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作品內(nèi)容簡介
針對(duì)在遠(yuǎn)距離氣體輸送管道、地下輸氣管道等場合中監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)供電困難、后期維護(hù) 成本高等問題，我們提出了利用管道風(fēng)（時(shí)均流）進(jìn)行發(fā)電，為相應(yīng)場合中的監(jiān)測及照明等 系統(tǒng)提供持續(xù)而穩(wěn)定的電源。在理論學(xué)習(xí)和文獻(xiàn)閱讀的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套基于風(fēng) 壓變換和壓電效應(yīng)的風(fēng)能收集器。設(shè)計(jì)的基本思路是，通過特殊的聲學(xué)部件將管道風(fēng)變換為 駐波聲場，再利用壓電振子將聲能轉(zhuǎn)換為電能，最后收集利用。
作品的設(shè)計(jì)包括四部分：1.風(fēng)壓變換裝置：時(shí)均流在驅(qū)動(dòng)管和諧振管組成的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生 駐波聲場；2.材料形狀及夾持方式：采用四塊 1/4 圓壓電振子，以懸臂結(jié)構(gòu)固定于法蘭上；3.材 料制備：采用磁控濺射方式在襯底上鍍 ZnO 壓電薄膜；4.電能轉(zhuǎn)換及收集電路：四塊壓電振 子串聯(lián)輸出交變電壓，經(jīng)升壓整流后，給電容充電。
本作品與風(fēng)車不同，是一種無運(yùn)動(dòng)部件的裝置，不易磨損，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單系統(tǒng)卻很完善， 因而在使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。除此之外，材料方面，我們采用了 ZnO 作 為壓電材料，與 PZT 相比，更加環(huán)保且節(jié)約成本；電路方面，在傳統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上加裝了 變壓器以及 ICL7663CPA 穩(wěn)壓芯片，使電路穩(wěn)定地輸出較大的電壓值。
本作品的技術(shù)關(guān)鍵在于通過對(duì)風(fēng)壓變換裝置、壓電振子形狀及加持方式、材料制備方案 以及電路等四個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高最終的輸出電壓，保證相關(guān)器件的正常運(yùn)作，主要的 技術(shù)指標(biāo)即輸出的電壓值。
1. 研制背景及意義
能源是一個(gè)國家發(fā)展的基本保障，當(dāng)今世界，以煤炭、石油為主要燃料的國家，已面臨 嚴(yán)重的環(huán)境污染，加上化石燃料儲(chǔ)量減少的雙重危機(jī)，開發(fā)利用新能源已經(jīng)成為世界能源可 持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，而風(fēng)能又是新能源中最具開發(fā)潛力的一種能源。2009 年中 國的新增風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)占到世界第一，到 2020 年我國風(fēng)力發(fā)電能力按計(jì)劃將達(dá)到 1.5 億千 瓦，而我國總體風(fēng)力發(fā)電潛力為 10 億千瓦，風(fēng)力發(fā)電對(duì)于我國政府減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重 要意義[1]。
傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式，主要采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，利用風(fēng) 力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)速度提升，從而使發(fā)電機(jī)發(fā)電。但是風(fēng)車發(fā)電成 本高，占空間大，不適用于管道、隧道中的風(fēng)能收集和利用。如果能有一套裝置，可以有效 利用管道風(fēng)進(jìn)行發(fā)電并支持一些系統(tǒng)的正常工作，同時(shí)具有很長的使用壽命節(jié)約維護(hù)成本的 話，不失為一件好事。
