電壓極限值，於閃電電能的電壓超過預設電壓極限值時，超過預設電壓極限值的電壓將導引並放電至環境中。具體來說，分壓單元16更包括一或多個分壓電路160，因此，分壓單元16用以將超高電壓或高電壓分壓，並提供一符合儲能單元18的電壓給儲能單元18。

值得注意的是，假設經限流之電能分壓後，已不存在電能溢出問題，其中分壓單元16的接地端實質上仍為放電單元20。但是，儲能單元18可能會有一電能溢出問題，假設所有儲能單元18均處於儲滿電能的狀態，且儲能單元18無法即時輸出電能至電池單 元22，或是儲能單元18的電能無法直接使用時，因此需將所述溢出的電能導引並放電至環境中。

進一步來說，儲能單元18耦接放電單元20，其中儲能單元18具有一預設電能值，於閃電電能的電能超過預設電能值時，超過預設電能值的電能將導引並放電至環境中。換句話說，當儲能單元18被一次或多次的閃電電能充飽後，儲能單元18可透過放電單元20，以將溢出的電能導引並放電至環境中。

儲能單元18耦接分壓單元16，用以儲存閃電電能。在實務上，儲能單元18例如為一個或複數個超級電容，其中根據Ragone Chart之能量密度與功率密度可知，儲能單元18具有電容量大、瞬間高充電電量、充放電無電流限制使充電快速、輸出功率密度高之穩定放電、使用年限長之特性，因此超級電容可快速儲存高電量的閃電電能，本實施例不限制儲能單元18的態樣。

接下來，進一步說明能量儲存裝置1設置於載具9或建築物8之細部運作。

圖2為本創作另一實施例之設置於飛機上的能量儲存裝置之示意圖。請參閱圖2。一種能量儲存裝置1，設置於一載具9，包括一接收單元10、一電性導通單元12、一限流單元14、一分壓單元16、一儲能單元18及一電池單元22。

為了方便說明，本實施例之能量儲存裝置1係設置於飛機來說明，在其他實施例中，載具9也可以為公車、巴士、遊覽車、貨車、火車、高速列車、船艇、郵輪等交通工具，本實施例不限制載具9的態樣。

舉例來說，飛機飛行於天空，由於飛機所處之天候環境的狀況，因此飛機可能會遭受到閃電雷擊，其中閃電雷擊係屬雲內閃電(in-cloud lightning)或雲間閃電(cloud-to-cloud lightning)的型態，飛機飛行在0℃層的上空，即為空氣溫度下降到冰點的高度 以上，因雲內的液態水變成冰晶和過冷卻水滴(達0℃卻來不及凝結就落下的水滴)。由於空氣的密度不同，造成了空氣對流，在這些水滴或冰晶摩擦碰撞的過程中產生電荷，如果雲內出現兩個足夠強的相反電位，當電場超過臨界值，兩者就會相互放電，結果就產生了閃電。所以，本創作之能量儲存裝置1可透過接收單元10以接收閃電電能。

為了方便說明，本實施例之接收單元10係設置於飛機頭附近，在其他實施例中，接收單元10也可設置於飛機的機身或尾翼上。另外，本實施例之接收單元10係根據飛機之流線外型或風阻，而設計為導電凸出物或圓凸式似避雷針之閃電接收裝置，並凸出於外殼體90，其中接收單元10可包括複數個導電凸出物，而這些導電凸出物相互連接，以形成一避雷針陣列，如圖2所繪示，本實施例不限制接收單元10的態樣與設置位置。

此外，飛機的金屬外殼體或複合材料外殼體之金屬塗裝90形成為法拉第籠(Faraday's cage)，例如，當飛機遭受到正電荷之閃電時，部分大電流可被法拉第籠所屏障，而部分電流可從飛機外殼體90之表面閃電接收裝置吸收，並經由電性導通單元12的第二路徑122進入限流單元14，再經由限流單元14的分流電路140以限制電流分流導引至分壓單元16，其中第二路徑122之第二單向導通元件為多個串聯的二極體，而這些二極體的陽極耦接飛機的外殼體90之接收裝置，這些二極體的陰極耦接限流單元14，本實施例不限制電性導通單元、限流單元14及分流電路140的運作態樣。

