聲音的本質(zhì)其實是一種波，而所有的波最終都是一種能量，更進一步，這種能量可以轉(zhuǎn)化為機械能。換句話說，所謂的發(fā)電機不就是將機械能轉(zhuǎn)化為電能的一種手段嗎？例如，熱力發(fā)電機。大多數(shù)火力發(fā)電機實際上加熱水來產(chǎn)生蒸汽，并使用加壓蒸汽來驅(qū)動蒸汽輪機發(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)動汽輪機發(fā)電。風(fēng)能和水力發(fā)電本質(zhì)上是將機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。聲波可以轉(zhuǎn)化為機械能，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。首先，人類生活的世界到處都充滿了聲音，比如自然聲音、機械聲音。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，但沒有一個能解決兩個問題。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，而是擴散傳播。從某種程度上來說，這實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驗室，未能普及。美國在這項技術(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，可以將飛機發(fā)動機的聲音轉(zhuǎn)化為電能。 2006年，研制出世界上最小的發(fā)電機————自立式納米發(fā)電機。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，并且還申請了專利。 “我可以說他非常滿意。結(jié)果，在實驗還在進行的時候，中國科學(xué)家就研發(fā)出了這個裝置。更重要的是，他們能夠?qū)⑤敵龉β侍岣叩?00千瓦。實際發(fā)電量據(jù)說是這樣的�！边_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亮幾個小LED 燈泡或為手機充電。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。

什么是熱聲斯特林發(fā)電機？熱聲斯特林發(fā)電機是在斯特林發(fā)動機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與我們所熟知的發(fā)動機不同。斯特林發(fā)動機又稱熱空氣發(fā)動機，是一種閉式循環(huán)活塞熱機。什么是閉環(huán)？歸根到底，活塞發(fā)動機是利用氣體介質(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)，使其成為一個獨立的實體。通常，我們看到的內(nèi)燃機都是開式循環(huán)的，在裝置運行過程中需要與大氣進行氣體交換。那么這款發(fā)動機是如何工作的呢？大致的過程是斯特林發(fā)動機通過氣體從熱源吸收熱量，氣體膨脹并推動活塞做功，而冷源與活塞接觸時，氣體收縮并且活塞復(fù)位。發(fā)動機就這樣來回移動。具體地，以兩缸斯特林發(fā)動機為例。

二缸斯特林發(fā)動機有兩個氣缸，通常一左一右，但有時一上一上。當(dāng)然原理是一樣的。作為一個例子，考慮一個左側(cè)和一個右側(cè)。首先，右側(cè)氣缸與熱源接觸，左側(cè)氣缸與冷源接觸。兩個氣缸不僅底端相連，而且頂部還有一個活塞，使得整個裝置完全密封。此時，氣體進入右氣缸，但左氣缸內(nèi)沒有氣體，因此活塞向下運動，密封下方流道。當(dāng)氣體在右側(cè)氣缸中升溫并膨脹時，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動。開始。底部。由于右側(cè)活塞的作用和氣體的膨脹，氣體進入左側(cè)的氣缸。一旦氣體完全進入，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。然后氣體進入熱源位于右側(cè)的氣缸，產(chǎn)生往復(fù)效應(yīng)。兩個活塞同步上下運動，整個過程沒有氣體釋放。

那么斯萊特林發(fā)動機與更常見的內(nèi)燃機相比有什么優(yōu)勢呢？

世界上第一臺燃氣發(fā)動機于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)動機的出現(xiàn)，提高到27%。 100多年來，內(nèi)燃機的效率僅提高了40%，其余60%的能源都被浪費了。斯特林發(fā)動機的能量轉(zhuǎn)化率達到驚人的80%，效率徹底翻倍。斯特林發(fā)動機的所有損失都集中在工作氣體和用于制造發(fā)動機的材料中。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，可以進一步提高斯特林發(fā)動機的轉(zhuǎn)換效率。

斯特林發(fā)動機的效率可以進一步提高。斯特林發(fā)動機比內(nèi)燃機具有更簡單的結(jié)構(gòu)和更高的可靠性，從而導(dǎo)致更低的維護成本和更安靜的運行。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)動機將聲音轉(zhuǎn)換為電能。憑借如此令人印象深刻的能力，NASA 于2020 年提出了計劃并申請了專利。該專利的目的是利用熱聲斯特林發(fā)動機在太空安靜的環(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，這個計劃沒有任何進展。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)動機與聲波發(fā)電的關(guān)系

也就是說，我們已經(jīng)了解了斯特林發(fā)動機的工作原理。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)觀察了很長時間了？事實上，熱聲斯特林發(fā)生器將熱能轉(zhuǎn)換為聲能是一個過程。然后聲能被轉(zhuǎn)換回?zé)崮�。整個裝置通常由兩部分組成：斯特林發(fā)動機和直線電機。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，氣體的來回運動產(chǎn)生聲振動。這種聲振動是聲波形式的機械能。因此，斯特林發(fā)動機在該系統(tǒng)中的作用就是產(chǎn)生沖擊波。這種沖擊波振動驅(qū)動另一個部件——直線電機，使內(nèi)部動力活塞往復(fù)運動，使永磁體阻擋磁場，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)動機發(fā)電的發(fā)電機，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)動機來驅(qū)動直線電機，但結(jié)果僅是實驗性的；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)動機驅(qū)動的線性發(fā)電機也取得了突破，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。最近開發(fā)的熱聲斯特林發(fā)電樣機已實現(xiàn)發(fā)電效率超過35%、輸出功率超過100千瓦。其中，中國發(fā)電機發(fā)電量最大，是美國MTI發(fā)電機的三倍多。

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。很多人一直認為摩擦起電只能產(chǎn)生高電壓和小電流，在實際中并不適用。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。發(fā)明者是亨茨維爾阿拉巴馬大學(xué)的一名科學(xué)家。事實上，這種發(fā)電機在2012年就出現(xiàn)了，但當(dāng)時的概念并不是摩擦電，而是一種將機械能轉(zhuǎn)化為電能的小型裝置。然而，摩擦力也可以被認為是機械能的一種，后來被引入到這個領(lǐng)域。摩擦驅(qū)動的納米發(fā)電機于2023 年發(fā)明，可以通過行走、說話、振動、汽車輪胎的旋轉(zhuǎn)，甚至風(fēng)吹和水流等方式移動電荷來發(fā)電。只要兩個物體相互摩擦，它就可以用于多種用途。轉(zhuǎn)讓費。它可以用作小型能量收集裝置，例如檢測人體健康狀況、佩戴外骨骼系統(tǒng)時收集能量、人體運動時收集能量等。目前，最大工作頻率為80 Hz。這種摩擦納米發(fā)電機預(yù)計將首次出現(xiàn)在月球上。