以天然氣管道為例，在現(xiàn)有的天然氣遠(yuǎn)距離輸送過程中，每 20 至 30 公里設(shè)置一個(gè)加壓 站，調(diào)整因管道沿程損失等引起的壓力損失，但在這之間卻沒有配套的監(jiān)測系統(tǒng)，其中一個(gè) 重要原因就是缺少一種可靠的適應(yīng)性強(qiáng)的供電系統(tǒng)，若采用電網(wǎng)拉電、蓄電池供電等方式， 則存在維護(hù)困難且成本高等問題。同樣的，在地下或深海管道中，電源的獲取也很困難，比 如在油氣勘測中，地下鉆井往往深達(dá) 1000 到 2000 米，此時(shí)深埋地下的監(jiān)測系統(tǒng)既無法利用
太陽能獲得發(fā)電，又無法保證從地面引入的輸電線電力輸送的可靠性，因此深井中的監(jiān)測成 了一個(gè)難題。由此可見，在荒郊野外、地下、深海等特殊的自然環(huán)境條件下，較難從外界直 接獲取電能，因而流體自身攜帶的能量顯得極為可貴，成為獲取電能的重要來源。而在暖通 空調(diào)中，風(fēng)道的測量和自動(dòng)控制系統(tǒng)的電源都從居民電網(wǎng)中引出，引線復(fù)雜且不方便，在一 定程度上可以用一個(gè)獨(dú)立的電源支持相應(yīng)系統(tǒng)的工作。
天然氣管道、地下或深海管道、空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道有一個(gè)共同點(diǎn)：管道風(fēng)。因此我們想提出 一個(gè)裝置，可以利用管道風(fēng)的小部分能量，實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定供給。基于風(fēng)壓變換和壓電效應(yīng) 的風(fēng)能收集器就是在這樣的應(yīng)用前提下產(chǎn)生的。
本研究項(xiàng)目意在提出一種新型的風(fēng)能利用方式，通過聲學(xué)部件將時(shí)均流變換為振蕩的聲 場，在聲場的作用下，再利用壓電材料將聲能轉(zhuǎn)換為電能，收集后可用于照明、監(jiān)測等。這 種風(fēng)能利用方式適用范圍廣，可以有效解決遠(yuǎn)距離、難以提供外部電源的管道監(jiān)測系統(tǒng)的供 電問題。
2. 設(shè)計(jì)方案
基于風(fēng)壓變換和壓電效應(yīng)的風(fēng)能收集器的設(shè)計(jì)主要由四部分組成，分別是風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置 的設(shè)計(jì)、材料的形狀及夾持方式的設(shè)計(jì)、材料制備方案的設(shè)計(jì)以及電能轉(zhuǎn)換及收集電路的設(shè) 計(jì)。四部分設(shè)計(jì)相互關(guān)聯(lián)缺一不可，一起組成了整個(gè)風(fēng)能收集器。
2.1 風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)
時(shí)均流激聲發(fā)動(dòng)機(jī)（Meantime Flow Acoustic Engine，簡稱 MFAE）裝置如圖 3 所示。 由風(fēng)機(jī)模擬具有單流向性的空氣流體，在一系列整流裝置后在十字型管的支管即諧振管處產(chǎn) 生穩(wěn)定的聲場，其能量轉(zhuǎn)換原理將在系統(tǒng)工作原理中做更詳細(xì)的說明。諧振管中的交變聲場 形成交變的壓力為壓電材料提供了激勵(lì)能源，從而使得壓電振子發(fā)電。風(fēng)壓轉(zhuǎn)換裝置實(shí)物圖 如圖2所示。
圖 3 時(shí)均流激聲發(fā)動(dòng)機(jī)（MFAE）裝置簡圖
2.2 材料形狀及夾持方式的設(shè)計(jì)
通過查閱文獻(xiàn)得到：在相同條件下，三角形壓電振子能有效改善表面應(yīng)變分布，產(chǎn)生的 電壓最大，梯形次之、矩形最小。常用的夾持方式有懸臂梁和兩端剛性夾持，在受力條件相 同時(shí)使用懸臂梁夾持方式的壓電振子形變大，從而發(fā)電量大。結(jié)合上述兩點(diǎn)，決定使用以下 方案：把四個(gè) 1/4 圓形壓電振子的圓弧邊用螺釘固定于夾持板上，用螺栓把夾持板與十字型 諧振管端部密封連接。圖 4 為夾持裝置簡圖；夾持裝置中的四個(gè)圓孔為與支管連接的螺栓孔， 壓電振子底部的小孔為電極導(dǎo)線引出孔[2]。夾持實(shí)物圖如圖 5 所示。
2.3 材料制備方案的設(shè)計(jì)
