聲能發電技術是一種新型的發電技術，它可以通過換能器實現聲能到電能的轉換。聲能發電系統是聲能收集裝置和換能器兩部分組成，聲能收集裝置有許多不同形式，例如霍爾姆茲共鳴器對入射聲波進行收集和放大、利用聲學晶體共振腔將入射聲波駐留等；換能器是聲能發電裝置的核心部件，根據換能器的不同種類將聲能發電裝置主要分為壓電式、電磁式和靜電式三種形式，實現聲能到電能的轉換。
基本介紹
- 中文名：聲能發電
- 外文名：sound generation
- 類型：發電技術
- 分類：壓電式、電磁式和靜電式
- 領域：能源
- 學科：電氣工程
簡介,工作原理,壓電式,靜電式,電磁式,展望,
簡介
由於現代工業化社會對能源的需求越來越大，能源危機的問題也越來越引起人們的重視。人們把研究的目光集中在環境中可利用的潛在能源，包括太陽能、熱能、機械能、化學能、生物能和聲能的利用。
噪音污染對人們生活和健康有相當大的危害，且噪聲的來源非常廣泛，比較常見的噪聲源有機器噪聲、交通噪聲、風扇噪聲和排氣噪聲等。但噪聲也是一種具有相當能量值的潛在能源，例如噪聲達到160dB的噴氣式飛機，其聲功率約為10kW；噪聲達到140dB的大型鼓風機，其聲功率為100W，其他各種情況如汽車、音響等聲源產生的噪聲也具有很大的能量值。為了將這部分能量回收利用，可以採用聲能發電裝置，將環境中的聲能轉化為電能，這樣不僅可以有效地降低環境中的噪聲，保護環境，而且可以變噪聲污染為資源有效地加以利用。
工作原理
聲能發電系統是聲能收集裝置和換能器兩部分組成，聲能收集裝置有許多不同形式，例如霍爾姆茲共鳴器對入射聲波進行收集和放大、利用聲學晶體共振腔將入射聲波駐留等；換能器是聲能發電裝置的核心部件，根據換能器的不同種類將聲能發電裝置主要分為壓電式、電磁式和靜電式三種形式，實現聲能到電能的轉換。
壓電式聲能發電裝置採用壓電材料作為換能元件，入射聲波通過時引起壓電晶體產生形變，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷產生電動勢，即通過壓電效應實現聲能到電能的轉換；電磁式聲能發電裝置是以基於法拉第電磁感應法則的電磁式換能器為換能元件，主要由固定於磁路中的線圈和可振動的鐵磁性部件所組成，當一定頻率的聲波通過時會引起線圈或者鐵磁性部件的運動，線圈切割磁力線而產生交變的電流；靜電式聲能發電裝置採用靜電式換能器也稱電容式換能器為換能元件，由振膜和後極板組成可變電容，入射聲波作用到振膜上，振膜的振動引起可變電容的變化，從而將聲能轉換為電能。
壓電式
壓電材料有較好的機電禍介效應，以壓電材料為換能器的聲能發電系統一自處於主導地位，得到得到了較好的研究和發展。
1、微型霍爾姆茲壓電式聲能發電機
美國Florida州立大學的HorowitzS H等人於2005年研發了一種微型機電霍爾姆茲聲能發電機，將飛機引擎噪聲轉換為電能為電池系統充電，該電池系統驅動一個抑制飛機引擎噪音的無線活動聲襯。柔性的壓電復介振膜取代霍爾姆茲共鳴器的剛性背板，以霍爾姆茲共鳴器為聲壓放大器，精細加工的環形矽壓電復介振膜為換能元件，在霍爾姆茲共鳴器內產生一個共振系統，再由壓電效應將聲能轉換為電能，整介後被存儲在電池中。為進行測試實驗，系統連線一個平而波導管。聲源有一個BMS4590P的同軸壓縮驅動產生，採用雙感測器法測量輸入聲功，通過互換感測器來消除獨立感測器的校準誤差。實驗得到了系統的諧振頻率和處於諧振狀態時的最優電阻負載，即在149dB的聲壓級下，系統最大輸出電功密度達到0.34W/cm。在原有設計基礎上，提高加工工藝水平，潛在的輸出電功密度最高可以達到250W/cm。