接下來，分壓單元16更包括一分壓電路160，而分壓電路160包括第一分壓電阻161與第二分壓電阻162串聯，其分壓單元16之接地端與放電單元20耦接，而分壓單元16與儲能單元18耦接，因此，分壓單元16用以將超高電壓或高電壓分壓，並提供一符合儲能單元18的電壓給儲能單元18。(圖2中16部分請參考圖1a 略做修改)

詳細來說，第一分壓電阻161例如為可調式電阻或是多個分壓電阻所組成，且第一分壓電阻161耦接於限流單元14與第二分壓電阻162之間，因此，高電壓可經第一分壓電阻161而連接到放電單元20，以放電至環境中；另第二分壓電阻162與第一分壓電阻161串聯，所以，第二分壓電阻162所產生的電壓，係為高電壓經第一分壓電阻161分壓、消除或轉換後之電壓，換句話說，第二分壓電阻162所產生的電壓，係為符合儲能單元18的電壓。簡單來說，分壓單元16可保護儲能單元18，並提供符合儲能單元18的電壓，以對儲能單元18充電。

之後，電池單元22耦接儲能單元18，電池單元22用以輸出電力給載具9之電氣設備。在實務上，電池單元22例如為飛機用的蓄電池、鋅銀蓄電池或鎘鎳蓄電池，本實施例不限制電池單元22的態樣。電池單元22係為飛機上的備用電源，用以提供飛機上各種電氣設備的用電，例如飛機兩側機翼的藍紅指示燈、機艙內空調用電或乘客座上的娛樂電子設備。

值得一提的是，本創作之能量儲存裝置1可根據雲內閃電(in-cloud lightning)或雲間閃電(cloud-to-cloud lightning)的型態來設計，舉例來說，一般飛機之放電棒例如為300kV靜電放電或是約500歐姆之阻抗，而限流單元14的預設電流值可根據飛機之放電棒之放電能力，以及雲內閃電或雲間閃電所產生的電量來設計，同理可知，接收單元12、分壓單元16、儲能單元18及放電單元20也可根據飛機之放電棒之放電能力，以及雲內閃電或雲間閃電所產生的電量來設計，本實施例不限制能量儲存裝置1的態樣。

圖3為本創作另一實施例之設置於建築物上的能量儲存裝置之示意圖。本實施例的能量儲存裝置1a與前述實施例的能量儲存裝置1相似，例如能量儲存裝置1a透過限流單元14，以限制閃電 電能的電流，並透過分壓單元16，以提供一符合儲能單元18的電壓。然而，本實施例與前述實施例的能量儲存裝置1a、1之間仍存有差異，其在於：能量儲存裝置1a之接收單元10為主動式避雷針或被動式避雷針，並設置於建築物8的頂端，以凸出或高於建築物8，如圖3所繪示。

值得一提的是，建築物8設置於地球表面上，由於建築物8所處之天候環境的狀況，因此建築物8之最高處或最頂端可能會遭受到閃電雷擊，其中閃電雷擊屬雲地之間閃電(cloud-to-ground lightning)的型態，其中雲地之間閃電係為電子從上空往地下(或建築物8)移動，並呈階梯狀進行，每級階梯的長度約為50米，而兩級階梯間約有50微秒的時間間隔，放電過程中每往下一階級，就把雲裡的負電荷往下移動一階級，這稱為階梯先導(stepped leader)，平均速率為1.5×105公尺/秒，並將傳遞約五庫侖的電量至地面。

所以，本創作之能量儲存裝置1a、接收單元10、限流單元14、分壓單元16、儲能單元18及放電單元20，可根據雲地之間閃電的型態來設計，舉例來說，一般建築物8之接地阻抗約為10歐姆，而限流單元14的預設電流值可根據建築物8之接地阻抗及約五庫侖的電量來設計，同理可知，接收單元10、分壓單元16、儲能單元18及放電單元20也可根據建築物8之接地阻抗及約五庫侖的電量來設計，本實施例不限制能量儲存裝置1a的態樣。