在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，我們采用采用了磁控濺射的方式進(jìn)行制備 ZnO 壓電薄膜。磁控濺 射是指荷能粒子轟擊固體靶表面，使固體原子或分子從表面射出的現(xiàn)象[3]。壓電材料襯底通 常采用單晶硅，但是單晶硅脆性大，容易碎裂，本作品中聲場提供的壓力振幅值可達(dá)到
15KPa，單晶硅有斷裂的可能性。故而我們提出使用金屬銅、鋁、鐵等材料作為襯底，以上 金屬材料具有良好的導(dǎo)電性，材料強(qiáng)度也可以負(fù)荷管道中的壓力場強(qiáng)度；但是在文獻(xiàn)查閱過 程中，基本上沒有找到直接使用金屬材料作為襯底的例子。
本作品中壓電振子是以金屬銅為襯底，在其一面鍍 ZnO 薄膜制成的。用銅為襯底是因?yàn)?銅具有較好的韌性、合適的硬度和良好的導(dǎo)電性。好的韌性和硬度保證了在較大的駐波聲場 的沖擊作用下，壓電振子能產(chǎn)生相對(duì)較大的形變量，且韌性優(yōu)越，在一定程度上防止了壓電 材料的受損；良好的導(dǎo)電性有利于了電能的輸出。
壓電振子的發(fā)電性能還與襯底厚度有關(guān)。銅金屬襯底的厚度越小，懸臂壓電陶瓷-金屬 層疊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電荷性能會(huì)增強(qiáng)[4]，因而最終采用 1mm 左右厚的銅片。與單晶硅相比，這 種設(shè)計(jì)不僅滿足了承壓要求，還大大降低了成本，將成為本作品的一大突破。在壓電材料方 面，技術(shù)較為成熟且普遍使用的是壓電陶瓷（PZT），
而本作品中采用 ZnO 材料，目前主要運(yùn)用于光學(xué)和聲 學(xué)傳感器等方面，很少用于發(fā)電，從這個(gè)層面上講也 可以說是一種嘗試。其次，ZnO 是一種新型的 II-IV 族 寬帶直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，制備的價(jià)格較為低 廉，而且具有很高的熔點(diǎn)和激子束縛能以及良好的機(jī) 電耦合性和較低的電子誘生缺陷。此外，ZnO 薄膜的 外延生長溫度較低，有利于降低設(shè)備的成本，抑制固 相外擴(kuò)散，提高薄膜的質(zhì)量，同時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)摻雜[5]。 實(shí)驗(yàn)實(shí)際制備出的壓電振子如圖 6 所示。
根據(jù)文獻(xiàn)，我們先提出了如下兩套制備方案：
表1 ZnO壓電振子（銅襯底）鍍膜方案一：
薄膜沉
積
| 濺射系
統(tǒng)
| 靶
| 濺射頻
率
（W）
| 濺射壓
強(qiáng)
（Pa）
| 濺射氣
體流量 比
| 襯底溫
度
（℃）
| 靶間距
（cm）
| 沉積速率
（A/min）
| ZnO
| 射頻濺
射
| Zn
| 200
| 0.37
| Ar：
O2（1
：1）
| 280
| 10
| 21.22
|
表2 ZnO壓電振子（銅襯底）鍍膜方案二[3]：
薄膜沉
積
| 濺射系
統(tǒng)
| 靶
| 濺射頻
率
（W）
| 濺射壓
強(qiáng)
（Pa）
| 濺射氣
體流量 比
| 襯底溫
度
（℃）
| 靶間距
（cm）
| 退火溫
度
（℃）
| ZnO
| 射頻濺
射
| Zn
| 150
| 0.7
| Ar：
O2（1
：2）
| 350
| 10
| 800
|
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)上述方案存在一定問題，再加上制備水平有限，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想， 因而我們提出了新的制備方案：
圖 7 硅襯底壓電振子簡圖
表 3 ZnO 壓電振子（銅襯底）鍍膜方案二
組別
| 溫度 （℃） | 靶材
| 靶間距
| 功率 （W） | 生長速度 nm/min | 退火溫度 （℃） | | 1 | 常溫
| ZnO
| 10cm
| 100 | 8 | 室溫
| | 2 | 常溫
| ZnO
| 10cm
| 100 | 8 | 室溫
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2.4 電能轉(zhuǎn)換及收集電路的設(shè)計(jì)
