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    本發明係有關一種具微生物燃料電池之高功率LED照明系統及方法，其包括燈座、LED發光元件、導熱件及微生物燃料電池。導熱件將LED發光元件所產生的熱導至微生物燃料電池之反應物水溶液，一方面對LED發光元件降溫，另方面提供微生物催化燃料以發電所需的熱量，並將所生之電力供應LED發光元件發光所需。藉以解決高亮度LED之散熱問題，維持高亮度LED之正常工作溫度，及達到環保及自發電之目的。
    公开号:TW201306374A
    申请号:TW100126130
    申请日:2011-07-25
    公开日:2013-02-01
    发明作者:Rong-Yuan Jou
    申请人:Univ Nat Formosa；
    IPC主号:Y02E60-00
    专利说明:
    具微生物燃料電池之高功率LED照明系統及方法
    本發明係有關於一種具微生物燃料電池之高功率LED照明系統及方法，尤指一種利用充填廢水當燃料來發電，以點亮LED燈做為室內緊急照明或戶外照明之用，並且以PV輔助達到互補之功用。而高亮度LED之散熱問題，藉由設計使LED發光元件之導熱件浸入廢水達到散熱目的，以維持高亮度LED之正常工作溫度，並可將部份光源導予微生物，以促進微生物燃料電池中光合菌光合作用產氫之功能，達到自發電、輕巧、綠色節能、高效率之目的者。
    眾所周知發光二極體(LED)是一種注入電致發光器件，一般係由磷化稼(Gap)、磷砷化鋅(GaAsP)等半導體製成，如圖二所示。在外加電場作用下，電子與空穴的輻射複合而發生的電致作用將一部分能量轉化為光能，即量子效應，而無輻射複合產生的晶格振盪將其餘的能量轉化為熱能。隨著藍光LED的技術成長，近十年來，白光LED的技術發展開始呈現跳躍式成長，LED效率自2000年後逐年成長並陸續超越現有照明燈具。2007年，Nichia發佈了驚人的實驗室成果，169lm/W的小功率白光LED與134 lm/W的高功率LED。到了2008年七月，Osram也跟進宣佈其大功率LED技術水準已突破最高效率至136lm/W。而就目前全球市場上LED的量產產品水準。由技術成長趨勢來看，人力物力的投入已經使得進展速度快於美國能源局所預測時程至少兩年，這不但是象徵LED技術的成熟性，也是一個里程碑，充分顯示了LED光源在照明應用上的替代潛力與可能性。對大於1W級的大功率LED而言，目前的電光轉換效率約為15%，剩餘的85%轉化為熱能。而LED晶片尺寸僅為1mm x 1mm~2.5mm x 2.5mm，意即晶片的功率密度很大。對於單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的晶片內而不能有效散出，則會導致晶片的溫度升高，引起熱應力的非均勻分佈、晶片發光效率和螢光粉激射效率下降。根據研究表明，當溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數規律攀升，元件溫度每上升2℃，可靠性將下降10%。為了保證器件的壽命，一般要求PN junction的結溫在110℃以下。隨著PN junction的溫升，白光LED器件的發光波長將發生紅移。據統計資料表明，在10℃的溫度下，波長可以紅移4-9nm，從而導致YAG螢光粉吸收率下降，總的發光強度會減少白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發光強度會相應減少1%左右，當器件從環境溫度上升到120℃時，亮度下降多達35%。當多個LED密集排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更嚴重。因此解決散熱問題己成為功率型LED應用所需先克服。
    習知高功率LED應用佷廣，例如汽車燈、投影機之投射燈等。高功率LED的消耗功率大於0.4W，且由於其在工作時產生的熱量大，因此在使用上需考慮散熱的問題，以避免高功率LED因為過熱而損壞。由於該習知結構之熱量傳導路徑較短的緣故，所以熱導管能迅速地將高功率LED產生的熱量經散熱鰭片發散出去，不過這種背散熱式電燈必須在具有良好空氣流通的環境下，才能使散熱鰭片達到較佳的自然對流散熱效果。當背散熱式高功率LED電燈應用於照明用途時，例如嵌入式或繫頂式燈具，其裝設的環境並不具有良好的空氣流通，因而導致散熱效果大幅下降。
