聲能發(fā)電工作原理

聲能發(fā)電系統(tǒng)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(duì)入射聲波進(jìn)行收集和放大、利用聲學(xué)晶體共振腔將入射聲波駐留等；換能器是聲能發(fā)電裝置的核心部件，根據(jù)換能器的小同種類將聲能發(fā)電裝置主要分為壓電式、電磁式和靜電式三種形式，實(shí)現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)換。

壓電式聲能發(fā)電裝置采用壓電材料作為換能元件，入射聲波通過時(shí)引起壓電晶體產(chǎn)生形變，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即通過壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)換；電磁式聲能發(fā)電裝置是以基于法拉第電磁感應(yīng)法則的電磁式換能器為換能元件，主要由固定于磁路中的線圈和可振動(dòng)的鐵磁性部件所組成，當(dāng)一定頻率的聲波通過時(shí)會(huì)引起線圈或者鐵磁性部件的運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁力線而產(chǎn)生交變的電流；靜電式聲能發(fā)電裝置采用靜電式換能器也稱電容式換能器為換能元件，由振膜和后極板組成可變電容，入射聲波作用到振膜上，振膜的振動(dòng)引起可變電容的變化，從而將聲能轉(zhuǎn)換為電能。

由于現(xiàn)代工業(yè)化社會(huì)對(duì)能源的需求越來越大，能源危機(jī)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(huán)境中可利用的潛在能源，包括太陽能、熱能、機(jī)械能、化學(xué)能、生物能和聲能的利用 。

噪音污染對(duì)人們生活和健康有相當(dāng)大的危害，且噪聲的來源非常廣泛，比較常見的噪聲源有機(jī)器噪聲、交通噪聲、風(fēng)扇噪聲和排氣噪聲等。但噪聲也是一種具有相當(dāng)能量值的潛在能源，例如噪聲達(dá)到160dB的噴氣式飛機(jī)，其聲功率約為10kW；噪聲達(dá)到140dB的大型鼓風(fēng)機(jī)，其聲功率為100W，其他各種情況如汽車、音響等聲源產(chǎn)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，可以采用聲能發(fā)電裝置，將環(huán)境中的聲能轉(zhuǎn)化為電能，這樣不僅可以有效地降低環(huán)境中的噪聲，保護(hù)環(huán)境，而且可以變?cè)肼曃廴緸橘Y源有效地加以利用 。

壓電材料有較好的機(jī)電禍介效應(yīng)，以壓電材料為換能器的聲能發(fā)電系統(tǒng)一自處于主導(dǎo)地位，得到得到了較好的研究和發(fā)展。

1、微型霍爾姆茲壓電式聲能發(fā)電機(jī)

美國(guó)Florida州立大學(xué)的HorowitzS H等人于2005年研發(fā)了一種微型機(jī)電霍爾姆茲聲能發(fā)電機(jī)，將飛機(jī)引擎噪聲轉(zhuǎn)換為電能為電池系統(tǒng)充電，該電池系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)抑制飛機(jī)引擎噪音的無線活動(dòng)聲襯。柔性的壓電復(fù)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(xì)加工的環(huán)形硅壓電復(fù)介振膜為換能元件，在霍爾姆茲共鳴器內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)共振系統(tǒng)，再由壓電效應(yīng)將聲能轉(zhuǎn)換為電能，整介后被存儲(chǔ)在電池中。為進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)連接一個(gè)平而波導(dǎo)管。聲源有一個(gè)BMS4590P的同軸壓縮驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生，采用雙傳感器法測(cè)量輸入聲功，通過互換傳感器來消除獨(dú)立傳感器的校準(zhǔn)誤差。實(shí)驗(yàn)得到了系統(tǒng)的諧振頻率和處于諧振狀態(tài)時(shí)的最優(yōu)電阻負(fù)載，即在149dB的聲壓級(jí)下，系統(tǒng)最大輸出電功密度達(dá)到0.34W/cm²。在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提高加工工藝水平，潛在的輸出電功密度最高可以達(dá)到250W/cm²。