壓電振子在正壓電效應(yīng)下的電特性可等效為一恒壓源與一電容串聯(lián)，如圖 8 所示。對(duì)于 特定的外部激勵(lì)，為了提高壓電振子的發(fā)電能力，可以采用多片壓電振子發(fā)電，其聯(lián)接方式 分并聯(lián)和串聯(lián)兩種。并聯(lián)接法，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號(hào)，并且適用 于以電荷作為輸出量的場合；串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出 信號(hào)，且測量電路輸入阻抗很高的場合。并聯(lián)聯(lián)結(jié)的方式更適用于無線發(fā)射裝置的使用要求。
為了便于電能的引出和導(dǎo)線的布置，本作品采用串聯(lián)方式將 4 塊壓電振子連接起來，對(duì)輸出 電壓值進(jìn)行放大。
由于壓電振子的發(fā)電量很小，根據(jù)壓電振子的內(nèi)部特性，尤其是其輸出電壓過低，以至 于無法用橋堆進(jìn)行整流，于是可考慮將其輸出的交變電壓先通過變壓器升壓，然后再通過一 個(gè)整流橋堆，將交變電流變成直流，再給電容充電，將能量存儲(chǔ)起來。由于電容的充放電， 兩端電壓不穩(wěn)定，于是需要一級(jí)電路來穩(wěn)壓，查閱資料得到可以使用 MAX 公司推出的穩(wěn)壓 輸出芯片 ICL7663，于是得到整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)圖為：
圖 10 電能收集轉(zhuǎn)換電路圖
電路圖中的元件參數(shù)僅供參考（僅作初期軟件仿真用），具體電路按實(shí)際測出的參數(shù)設(shè) 計(jì)。經(jīng)過軟件仿真，該電路經(jīng)過足夠長的時(shí)間能將電容充電到 8V，然后經(jīng)過 DC-DC 變換器 輸出穩(wěn)定的 3V 對(duì)外供電，并持續(xù)一段時(shí)間。
3. 工作原理及性能分析
基于風(fēng)壓變換和壓電效應(yīng)的風(fēng)能收集器是利用時(shí)均流誘導(dǎo)聲振蕩從而驅(qū)動(dòng)壓電振子發(fā)電， 其工作原理如下：具有一定單向動(dòng)能的時(shí)均流流經(jīng)單端封閉的諧振管時(shí)，驅(qū)動(dòng)管和諧振管連 接處的不穩(wěn)定粘性邊界層周期性的脫離；脫離的邊界層在諧振管口又以漩渦的形式卷起，并 與諧振管內(nèi)的滯止氣體相互作用；能量的傳遞和聲場的存在又反過來影響了隨后的漩渦的形 成。整個(gè)過程形成一個(gè)能量反饋回路，誘導(dǎo)出一個(gè)具有較大聲能密度的駐波聲場。圖 12 給 出了一個(gè)能量反饋回路示意圖[6]。
圖 11 基于風(fēng)壓變換和壓電效應(yīng)的風(fēng)能收集器設(shè)計(jì)方案簡圖
流體諧振振蕩模型可以抽象成一個(gè)主流管道和一段截面尺寸相當(dāng)?shù)膯味碎_口密閉支路， 二者內(nèi)部的流體連通，主流管道內(nèi)是時(shí)均流場，密閉支路內(nèi)建立的是駐波聲場。典型的時(shí)均、 交變流場的 T 型連接示意圖如圖 13 所示，該類型時(shí)均流誘導(dǎo)聲振蕩中的支路腔體為 1/4 波 長諧振器。在本作品中采用的主支管連接方式如圖 14，從圖中可以看到連接口上游脫落的 不穩(wěn)定邊界層形成漩渦。
能受外加交變信號(hào)的激勵(lì)而形成振動(dòng)的壓電晶體與襯底的連接體稱為壓電振子。通常將 壓電晶體與某種金屬彈性體連接在一起構(gòu)成壓電振子，其特點(diǎn)是變形相對(duì)較大、響應(yīng)快。壓 電振子是壓電發(fā)電裝置的核心元件，起著將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的作用。
壓電振子的工作原理依賴于壓電裝置產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是指當(dāng)壓電晶體受力產(chǎn) 生機(jī)械變形時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相對(duì)的兩個(gè)表面會(huì)呈現(xiàn)異號(hào)電荷。壓電晶體屬于鐵電 體，具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)極化形成的區(qū)域，它有一定的 極化方向，內(nèi)部存在一定的電場。在無外電場作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，極化效 應(yīng)被相互抵消。