    為改善前述高功率LED所產生的缺失，本發明人積極投入研發，期間又鑑於全球能源逐漸短缺，節能實為重要，因而研發一種可結合微生物與光的相互關係的技術，終有本發明具微生物燃料電池之高功率LED照明系統之研發成果。
    按習知微生物燃料電池(MFC),主要是利用微生物的催化作用，將燃料(有機物質)的化學能直接轉化為電能的一種生物電化學裝置。MFC可以在氧化有機物的同時產電，尤其適用於廢水處理領域。由於大多數的微生物都是通過呼吸作用來進行新陳代謝‧在代謝和生長過程中，餵食葡萄糖或其它碳水化合物，使一部分具有電化學活性的微生物產生電子‧電子通過多種途徑遷移到陽極上，通過外電路轉移到陰極，最終在陰極區與氧氣和質子反應生成水。這種定向的遷移即可產生電流。沒有考慮反應動力學、酶動力學和微生物方面的影響，在適合微生物生存的溫度條件下，葡萄糖氧化是一個放熱的熵增反應，該反應能夠自發進行‧但由於反應動力學因素的限制，以葡萄糖為底物進行發電還需要酶的催化‧微生物燃料電池陽極室中的微生物起到催化反應的作用。微生物燃料電池的熱力學效率非常高。僅從熱力學方面考慮，以葡萄糖為底物的微生物燃料電池的可逆電壓是溫度的函數，並且與溫度成正向變化關係：溫度升高，可逆電壓升高；溫度降低，可逆電壓降低，但可逆電壓隨溫度變化的幅度很小。由於微生物燃料電池工作的溫度一般在20～50℃之間，因此可以不考慮溫度對可逆電壓的影響‧溫度不僅影響可逆電壓，還影響葡萄糖氧化的反應速率和微生物活性，以葡萄糖為底物的微生物燃料電池的最佳工作溫度是35℃。
    目前關於微生物燃料電池的技術，已有許多研究完成並申請為專利，例如中華民國專利第I256946號厭氧產氫程序，公告第265479號自微生物原料產生電能之方法，公開第201101648號整合太陽能及汙泥燃料電池之充電系統，及公開第200915654號經改良的生物燃料電池等專利。顯見微生物料電池已達一定的技術水平及市場的價值。然而，目前尚未有如本發明將微生物燃料電池與高功率LED照明技術結合而構成一節能、提升發電與發光效率、環保及增長使用壽命的照明系統被研發。
    本發明之第一目的，在提供一種節能、提升效率及增長使用壽命的具微生物燃料電池之高功率LED照明系統。達成此目的之技術手段係包括：至少一燈座；至少一LED發光元件，該LED發光元件裝置於該燈座上；至少一導熱件，其用以將該LED發光元件所產生的熱導離該LED發光元件；及一微生物燃料電池，其包括有一反應槽，該反應槽內部填充有反應物水溶液，該反應物水溶液包括有一預定量微生物及作為燃料的一預定量之有機物質，該微生物對該燃料催化而使該微生物燃料電池產生電力，該電力用以供應該LED發光元件發光所需電源，該導熱件伸入該反應物水溶液，使該反應物水溶液吸收該導熱件熱量，一方面使該導熱件降溫，另方面提供該微生物所需熱量。
    本發明之第二目的，在提供一種節能、提升發電與發光效率及增長使用壽命的具微生物燃料電池之高功率LED照明系統。達成此目的之技術手段係包括：一燈座；至少一導光組件，其具體實施例為光纖；複數個LED發光元件，該複數個LED發光元件裝置於燈座上，一部份該LED發光元件對外做照明，另一部份該LED發光元件接設導光組件的一輸入端，該另一部份之LED發光元件所發出的光線由該輸入端進入該導光組件；複數個導熱件，其一端連接在燈座上並臨近LED發光元件，用以吸收該LED發光元件所產生的熱並導離該LED發光元件；及一微生物燃料電池，其包括有一反應槽，反應槽中央設有一離子交換膜或質子交換膜(PEM)，反應槽內部填充有反應物水溶液，反應物水溶液包括有一預定量微生物及作為燃料的一預定量之有機物質，藉由微生物對該燃料催化而使該微生物燃料電池產生電力，該電力用以供應該LED發光元件發光所需電源；該複數個導熱件另一端伸入該反應物水溶液，使該反應物水溶液吸收該導熱件熱量，一方面使該導熱件降溫，另方面提供該微生物所需熱量；而且該導光組件的一輸出端輸出而投射至該反應物水溶液，以提供該微生物光合作用所需。
