聲音的本質(zhì)其實(shí)是一種波，而所有的波最終都是一種能量，更進(jìn)一步，這種能量可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。換句話說，所謂的發(fā)電機(jī)不就是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種手段嗎？例如，熱力發(fā)電機(jī)。大多數(shù)火力發(fā)電機(jī)實(shí)際上加熱水來產(chǎn)生蒸汽，并使用加壓蒸汽來驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。核發(fā)電也類似，利用核裂變產(chǎn)生的熱能來加熱水，利用加壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。風(fēng)能和水力發(fā)電本質(zhì)上是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。聲波可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以當(dāng)然也可以用來發(fā)電。

聲波發(fā)電

聲波發(fā)電具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，人類生活的世界到處都充滿了聲音，比如自然聲音、機(jī)械聲音。而且更重要的是，聲音沒有任何污染，這也是科學(xué)家們長期投入該領(lǐng)域研發(fā)的原因。目前，已經(jīng)開發(fā)出多種類型的將聲波轉(zhuǎn)換為電能的裝置，包括微霍爾茲壓電聲能發(fā)生器、流納米聲能發(fā)生器、聲學(xué)晶體諧振腔聲能發(fā)生系統(tǒng)、靜電型、電磁型等。之上。技巧和種類有很多，但沒有一個(gè)能解決兩個(gè)問題。首先是聲波的收集。這很容易理解：收集的聲波越多，獲得的電能就越多，但聲波不是集中傳播，而是擴(kuò)散傳播。從某種程度上來說，這實(shí)際上基本上是不可能的，或者說是非常有可能的。然后是聲學(xué)轉(zhuǎn)換的問題。

能量的轉(zhuǎn)換總是涉及消耗，而這種消耗在聲波轉(zhuǎn)換成電能的過程中特別大。因此，將聲波轉(zhuǎn)化為電能的裝置長期以來都集中在實(shí)驗(yàn)室，未能普及。美國在這項(xiàng)技術(shù)上保持領(lǐng)先地位。例如，2005年，美國一所州立大學(xué)開發(fā)出一種微霍爾茲聲發(fā)生器，可以將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音轉(zhuǎn)化為電能。 2006年，研制出世界上最小的發(fā)電機(jī)————自立式納米發(fā)電機(jī)。目前，美國宇航局NASA已經(jīng)開始向更高水平挑戰(zhàn)熱聲斯特林發(fā)生器，并且還申請(qǐng)了專利。 “我可以說他非常滿意。結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行的時(shí)候，中國科學(xué)家就研發(fā)出了這個(gè)裝置。更重要的是，他們能夠?qū)⑤敵龉β侍岣叩?00千瓦。實(shí)際發(fā)電量據(jù)說是這樣的�！边_(dá)到100 千瓦�！� 千瓦高。您可能知道，聲波產(chǎn)生的電力長期以來一直被用來點(diǎn)亮幾個(gè)小LED 燈泡或?yàn)槭謾C(jī)充電。但如果說真正能夠發(fā)電的話，目前應(yīng)該是中國科學(xué)家研發(fā)的熱聲斯特林發(fā)電機(jī)。

什么是熱聲斯特林發(fā)電機(jī)？熱聲斯特林發(fā)電機(jī)是在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與我們所熟知的發(fā)動(dòng)機(jī)不同。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)又稱熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種閉式循環(huán)活塞熱機(jī)。什么是閉環(huán)？歸根到底，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是利用氣體介質(zhì)的膨脹和壓縮來做功的。在封閉循環(huán)中，這些氣體的膨脹和壓縮過程可以被密封在密閉容器內(nèi)，使其成為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體。通常，我們看到的內(nèi)燃機(jī)都是開式循環(huán)的，在裝置運(yùn)行過程中需要與大氣進(jìn)行氣體交換。那么這款發(fā)動(dòng)機(jī)是如何工作的呢？大致的過程是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)通過氣體從熱源吸收熱量，氣體膨脹并推動(dòng)活塞做功，而冷源與活塞接觸時(shí)，氣體收縮并且活塞復(fù)位。發(fā)動(dòng)機(jī)就這樣來回移動(dòng)。具體地，以兩缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為例。

二缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)氣缸，通常一左一右，但有時(shí)一上一上。當(dāng)然原理是一樣的。作為一個(gè)例子，考慮一個(gè)左側(cè)和一個(gè)右側(cè)。首先，右側(cè)氣缸與熱源接觸，左側(cè)氣缸與冷源接觸。兩個(gè)氣缸不僅底端相連，而且頂部還有一個(gè)活塞，使得整個(gè)裝置完全密封。此時(shí)，氣體進(jìn)入右氣缸，但左氣缸內(nèi)沒有氣體，因此活塞向下運(yùn)動(dòng)，密封下方流道。當(dāng)氣體在右側(cè)氣缸中升溫并膨脹時(shí)，右側(cè)氣缸頂部的活塞開始上升。

氣體膨脹到極限，活塞也上升到極限，活塞開始下降，左缸活塞被迫上升，下通道打開，左缸活塞由上往上運(yùn)動(dòng)。開始。底部。由于右側(cè)活塞的作用和氣體的膨脹，氣體進(jìn)入左側(cè)的氣缸。一旦氣體完全進(jìn)入，右氣缸的活塞下降，流路再次關(guān)閉。由于左氣缸與冷氣源接觸，氣體溫度降低，體積減小，導(dǎo)致左氣缸中上推的活塞開始下降。然后氣體進(jìn)入熱源位于右側(cè)的氣缸，產(chǎn)生往復(fù)效應(yīng)。兩個(gè)活塞同步上下運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程沒有氣體釋放。