當(dāng)外力作用到壓電晶體上并引起材 料發(fā)生變形時(shí)，材料內(nèi)部正、負(fù)束縛電荷之間的距 離變小，極化強(qiáng)度也變小，因此原來吸附在電極上 的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。 壓電晶體受力極化后電荷釋放的原理如圖15。當(dāng)壓 力撤消后，壓電晶體恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷 之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，電極上又吸附 一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象，電荷在電路中移 動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部負(fù)載做功，向外輸出電能
由諧振管引發(fā)的駐波聲場以一定的頻率沖擊支管端部的壓電振子，壓電振子受壓發(fā)生形 變產(chǎn)生交變電壓。經(jīng)整流濾波和儲(chǔ)能電路后，為相應(yīng)的系統(tǒng)供電。
4. 關(guān)鍵技術(shù)問題
4.1 風(fēng)壓變換裝置設(shè)計(jì)方面
本質(zhì)上講聲場所在的密閉腔體是一個(gè)諧振管，因而它的形狀與品質(zhì)因數(shù)、高階諧波甚至 激波的產(chǎn)生直接相關(guān)，具有高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔內(nèi)可以建立起高強(qiáng)度聲場。經(jīng)調(diào)研，等截面 管道品質(zhì)因數(shù)較小，不利于時(shí)均流能量的引入和熱聲振蕩的強(qiáng)化。在之后的設(shè)計(jì)中，考慮采 用漸擴(kuò)管，使產(chǎn)生的聲駐波更加穩(wěn)定，且產(chǎn)生的壓力振蕩更強(qiáng)烈；另外，主支管的連接轉(zhuǎn)角 形式也對(duì)高強(qiáng)度聲場的建立有一些影響，調(diào)研結(jié)果顯示用圓角連接比用直角連接其聲振蕩特 性更強(qiáng)烈。但需考慮圓角連接對(duì)機(jī)械加工的要求更高。
4.2 壓電材料形狀及夾持方式設(shè)計(jì)方面
壓電振子的形狀及支承方式均會(huì)影響其產(chǎn)生的電壓的大小。在文獻(xiàn)中通過理論分析、仿 真分析及實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：在相同條件下，三角形壓電振子能有效改善表面應(yīng)變分布，產(chǎn)生 的電壓最大，梯形次之、矩形最小
壓電材料的支撐方式主要有懸臂支撐，周邊固定支撐，自由邊界支撐和簡支支撐四種形 式。懸臂支撐可產(chǎn)生最大的撓度和柔順系數(shù)，固定端部應(yīng)力最大，諧振頻率最低，當(dāng)無外界 電場作用時(shí)，壓電陶瓷的電位移同應(yīng)力成正比，利于發(fā)電；周邊固定支撐的機(jī)電耦合系數(shù)極 低，不適合用于壓電發(fā)電元件；自由邊界支撐的結(jié)構(gòu)安裝不方便，很少采用；簡支支撐是指 壓電彎曲元件支撐在振動(dòng)的波節(jié)上。這種支撐方式的結(jié)構(gòu)輕便、結(jié)實(shí)，裝置的損耗也降到最 低程度。
4.3 材料設(shè)計(jì)方面
壓電振子的發(fā)電性能還與襯底厚度、膜厚度等因素有關(guān)，所以選擇一種合適的材料作為 襯底以及確定襯底和膜的厚度對(duì)壓電振子的發(fā)電性能有較大影響。此外，不同的材料其固有 頻率不同，為了使壓電振子在聲場中盡可能接近或達(dá)到共振狀態(tài)，不僅要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的風(fēng)機(jī)頻 率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，還要選取合適的材料。
4.4 電路設(shè)計(jì)方面
由于電壓低，需要將電壓升高到可用值，所以第一級(jí)變壓器非常關(guān)鍵，如果變壓器能按 軟件仿真出來的結(jié)果一樣將電壓升高到可利用的值，那么接下來的電路都能正常工作，完成 能量收集工作。關(guān)鍵是要找到一個(gè)符合要求的變壓器。
5. 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用
