CN105515443A - 应用于环境声音能量的能量转化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种应用于环境声音能量的能量转化系统,包括:能量吸收装置、能量转化装置和能量储存装置。本申请还公开了一种应用于环境声音能量的能量转化方法,能量吸收装置吸收环境中的声波,将声波振动中的能量传递给能量转换系统,能量转化装置接收所述能量吸收装置传递的能量,转化为可供二次利用的电能并传递至能量储存装置进行储存,能量储存装置接收所述能量转化装置传递的电能进行储存。本发明可应用于声音携带大量能量的强声环境;由于是将声音中的能量转化为其他能量,既非简单阻挡,也不是利用内部结构直接消解,吸音效果更加明显;对于吸收的声音中所携带的能量可以再次加以利用。
Description
技术领域
本发明涉及能量转化领域,具体地说,是涉及一种被动收集散布于环境中的声音携带的振动能量,并将其转化为其他便于再次利用或便于储存的能量的应用于环境声音能量的能量转化系统及方法。
背景技术
目前的环境声音吸收装置常见于房屋、市政建筑中,比如音乐厅,会议室墙壁天花板常见的消音材料,通过密集分布的孔隙吸收声音防止产生回声及向外传播,此种方案适用于声音中携带能量较小的情况,通过材料内部的纤维及细小颗粒等物质之间的摩擦运动将声音中的能量转化为热能而消解掉;但对于公路,工厂车间等声音中携带巨大能量的场景,上述例子的解决方案便不再适用,尽管也可以通过铺设噪声挡板遮挡阻碍噪声直接向道路两旁扩散,但减噪效果仍不理想,声音中携带的能量也被白白浪费。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种应用于环境声音能量的能量转化系统,包括:能量吸收装置、能量转化装置和能量储存装置,其中,
所述能量吸收装置,与所述能量转化装置相连接,用于吸收环境中的声波,将声波振动中的能量传递给能量转换系统,所述能量吸收装置,为室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构,当声波能量波及能量吸收装置时,所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能;
所述能量转化装置,为将声波转换为电信号的装置,分别与所述能量吸收装置和能量储存装置相连接,用于接收所述能量吸收装置传递的能量,转化为可供二次利用的电能并传递至能量储存装置进行储存,所述能量转换装置,为压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机,所述压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机紧密贴合在所述能量吸收装置上,其中,
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述压电陶瓷结构或压电薄膜结构中贴合其上的压电薄膜产生机械形变,压电薄膜中的电偶极矩因压缩而变短,在压电材料表面产生等量的正负电荷,形成电流发送至所述能量储存装置;
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述摩擦电纳米发电机贴合其上的薄膜因产生机械变形,而导致薄膜中两层聚合物之间相聚摩擦,产生电荷分离形成电势差,通过静电感应所述摩擦电纳米发电机的两个金属极板表面形成感应电荷,感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路形成电流并发送至所述能量储存装置;
所述能量储存装置,与所述能量转化装置相连接,用于接收所述能量转化装置传递的电能进行储存。
优选地,所述能量储存装置,进一步为,蓄电池或电容器。
本申请还公开了一种应用于环境声音能量的能量转化方法,包括步骤:
能量吸收装置吸收环境中的声波,将声波振动中的能量传递给能量转换系统,所述能量吸收装置,为室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构,当声波能量波及能量吸收装置时,所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能;
能量转化装置接收所述能量吸收装置传递的能量,转化为可供二次利用的电能并传递至能量储存装置进行储存,所述能量转换装置,为压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机,所述压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机紧密贴合在所述能量吸收装置上,其中,
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述压电陶瓷结构或压电薄膜结构中贴合其上的压电薄膜产生机械形变,压电薄膜中的电偶极矩因压缩而变短,在压电材料表面产生等量的正负电荷,形成电流发送至所述能量储存装置;
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述摩擦电纳米发电机贴合其上的薄膜因产生机械变形,而导致薄膜中两层聚合物之间相聚摩擦,产生电荷分离形成电势差,通过静电感应所述摩擦电纳米发电机的两个金属极板表面形成感应电荷,感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路形成电流并发送至所述能量储存装置;
能量储存装置接收所述能量转化装置传递的电能进行储存。
优选地,所述能量储存装置,进一步为,蓄电池或电容器。
与现有技术相比,本发明所述的应用于环境声音能量的能量转化系统及方法,达到了如下效果:
1)本发明可应用于声音携带大量能量的强声环境;
2)由于是将声音中的能量转化为其他能量,既非简单阻挡,也不是利用内部结构直接消解,吸音效果更加明显;
3)对于吸收的声音中所携带的能量可以再次加以利用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为实施例1中应用于环境声音能量的能量转化系统结构图;
图2为实施例1中应用于环境声音能量的能量转化方法工作流程图;
图3为实施例2的能量转化过程图;
图4为实施例2中薄膜结构图;
图5为实施例3中压电薄膜结构图;