    本發明之第三目的，在提供一種節能、提升發電與發光效率、環保及增長使用壽命的具微生物燃料電池之高功率LED照明系統。達成此目的之技術手段係包括：一燈座；至少一導光組件；複數個LED發光元件，該複數個LED發光元件裝置於燈座上，一部份該LED發光元件對外做照明，另一部份該LED發光元件接設導光組件的一輸入端，該另一部份之LED發光元件所發出的光線由該輸入端進入該導光組件；複數個導熱件，其一端連接在燈座上並臨近LED發光元件，用以吸收該LED發光元件所產生的熱並導離該LED發光元件；一微生物燃料電池，其包括有一反應槽，反應槽中央設有一離子交換膜或質子交換膜(PEM)，反應槽內部填充有反應物水溶液，反應物水溶液包括有一預定量微生物及作為燃料的一預定量之有機物質，藉由微生物對該燃料催化而使該微生物燃料電池產生電力，該電力用以供應該LED發光元件發光所需電源；該複數個導熱件另一端伸入該反應物水溶液，使該反應物水溶液吸收該導熱件熱量，一方面使該導熱件降溫，另方面提供該微生物所需熱量；而且該導光組件的一輸出端輸出而投射至該反應物水溶液，以提供該微生物光合作用所需；及一廢水供應手段及一淨水收集手段，該反應槽連接該廢水供應手段及該淨水收集手段；當該微生物對該反應物水溶液催化一預定時間後，所產生之淨水經該淨水收集手段收集而排出該反應槽外；該廢水供應手段則將燃料供應至反應槽內。 壹．本發明系統之基本技術特徵
    如圖1所示，本發明所研發的一種具微生物燃料電池之高功率LED照明系統，其基本構造特徵係包括：至少一燈座10；至少一LED發光元件11，該LED發光元件11裝置於該燈座10上；至少一導熱件12，其用以將該LED發光元件11所產生的熱導離該LED發光元件；一微生物燃料電池20(一種具體實施方式可如中華民國公開第200915654號專利申請案所提之燃料電池，或如公開第201101648號專利申請案所提之汙泥燃料電池)，其包括有一反應槽21，該反應槽21內部填充有反應物水溶液22，該反應物水溶液22包括有一預定量微生物及作為燃料的一預定量之有機物質，該微生物對該燃料催化而使該微生物燃料電池20產生電力，該電力用以供應該LED發光元件11發光所需電源，該導熱件12伸入該反應物水溶液22，使該反應物水溶液22吸收該導熱件12熱量，一方面使該導熱件12降溫，另方面提供該微生物所需熱量。 貳．本發明系統之一種具體實施例
    如圖1所示，本發明所研發的一種具微生物燃料電池之高功率LED照明系統，其一種具體實施例，係包括：一燈座10；複數個LED發光元件11，該複數個LED發光元件11裝置於燈座10上；複數個導熱件12，其一端連接在燈座10上並臨近LED發光元件11，用以將該LED發光元件11所產生的熱導離；及一微生物燃料電池20，其包括有一反應槽21，反應槽21中央設有一離子交換膜或質子交換膜(PEM)23，反應槽21內部填充有反應物水溶液22，反應物水溶液22包括有一預定量微生物及作為燃料的一預定量之有機物質，藉由微生物對該燃料催化而使該微生物燃料電池20產生電力，該電力用以供應該LED發光元件11發光所需電源，該導熱件12另一端伸入該反應物水溶液22，使該反應物水溶液22吸收該導熱件12熱量，一方面使該導熱件降溫，另方面提供該微生物所需熱量。 參．本發明系統之一種較佳具體實施例
    如圖1所示，本發明所研發的一種具微生物燃料電池之高功率LED照明系統，其一種較佳的具體實施例，係包括：一燈座10；至少一導光組件30，其具體實施例為光纖；複數個LED發光元件11，該複數個LED發光元件11裝置於燈座10上，一部份該LED發光元件11對外做照明，另一部份該LED發光元件11接設導光組件30的一輸入端，該另一部份之LED發光元件11所發出的光線由該輸入端進入該導光組件30；複數個導熱件12，其一端連接在燈座10上並臨近LED發光元件11，用以吸收該LED發光元件11所產生的熱並導離該LED發光元件11；及一微生物燃料電池20，其包括有一反應槽21，反應槽21中央設有一離子交換膜或質子交換膜(PEM)23，反應槽21內部填充有反應物水溶液22，反應物水溶液22包括有一預定量微生物及作為燃料的一預定量之有機物質，藉由微生物對該燃料催化而使該微生物燃料電池20產生電力，該電力用以供應該LED發光元件11發光所需電源；該複數個導熱件12另一端伸入該反應物水溶液22，使該反應物水溶液22吸收該導熱件12熱量，一方面使該導熱件12降溫，另方面提供該微生物所需熱量；而且該導光組件30的一輸出端輸出而投射至該反應物水溶液22，以提供該微生物光合作用所需。 肆．本發明系統之另一種較佳具體實施例