在發(fā)動(dòng)機(jī)管道內(nèi)敷設(shè)聲襯是降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射的主要途徑，而傳統(tǒng)的用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的微穿孔消聲聲襯都是進(jìn)行被動(dòng)噪聲控制。由于固定的結(jié)構(gòu)使它們具有固定的共振頻率和聲學(xué)阻抗，限制了抑噪的帶寬。美國(guó)Florida州立大學(xué)的Kadirvel S等人嘗試解決此問題，于2006年設(shè)計(jì)和制作了一種自供能無線控制主動(dòng)聲襯。該裝置包括一個(gè)具有壓電材料背板的可調(diào)諧的Helmholt共鳴器，用于修正聲學(xué)阻抗邊界條件及實(shí)現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)換；一個(gè)聲能收集模塊，作為系統(tǒng)的電源為無線接收器和模擬開關(guān)提供電功；一個(gè)電源電路將壓電換能器產(chǎn)生的交流電壓轉(zhuǎn)換為自流電壓。通過將FMHR與被動(dòng)電分流網(wǎng)絡(luò)禍介來調(diào)節(jié)共鳴器的聲阻抗。從一個(gè)被動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)切換到另一個(gè)，相同的共鳴器實(shí)現(xiàn)了不同的阻抗邊界條件。無線接收器和模擬開關(guān)工作電壓為3.5V，需要6mW的電功率，利用產(chǎn)生的電能向他們供電。通過一個(gè)自供電無線控制主動(dòng)聲襯外部的300MH發(fā)射機(jī)發(fā)送指令修正主動(dòng)聲襯的聲學(xué)阻抗。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自供電無線控制主動(dòng)聲襯的設(shè)想是可行的 。

2、流納米聲能發(fā)電機(jī)

在納米技術(shù)發(fā)展和供能裝置便捷小型化需求下，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授土中林研究小組于2006年利用豎自結(jié)構(gòu)7.0納米線，研發(fā)了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的世界上最小的發(fā)電裝置—自立式納米發(fā)電機(jī)。在第一代自立式納米發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上，他們又于2007年研發(fā)了由超聲波驅(qū)動(dòng)的自流納米發(fā)電相上。發(fā)電機(jī)垂自排列的7.0納米線和7字形金屬電極板組成，在超聲波驅(qū)動(dòng)下由壓電半導(dǎo)體將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

3、聲學(xué)晶體共振腔聲能發(fā)電系統(tǒng)

在傳遞光譜缺陷模式、有缺失的聲學(xué)晶體的聲波駐留特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，臺(tái)灣成功大學(xué)的liang-YuWu等人于2009年研發(fā)了一種新型聲學(xué)晶體共振腔聲能發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)由聲學(xué)晶體和壓電材料換能器組成。功率發(fā)生器連接揚(yáng)聲器作為聲源，PMMA圓柱組成5×5的缺失聲學(xué)晶體，被固定在一個(gè)PMMA平板上，移除一根形成共振腔體，壓電換能器置于聲學(xué)晶體腔內(nèi)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)測(cè)出當(dāng)入射聲波為4.2kHz負(fù)載為3.9k。時(shí)能產(chǎn)生最大輸出電能。即入射聲波頻率達(dá)到晶體的共振頻率時(shí)聲波被駐留在聲學(xué)晶體腔體內(nèi)，壓電薄膜將之轉(zhuǎn)換為電能，且隨著腔體內(nèi)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(shù)，將壓電薄膜的共振頻率、入射聲波的頻率和聲學(xué)晶體腔體的固有頻率設(shè)計(jì)為相同值時(shí)，能提高輸出電能。

靜電式聲能發(fā)電技術(shù)由于于其需要極化電壓，一直未得到較大的發(fā)展，但隨著有源技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的靜電式聲能發(fā)電系統(tǒng)，如下所示：

自1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象以來，電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工、電子技術(shù)、電氣化、自動(dòng)化方而得到了廣泛的應(yīng)用，至1994年基于電磁感應(yīng)定律出現(xiàn)了電磁式換能器，實(shí)現(xiàn)了其它能量形式和電能之間的轉(zhuǎn)化。由于其良好的性能近年來被越來越多的用于聲能發(fā)電裝置。