基于風(fēng)壓變換和壓電效應(yīng)的風(fēng)能收集器是一種新型的風(fēng)能收集裝置，其主要特點(diǎn)有如下 幾個(gè)方面：
首先，本作品無運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)能環(huán)保，因而在使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益上具備獨(dú) 特的優(yōu)勢(shì)。而蓄電池供電需要定期檢修并更換電池，風(fēng)車發(fā)電以及微型風(fēng)力驅(qū)動(dòng)壓電發(fā)電機(jī) 都有運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行過程中設(shè)備都有一定磨損，同樣需要定期的維護(hù)。此外，化石燃料電池 的使用同時(shí)增加了環(huán)境的負(fù)擔(dān)。相比之下，本作品既節(jié)約了人力，又節(jié)約了物力，同時(shí)做到 了節(jié)能環(huán)保。
其次，我們采用 ZnO 作為壓電材料，與技術(shù)較為成熟且已普遍使用的壓電陶瓷（PZT） 相比具有成本低、環(huán)保等特點(diǎn)，因?yàn)?PZT 材料中含有鉛元素，對(duì)環(huán)境及人體有害。雖然本 作品中所采用的 ZnO 材料目前主要運(yùn)用于光學(xué)和聲學(xué)傳感器等方面，但是由于其同樣具有 良好的壓電效應(yīng)，因而具有很大的發(fā)展前景。
再次，在電路設(shè)計(jì)方面，在傳統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上加裝了一級(jí)變壓器，來解決產(chǎn)生的電壓過 低問題，同時(shí)配上 ICL7663CPA 穩(wěn)壓芯片，使得電路穩(wěn)定地輸出較大的電壓值。
作為一個(gè)供電裝置，我們通過與干電池的一個(gè)簡單比較來體現(xiàn)其節(jié)能減排意義及經(jīng)濟(jì)效 益：
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，我們得到諧振管內(nèi)聲能可達(dá) 32W 甚至更高，壓電材料能量轉(zhuǎn)換效率通 常有 30%~40%。結(jié)合我們現(xiàn)有的水平假設(shè)聲能有 10W，壓電材料能量轉(zhuǎn)換效率 30%。再考 慮在傳輸過程中 5%的能量損失，我們就可以得到本裝置可以有 2.85W 的輸出電能。電壓方 面我們實(shí)測結(jié)果是可以將 0.3~0.8V 的交變電轉(zhuǎn)變?yōu)?2.5~6V 甚至更高的直流電。
本作品設(shè)計(jì)使用年限至少 10 年，那么在這 10 年中發(fā)電量理論上可達(dá) 249.66KWh，如果 采用 5 號(hào) 1.5V 南孚電池 10 節(jié)為一組的話，在不計(jì)維護(hù)成本的前提下需要消耗 113 844 節(jié)電 池，花費(fèi) 284 610 元 RMB，算上維護(hù)成本（假設(shè)跟換一次 10 元 RMB）則需要 398 454 元 RMB，而本作品實(shí)際成本卻不超過 200 元 RMB。如此一來，不僅節(jié)省了大量的人力物力， 同時(shí)克服了一些惡劣環(huán)境供電困難的問題。
關(guān)于作品的應(yīng)用，我們?cè)?NATIONAL INSTRUMENTS 的網(wǎng)站上發(fā)現(xiàn)該公司試圖開發(fā)并 安裝一個(gè)面向沿挪威海岸線，跨度 120 公里的天然氣管線長期監(jiān)測系統(tǒng)，而這個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)正 需要一個(gè)像本作品這樣的供電裝置。中國擁有上萬公里的天然氣管道，未來幾年管道的總長 將會(huì)翻一番，要對(duì)這些管線進(jìn)行長期監(jiān)測采用現(xiàn)有的方式是很難實(shí)現(xiàn)的，這就使得本作品具 有非常大的應(yīng)用潛力。除此之外，時(shí)均流誘導(dǎo)聲振蕩可應(yīng)用于熱聲制冷，通過對(duì)本裝置的進(jìn) 一步優(yōu)化有可能實(shí)現(xiàn)“制冷-發(fā)電-測試”三位一體的模式，這種模式的實(shí)現(xiàn)將為汽車、火車 等交通工具的空調(diào)設(shè)計(jì)提供一種新的思路。
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