    如圖1所示，本發明所研發的一種具微生物燃料電池之高功率LED照明系統，其一種較佳的具體實施例，係包括：一燈座10；至少一導光組件30；複數個LED發光元件11，該複數個LED發光元件11裝置於燈座10上，一部份該LED發光元件11對外做照明，另一部份該LED發光元件11接設導光組件30的一輸入端，該另一部份之LED發光元件11所發出的光線由該輸入端進入該導光組件30；複數個導熱件12，其一端連接在燈座10上並臨近LED發光元件11，用以吸收該LED發光元件11所產生的熱並導離該LED發光元件11；一微生物燃料電池20，其包括有一反應槽21，反應槽21中央設有一離子交換膜或質子交換膜(PEM)23，反應槽21內部填充有反應物水溶液22，反應物水溶液22包括有一預定量微生物及作為燃料的一預定量之有機物質，藉由微生物對該燃料催化而使該微生物燃料電池20產生電力，該電力用以供應該LED發光元件11發光所需電源；該複數個導熱件12另一端伸入該反應物水溶液22，使該反應物水溶液22吸收該導熱件12熱量，一方面使該導熱件12降溫，另方面提供該微生物所需熱量；而且該導光組件30的一輸出端輸出而投射至該反應物水溶液22，以提供該微生物光合作用所需；及一廢水供應手段40及一淨水收集手段41，該反應槽21連接該廢水供應手段40及該淨水收集手段41；當該微生物對該反應物水溶液22催化一預定時間後，所產生之淨水經該淨水收集手段42收集而排出該反應槽21外；該廢水供應手段40則將燃料供應至反應槽21內。 伍．本發明方法之一種具體實施例
    請配合參看圖1至4所示，本發明具微生物燃料電池之高功率LED照明方法，其包括以下步驟：
    (a)提供如前述本發明之系統，即提供至少一燈座10、至少一LED發光元件11裝置於燈座10上、至少一導熱件12及一微生物燃料電池20；
    (b)於微生物燃料電池20之反應槽21填充一預定量之反應物水溶液22；
    (c)以微生物燃料電池20之微生物對燃料催化而使微生物燃料電池20產生電力；
    (d)使電力供應予LED發光元件11發光；
    (e)利用至少一導熱件12將LED發光元件11所產生的熱導離LED發光元件11；
    (f)利用導熱件12伸入反應物水溶液22，使反應物水溶液22吸收導熱件12自LED發光元件11導來的熱量，一方面使導熱件12及LED發光元件11降溫，另方面提供微生物所需熱量；
    (g)當微生物燃料電池20之反應物水溶液22不足時，則回到步驟(b)，藉以使微生物燃料電池20持續地產生電力以供應LED發光元件11發光所需電源。
    其中本發明方法之一種較佳實施例，至少一LED發光元件11為複數個，以一部份LED發光元件11對外做照明，以另一部份LED發光元件接11設一導光組件30，以導光組件30導光至反應物水溶液22，以提供微生物光合作用所需。
    其中本發明方法之一種較佳實施例，於反應槽21連接有一廢水供應手段40及一淨水收集手段41。當微生物對反應物水溶液22中之燃料催化一預定時間後，所產生之淨水經淨水收集手段41收集而排出該反應槽21外。廢水供應手段40則將外部燃料供應至反應槽21內。 伍．結論
    本發明結合微生物燃料電池與高功率LED而組成一自供電且自然循環的照明系統，藉由微生物的催化作用，而產生電力以供應LED發光所需電源，並由LED發光時所產生的光與熱供應微生物有效作用之所需，構成一個相當節能又有效率的系統。而且，反應物水溶液可使用廢水，對於廢水又有淨化作用。
    以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明除上述優點外，並深具產業之利用性，可有效改善習用所產生之缺失，而且所具體界定於請求項之特徵，未見於同類物品，故而具實用性與進步性，已符合發明專利要件。本發明承蒙國科會研究計畫經費補助，為確保研發成果應得之權益，爰依法具文提出申請，謹請　鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。