臺(tái)灣大學(xué)的Tenghsienl.ai于2007年設(shè)計(jì)和制作了一種以聲波驅(qū)動(dòng)的具有高電壓輸出特性的微型發(fā)電機(jī)，并對(duì)該電機(jī)的性能進(jìn)行了模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究。由平面線圈、有支撐梁的懸掛板和一個(gè)永磁體組成。采用微細(xì)加工技術(shù)制造懸掛板和平而線圈，并集成了一個(gè)永磁體，最后通過粘接完成微型發(fā)電機(jī)的組裝。揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波作用于該微型發(fā)電機(jī)的電磁換能器時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生電功，向電池供電或自接驅(qū)動(dòng)便攜式電子裝置。結(jié)果表明，尺寸為3mm×3mm微型發(fā)電機(jī)，在470Hz的聲波驅(qū)動(dòng)頻率下，可獲得0.24mV最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果將相同的微型發(fā)電相L排列起來構(gòu)成一個(gè)發(fā)電機(jī)矩陣，將會(huì)獲得更大的輸出電功率；根據(jù)特定的聲波驅(qū)動(dòng)頻率來設(shè)計(jì)微型發(fā)電機(jī)，使發(fā)電相上的諧振頻率與聲波驅(qū)動(dòng)頻率相對(duì)應(yīng)，也將提高發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。

基于聲電轉(zhuǎn)換的聲能發(fā)電裝置可以收集環(huán)境噪聲將之轉(zhuǎn)換為電能。利用這種裝置就可以將飛機(jī)引擎噪聲、工廠機(jī)械噪聲、公路汽車等發(fā)出的噪聲源源小斷的轉(zhuǎn)換為電能。在有些場(chǎng)介這種裝置可以取代電池或?yàn)殡姵爻潆姡瑸榈湍芎牡谋銛y式微型傳感器、微功率電器等微機(jī)械系統(tǒng)供電等，發(fā)展及應(yīng)用前景非常廣闊。聲能發(fā)電裝置處于研究階段，其發(fā)電效率較低。影響發(fā)電系統(tǒng)性能的因素主要為:換能器聲電轉(zhuǎn)換效率限制了聲能發(fā)電裝置發(fā)電效率的提高；聲能發(fā)電裝置的集成化水平較低，小利于系統(tǒng)效率的提高；現(xiàn)有的加工工藝在一定程度上也影響發(fā)電效率。因此提高加工工藝，對(duì)系統(tǒng)單項(xiàng)參數(shù)和對(duì)系統(tǒng)整體優(yōu)化，拓寬系統(tǒng)帶寬、大功率、低壓驅(qū)動(dòng)、微型化、集成化是當(dāng)前的發(fā)展方向。聲能發(fā)電技術(shù)作為一種新的發(fā)電技術(shù)將為可再生能源發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新和突破提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備。2100433B

潮汐電站可以是單水庫或雙水庫。單水庫潮汐電站只筑一道堤壩和一個(gè)水庫，雙水庫潮汐電站建有兩個(gè)相鄰的水庫。

潮汐發(fā)電單庫單向電站

即只用一個(gè)水庫，僅在漲潮（或落潮）時(shí)發(fā)電，因此又稱為單水庫單程式潮汐電站。我國(guó)浙江省溫嶺市沙山潮汐電站就是這種類型。

潮汐發(fā)電單庫雙向電站

用一個(gè)水庫，但是漲潮與落潮時(shí)均可發(fā)電，只是在水庫內(nèi)外水位相同的平潮時(shí)不能發(fā)電，這種電站稱之為單水庫雙程式潮汐電站，它大大提高了潮汐能的利用率。 廣東省東莞市的鎮(zhèn)口潮汐電站及浙江省溫嶺市江廈潮汐電站，就是這種型式。

潮汐發(fā)電雙庫雙向電站

為了使潮汐電站能夠全日連續(xù)發(fā)電就必須采用雙水庫的潮汐電站。它是用二個(gè)相鄰的水庫，使一個(gè)水庫在漲潮時(shí)進(jìn)水，另一個(gè)水庫在落潮時(shí)放水，這樣前一個(gè)水庫的水位總比后一個(gè)水庫的水位高，故前者稱為上水庫（高水位庫），后者稱為下水庫（低水位庫）。水輪發(fā)電機(jī)組放在兩水庫之間的隔壩內(nèi)，兩水庫始終保持著水位差，故可以全天發(fā)電。

生物質(zhì)發(fā)電直接燃燒發(fā)電

直接燃燒發(fā)電是將生物質(zhì)在鍋爐中直接燃燒，生產(chǎn)蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)發(fā)電。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)包括生物質(zhì)原料預(yù)處理、鍋爐防腐、鍋爐的原料適用性及燃料效率、蒸汽輪機(jī)效率等技術(shù)。