此外，放電單元20例如為接地銅排、接地銅線或接地導線，以連接到大地，另電池單元22例如為鋰離子電池、鎳鎘電池、鎳氫以及鉛酸電池等充電電池，用以儲存閃電電能，並提供給建築物8之電氣設備。除上述差異之外，所屬技術領域具有通常知識者參考上述實施例以及上述差異後，應當可以輕易推知，故在此不予贅述。

綜上所述，本創作之能量儲存裝置透過接收單元，以接收閃 電電能，其中閃電電能經由限流單元以限制閃電電能的電流，致使預設電流值的電流流經分壓單元，而閃電電能經由分壓單元以分壓，以產生一符合儲能單元的電壓，致使對儲能單元充電，藉此提升能量儲存裝置的使用性、方便性及保護環境，其中限流單元具有一預設電流值，而分壓單元具有一預設電壓極限值，因此，本創作之能量儲存裝置接收到閃電電能，以儲存一預設功率值(預設電流值與預設電壓極限值的乘積)的電量，而這些電量儲存於例如為超級電容的儲能單元。

以上所述僅為本創作之實施例，其並非用以侷限本創作之專利範圍。

1‧‧‧能量儲存裝置

10‧‧‧接收單元

12‧‧‧電性導通單元

121‧‧‧第一路徑

122‧‧‧第二路徑

14‧‧‧限流單元

140‧‧‧分流電路

16‧‧‧分壓單元

160‧‧‧分壓電路

18‧‧‧儲能單元

20‧‧‧放電單元

22‧‧‧電池單元

Claims (10)

1. 一種能量儲存裝置，設置於一載具或一建築物，包括：一接收單元，用以接收環境中的一閃電電能；一電性導通單元，耦接該接收單元，並根據該閃電電能的電性以導通一第一路徑或一第二路徑；一限流單元，耦接該電性導通單元，用以限制該閃電電能的電流；一分壓單元，耦接該限流單元，用以將該閃電電能的電壓分壓；及一儲能單元，耦接該分壓單元，用以儲存該閃電電能。
2. 如申請專利範圍第1項所述之能量儲存裝置，其中該儲能單元為一個或複數個超級電容。
3. 如申請專利範圍第1項所述之能量儲存裝置，其中該第一路徑包括一第一單向導通元件，該第二路徑包括一第二單向導通元件，而該第一單向導通元件與該第二單向導通元件並聯，且該第一單向導通元件與該第二單向導通元件的極性反置。
4. 如申請專利範圍第3項所述之能量儲存裝置，其中該電性導通單元用以分辨該閃電電能的正電荷或負電荷之電性，而該第一單向導通元件為一個或多個串聯的二極體，該第二單向導通元件為一個或多個串聯的二極體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之能量儲存裝置，其中該限流單元用以提供一預設電流給該分壓單元，且該限流單元具有一預設電流值，於該閃電電能的電流超過該預設電流值時，超過該預設電流值的電流將導引並放電至環境中。
6. 如申請專利範圍第5項所述之能量儲存裝置，其中該限流單元包括一並聯的分流電路，於該閃電電能的電流超過該預設電流值時，該分流電路導引超過該預設電流值的電流至一放電單元。
7. 如申請專利範圍第1項所述之能量儲存裝置，其中該分壓單元中每一組分壓電路用以提供一預設電壓給該儲能單元，且該分壓單元具有一預設電壓極限值，於該閃電電能之電壓超過該預設電壓極限值時，超過該預設電壓極限值的能量將導引並放電至環境中。
8. 如申請專利範圍第1項所述之能量儲存裝置，其中該分壓單元包括一組含接地端之分壓電路，該組含接地端之分壓電路耦接至該儲能單元之儲能電路中，並將該閃電電能儲存至該儲能單元。
9. 如申請專利範圍第6項所述之能量儲存裝置，其中該放電單元為一接地元件或一放電元件，而該接收單元為一個或複數個導電凸出物，設置於該載具的一外殼體，各該導電凸出物為避雷針。
10. 如申請專利範圍第1項所述之能量儲存裝置，其中更包括一電池單元，耦接該儲能單元，該電池單元用以輸出電力給該載具或該建築物之電氣設備。