    10．．．燈座
    11．．．LED發光元件
    12．．．導熱件
    20．．．微生物燃料電池
    21．．．反應槽
    22．．．反應物水溶液
    23．．．交換膜
    30．．．導光組件
    40．．．廢水供應手段
    41．．．淨水收集手段
    圖1為本發明之照明系統第一種實施例示意圖；
    圖2為本發明之照明系統第一種實施例示意圖；
    圖3為本發明之照明系統第一種實施例示意圖；及
    圖4為本發明之照明方法的流程示意圖。
    10．．．燈座
    11．．．LED發光元件
    12．．．導熱件
    20．．．微生物燃料電池
    21．．．反應槽
    22．．．反應物水溶液
    23．．．交換膜
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] 一種具微生物燃料電池之高功率LED照明系統，其包括：至少一燈座；至少一LED發光元件，該LED發光元件裝置於該燈座上；至少一導熱件，其用以將該LED發光元件所產生的熱導離該LED發光元件；一微生物燃料電池，其包括有一反應槽，該反應槽內部填充有反應物水溶液，該反應物水溶液包括有一預定量微生物及作為燃料的一預定量之有機物質，該微生物對該燃料催化而使該微生物燃料電池產生電力，該電力用以供應該LED發光元件發光所需電源，該導熱件伸入該反應物水溶液，使該反應物水溶液吸收該導熱件熱量，一方面使該導熱件及該LED發光元件降溫，另方面提供該微生物所需熱量。
    [2] 如請求項1所述之具微生物燃料電池之高功率LED照明系統，其中，該至少一LED發光元件為複數個；一部份該LED發光元件對外做照明，另一部份該LED發光元件接設導光組件的一輸入端，該另一部份之LED發光元件所發出的光線由該輸入端進入該導光組件，再由該導光組件的一輸出端輸出而投射至該反應物水溶液，以提供該微生物光合作用所需。
    [3] 如請求項1所述之具微生物燃料電池之高功率LED照明系統，其中，該反應槽連接有一廢水供應手段及一淨水收集手段；當該微生物對該反應物水溶液催化一預定時間後，所產生之淨水經該淨水收集手段收集而排出該反應槽外；該廢水供應手段則將外部燃料供應至反應槽內。
    [4] 一種具微生物燃料電池之高功率LED照明方法，其包括以下步驟：(a)提供如請求項1所述之系統；(b)於該微生物燃料電池之該反應槽填充一預定量之該反應物水溶液；(c)以該微生物燃料電池之該微生物對該燃料催化而使該微生物燃料電池產生電力；(d)使該電力供應予該LED發光元件發光；(e)利用該至少一導熱件將該LED發光元件所產生的熱導離該LED發光元件；(f)利用該導熱件伸入該反應物水溶液，使該反應物水溶液吸收該導熱件自該LED發光元件導來的熱量，一方面使該導熱件及該LED發光元件降溫，另方面提供該微生物所需熱量；(g)當該微生物燃料電池之該反應物水溶液不足時，則回到步驟(b)，藉以使該微生物燃料電池持續地產生電力以供應該LED發光元件發光所需電源。
    [5] 如請求項4所述之具微生物燃料電池之高功率LED照明方法，其中，該至少一LED發光元件為複數個，以一部份該LED發光元件對外做照明，以另一部份該LED發光元件接設一導光組件，以該導光組件導光至該反應物水溶液，以提供該微生物光合作用所需。
    [6] 如請求項4所述之具微生物燃料電池之高功率LED照明方法，其中，該反應槽連接有一廢水供應手段及一淨水收集手段；當該微生物對該反應物水溶液催化一預定時間後，所產生之淨水經該淨水收集手段收集而排出該反應槽外；該廢水供應手段則將外部燃料供應至反應槽內。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    优先权:
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