那么斯萊特林發(fā)動(dòng)機(jī)與更常見的內(nèi)燃機(jī)相比有什么優(yōu)勢(shì)呢？

世界上第一臺(tái)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)于1860 年推出，使用天然氣作為燃料，但效率僅為2%。 1862年提高到10%，1893年隨著四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，提高到27%。 100多年來，內(nèi)燃機(jī)的效率僅提高了40%，其余60%的能源都被浪費(fèi)了。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化率達(dá)到驚人的80%，效率徹底翻倍。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的所有損失都集中在工作氣體和用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的材料中。通過選擇吸熱和散熱效果較快的氣體，以及選擇潤滑性和導(dǎo)熱性優(yōu)良的材料，可以進(jìn)一步提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的效率可以進(jìn)一步提高。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)比內(nèi)燃機(jī)具有更簡單的結(jié)構(gòu)和更高的可靠性，從而導(dǎo)致更低的維護(hù)成本和更安靜的運(yùn)行。因此，我們采用轉(zhuǎn)換效率高、受外界環(huán)境影響較小的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)將聲音轉(zhuǎn)換為電能。憑借如此令人印象深刻的能力，NASA 于2020 年提出了計(jì)劃并申請(qǐng)了專利。該專利的目的是利用熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在太空安靜的環(huán)境中產(chǎn)生交流電。目前，或許是出于保密要求或者其他原因，這個(gè)計(jì)劃沒有任何進(jìn)展。不過，中國科學(xué)家已經(jīng)發(fā)表了研究成果，成品也已經(jīng)出爐。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與聲波發(fā)電的關(guān)系

也就是說，我們已經(jīng)了解了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。但現(xiàn)在問題來了，為什么我們看不到與聲波和聲音相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換，盡管我們已經(jīng)觀察了很長時(shí)間了？事實(shí)上，熱聲斯特林發(fā)生器將熱能轉(zhuǎn)換為聲能是一個(gè)過程。然后聲能被轉(zhuǎn)換回?zé)崮�。整個(gè)裝置通常由兩部分組成：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和直線電機(jī)。首先，熱源和冷源的交換使氣體膨脹做功，但在做功的過程中，氣體的來回運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生聲振動(dòng)。這種聲振動(dòng)是聲波形式的機(jī)械能。因此，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在該系統(tǒng)中的作用就是產(chǎn)生沖擊波。這種沖擊波振動(dòng)驅(qū)動(dòng)另一個(gè)部件——直線電機(jī)，使內(nèi)部動(dòng)力活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使永磁體阻擋磁場(chǎng)，最終輸出交流電。

熱聲發(fā)電的歷史

該系統(tǒng)是一種用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電的發(fā)電機(jī)，發(fā)展速度不是很快，于2004年推出，原產(chǎn)國是美國。采用不帶諧振管的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)，但結(jié)果僅是實(shí)驗(yàn)性的；熱電轉(zhuǎn)換效率為18%，獲得的功率僅為39瓦。 2007年，中國的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的線性發(fā)電機(jī)也取得了突破，但與美國不同的是，它采用的是行波，但卻擁有極其優(yōu)越的輸出功率，可達(dá)100瓦，這已經(jīng)是了不起的事情了。之后我們繼續(xù)努力，取得了450.9瓦的輸出，但熱聲效率轉(zhuǎn)換率不太好，只有20%多一點(diǎn)。最近開發(fā)的熱聲斯特林發(fā)電樣機(jī)已實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率超過35%、輸出功率超過100千瓦。其中，中國發(fā)電機(jī)發(fā)電量最大，是美國MTI發(fā)電機(jī)的三倍多。

新能源渠道。

目前，科學(xué)領(lǐng)域正在向新能源的發(fā)展展示各種方向，例如，在生物體中發(fā)現(xiàn)的摩擦電在科學(xué)家眼中就具有作為摩擦電裝置應(yīng)用的潛力。很多人一直認(rèn)為摩擦起電只能產(chǎn)生高電壓和小電流，在實(shí)際中并不適用。然而，科學(xué)家們決定不走尋常路，希望朝這個(gè)方向開發(fā)一種令人信服的裝置。于是在2023 年，出現(xiàn)了一種摩擦納米發(fā)電機(jī)。發(fā)明者是亨茨維爾阿拉巴馬大學(xué)的一名科學(xué)家。事實(shí)上，這種發(fā)電機(jī)在2012年就出現(xiàn)了，但當(dāng)時(shí)的概念并不是摩擦電，而是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的小型裝置。然而，摩擦力也可以被認(rèn)為是機(jī)械能的一種，后來被引入到這個(gè)領(lǐng)域。摩擦驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)于2023 年發(fā)明，可以通過行走、說話、振動(dòng)、汽車輪胎的旋轉(zhuǎn)，甚至風(fēng)吹和水流等方式移動(dòng)電荷來發(fā)電。只要兩個(gè)物體相互摩擦，它就可以用于多種用途。轉(zhuǎn)讓費(fèi)。它可以用作小型能量收集裝置，例如檢測(cè)人體健康狀況、佩戴外骨骼系統(tǒng)時(shí)收集能量、人體運(yùn)動(dòng)時(shí)收集能量等。目前，最大工作頻率為80 Hz。這種摩擦納米發(fā)電機(jī)預(yù)計(jì)將首次出現(xiàn)在月球上。