生物質(zhì)發(fā)電混合發(fā)電

生物質(zhì)還可以與煤混合作為燃料發(fā)電，稱為生物質(zhì)混合燃燒發(fā)電技術(shù)?；旌先紵绞街饕袃煞N。一種是生物質(zhì)直接與煤混合后投入燃燒，該方式對(duì)于燃料處理和燃燒設(shè)備要求較高，不是所有燃煤發(fā)電廠都能采用；一種是生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的燃?xì)馀c煤混合燃燒，這種混合燃燒系統(tǒng)中燃燒，產(chǎn)生的蒸汽一同送入汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。

生物質(zhì)發(fā)電氣化發(fā)電

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是指生物質(zhì)在氣化爐中轉(zhuǎn)化為氣體燃料，經(jīng)凈化后直接進(jìn)入燃?xì)鈾C(jī)中燃燒發(fā)電或者直接進(jìn)入燃料電池發(fā)電。氣化發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一是燃?xì)鈨艋?，氣化出來的燃?xì)舛己幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證發(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行。

生物質(zhì)發(fā)電沼氣發(fā)電

沼氣發(fā)電是隨著沼氣綜合利用技術(shù)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，其主要原理是利用工農(nóng)業(yè)或城鎮(zhèn)生活中的大量有機(jī)廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。用于沼氣發(fā)電的設(shè)備主要為內(nèi)燃機(jī)，一般由柴油機(jī)組或者天然氣機(jī)組改造而成。

生物質(zhì)發(fā)電垃圾發(fā)電

垃圾發(fā)電包括垃圾焚燒發(fā)電和垃圾氣化發(fā)電，其不僅可以解決垃圾處理的問題，同時(shí)還可以回收利用垃圾中的能量，節(jié)約資源，垃圾焚燒發(fā)電是利用垃圾在焚燒鍋爐中燃燒放出的熱量將水加熱獲得過熱蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。垃圾焚燒技術(shù)主要有層狀燃燒技術(shù)、流化床燃燒技術(shù)、旋轉(zhuǎn)燃燒技術(shù)等。發(fā)展起來的氣化熔融焚燒技術(shù)，包括垃圾在450°~640°溫度下的氣化和含碳灰渣在1300℃以上的熔融燃燒兩個(gè)過程，垃圾處理徹底，過程潔凈，并可以回收部分資源，被認(rèn)為是最具有前景的垃圾發(fā)電技術(shù)。

生物質(zhì)發(fā)電有待扶持

國(guó)家在生物質(zhì)能發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)上給予了扶持，每千瓦時(shí)電價(jià)比火電高兩角錢左右，但是，我國(guó)的扶植力度與歐美國(guó)家比還是有差距。歐洲一些國(guó)家除了電價(jià)，在稅收上的扶持力度更大。歐洲一些電廠之所以經(jīng)營(yíng)得好，有很重要的一條，人家的原料不僅不付錢，而且由于秸稈是按照垃圾處理，還要征收垃圾處理費(fèi)，因此可以良性發(fā)展。我國(guó)與國(guó)外情況不同，一方面要通過發(fā)電避免農(nóng)民焚燒秸稈引起污染等社會(huì)問題，一方面又要通過發(fā)電扶助農(nóng)民?；谝陨蟽牲c(diǎn)，不僅秸稈收購價(jià)格不能過低，而且隨著此類項(xiàng)目的增多，收購價(jià)格還在上升。如國(guó)家在確定生物質(zhì)能發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼時(shí)，秸稈每噸價(jià)格被定在100元左右，而秸稈實(shí)際收購價(jià)格已達(dá)200—300元/噸，如此高的原料成本增加了企業(yè)成本預(yù)算，以山東秸稈發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)為例，實(shí)際成本在0.65元/千瓦時(shí)左右，脫硫標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)(0.344元/千瓦時(shí))加上政府補(bǔ)貼電價(jià)(0.25元/千瓦時(shí))，總計(jì)為0.594元/千瓦時(shí)，虧損顯而易見。虧損的狀態(tài)迫使部分生物質(zhì)能企業(yè)停產(chǎn)，因此國(guó)家在稅收等政策上進(jìn)一步加大扶持力度就顯得非常重要。

此外，在生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目布局上國(guó)家也應(yīng)該更科學(xué)規(guī)劃，有序建設(shè)，避免一哄而上。如果布局太密集，勢(shì)必會(huì)加大秸稈的收購和運(yùn)輸半徑，而且還會(huì)導(dǎo)致原料價(jià)格上升，企業(yè)的效益就會(huì)受到更大的影響。