在發動機管道內敷設聲襯是降低發動機噪聲輻射的主要途徑，而傳統的用於航空發動機短艙的微穿孔消聲聲襯都是進行被動噪聲控制。由於固定的結構使它們具有固定的共振頻率和聲學阻抗，限制了抑噪的頻寬。美國Florida州立大學的Kadirvel S等人嘗試解決此問題，於2006年設計和製作了一種自供能無線控制主動聲襯。該裝置包括一個具有壓電材料背板的可調諧的Helmholt共鳴器，用於修正聲學阻抗邊界條件及實現聲能到電能的轉換；一個聲能收集模組，作為系統的電源為無線接收器和模擬開關提供電功；一個電源電路將壓電換能器產生的交流電壓轉換為自流電壓。通過將FMHR與被動電分流網路禍介來調節共鳴器的聲阻抗。從一個被動的網路切換到另一個，相同的共鳴器實現了不同的阻抗邊界條件。無線接收器和模擬開關工作電壓為3.5V，需要6mW的電功率，利用產生的電能向他們供電。通過一個自供電無線控制主動聲襯外部的300MH發射機傳送指令修正主動聲襯的聲學阻抗。通過實驗驗證了自供電無線控制主動聲襯的構想是可行的。
2、流納米聲能發電機
在納米技術發展和供能裝置便捷小型化需求下，美國喬治亞理工學院教授土中林研究小組於2006年利用豎自結構7.0納米線，研發了將機械能轉化為電能的世界上最小的發電裝置—自立式納米發電機。在第一代自立式納米發電機基礎上，他們又於2007年研發了由超音波驅動的自流納米發電相上。發電機垂自排列的7.0納米線和7字形金屬電極板組成，在超音波驅動下由壓電半導體將機械能轉換為電能。
3、聲學晶體共振腔聲能發電系統
在傳遞光譜缺陷模式、有缺失的聲學晶體的聲波駐留特性的理論和實驗研究基礎上，台灣成功大學的liang-YuWu等人於2009年研發了一種新型聲學晶體共振腔聲能發電系統。系統由聲學晶體和壓電材料換能器組成。功率發生器連線揚聲器作為聲源，PMMA圓柱組成5×5的缺失聲學晶體，被固定在一個PMMA平板上，移除一根形成共振腔體，壓電換能器置於聲學晶體腔內進行能量轉換。實驗測出當入射聲波為4.2kHz負載為3.9k。時能產生最大輸出電能。即入射聲波頻率達到晶體的共振頻率時聲波被駐留在聲學晶體腔體內，壓電薄膜將之轉換為電能，且隨著腔體內聲壓增大壓電薄膜的電壓輸出也增大。選擇較大的壓電常數，將壓電薄膜的共振頻率、入射聲波的頻率和聲學晶體腔體的固有頻率設計為相同值時，能提高輸出電能。
靜電式
靜電式聲能發電技術由於於其需要極化電壓，一直未得到較大的發展，但隨著有源技術的發展，出現了一些新型的靜電式聲能發電系統，如下所示：
電磁式
自1831年法拉第發現電磁感應現象以來，電磁感應現象在電工、電子技術、電氣化、自動化方而得到了廣泛的套用，至1994年基於電磁感應定律出現了電磁式換能器，實現了其它能量形式和電能之間的轉化。由於其良好的性能近年來被越來越多的用於聲能發電裝置。
台灣大學的Tenghsienl.ai於2007年設計和製作了一種以聲波驅動的具有高電壓輸出特性的微型發電機，並對該電機的性能進行了模擬分析和實驗研究。由平面線圈、有支撐梁的懸掛板和一個永磁體組成。採用微細加工技術製造懸掛板和平而線圈，並集成了一個永磁體，最後通過粘接完成微型發電機的組裝。揚聲器發出的聲波作用於該微型發電機的電磁換能器時，便會產生電功，向電池供電或自接驅動攜帶型電子裝置。結果表明，尺寸為3mm×3mm微型發電機，在470Hz的聲波驅動頻率下，可獲得0.24mV最大感應電動勢。如果將相同的微型發電相L排列起來構成一個發電機矩陣，將會獲得更大的輸出電功率；根據特定的聲波驅動頻率來設計微型發電機，使發電相上的諧振頻率與聲波驅動頻率相對應，也將提高發電機的發電效率。
展望
基於聲電轉換的聲能發電裝置可以收集環境噪聲將之轉換為電能。利用這種裝置就可以將飛機引擎噪聲、工廠機械噪聲、公路汽車等發出的噪聲源源不斷的轉換為電能。在有些場介這種裝置可以取代電池或為電池充電，為低能耗的攜帶型微型感測器、微功率電器等微機械系統供電等，發展及套用前景非常廣闊。聲能發電裝置處於研究階段，其發電效率較低。影響發電系統性能的因素主要為:換能器聲電轉換效率限制了聲能發電裝置發電效率的提高；聲能發電裝置的集成化水平較低，小利於系統效率的提高；現有的加工工藝在一定程度上也影響發電效率。因此提高加工工藝，對系統單項參數和對系統整體最佳化，拓寬系統頻寬、大功率、低壓驅動、微型化、集成化是當前的發展方向。聲能發電技術作為一種新的發電技術將為可再生能源發電技術的創新和突破提供理論基礎和技術儲備。