其中:101为能量吸收装置;102为能量转化装置;103为能量储存装置;300为声波;301为吸音板材;302为摩擦电纳米发电机;303为蓄电池;401为基底;402为ZnO纳米线;501为PVDF薄膜;502为电极。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解,硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语,故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内,本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题,基本达到所述技术效果。此外,“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此,若文中描述一第一装置耦接于一第二装置,则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置,或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式,然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的,并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明,但不作为对本发明的限定。
实施例1:
结合图1,本实施例提供了一种应用于环境声音能量的能量转化系统,包括:能量吸收装置101、能量转化装置102和能量储存装置103,其中,
所述能量吸收装置101,与所述能量转化装置102相连接,用于吸收环境中的声波,将声波振动中的能量传递给能量转换系统,所述能量吸收装置101,为室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构,当声波能量波及能量吸收装置时,所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能;
所述能量转化装置102,分别与所述能量吸收装置101和能量储存装置103相连接,用于接收所述能量吸收装置101传递的能量,转化为可供二次利用的电能并传递至能量储存装置103进行储存,所述能量转换装置,为压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机,所述压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机紧密贴合在所述能量吸收装置上,其中,
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述压电陶瓷结构或压电薄膜结构中贴合其上的压电薄膜产生机械形变,压电薄膜中的电偶极矩因压缩而变短,在压电材料表面产生等量的正负电荷,形成电流发送至所述能量储存装置;
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述摩擦电纳米发电机贴合其上的薄膜因产生机械变形,而导致薄膜中两层聚合物之间相聚摩擦,产生电荷分离形成电势差,通过静电感应所述摩擦电纳米发电机的两个金属极板表面形成感应电荷,感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路形成电流并发送至所述能量储存装置;
所述能量储存装置103,与所述能量转化装置102相连接,用于接收所述能量转化装置102传递的电能进行储存。
所述能量吸收装置101,进一步为室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构。通过一定的物理结构,使用包括但不限于现有的公路隔音板或室内吸音微穿孔板中的巨大平板或具有汇聚作用的小孔结构,尽可能多的吸收传达到该结构表面的声波,减少反射及透过后继续传播的可能,之后将收集来的振动能量传至能量转换系统。现有的城市轨道交通隔音屏障、音乐厅、会议室内的吸音板材均可,环境中的声波接触上述结构后(能量吸收装置101),声波振动的能量便传递给材料本身,在本发明的系统中能量以材料本身振动产生的动能和材料振动产生的压缩、形变而积蓄的势能两种形式存在,但因为波动的特性,很快就传向能量转换装置。
所述能量转换装置,进一步为,将声波转换为电信号的装置,包括压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机。本发明的能量转换装置利用包括但不限于压电、摩擦效应在内的原理进行声能转换的设备,将声音中的能量进一步的转换为可供再次利用的或其他形式的能量进行存储。能量转换装置可以为现有的声能转换为电能的结构,包括但不限于常见的如麦克风中将声音转换为电信号的结构、打火机中广泛采用的压电陶瓷结构或其它已有结构如摩擦电纳米发电机等。
所述能量储存装置103,进一步为,蓄电池或电容器,接受来自能量转换装置输出的能量并储存,或输出至其他耗能设施。
结合图2,本申请还提供了一种应用于环境声音能量的能量转化方法,具体步骤如下:
步骤201:能量吸收装置吸收环境中的声波,将声波振动中的能量传递给能量转换系统,所述能量吸收装置101,为室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构,当声波能量波及能量吸收装置时,所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能;
步骤202:能量转化装置接收所述能量吸收装置传递的能量,转化为可供二次利用的电能并传递至能量储存装置进行储存,所述能量转换装置,为压电陶瓷结构或摩擦电纳米发电机,所述压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机紧密贴合在所述能量吸收装置上,其中,
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述压电陶瓷结构或压电薄膜结构中贴合其上的压电薄膜产生机械形变,压电薄膜中的电偶极矩因压缩而变短,在压电材料表面产生等量的正负电荷,形成电流发送至所述能量储存装置;
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述摩擦电纳米发电机贴合其上的薄膜因产生机械变形,而导致薄膜中两层聚合物之间相聚摩擦,产生电荷分离形成电势差,通过静电感应所述摩擦电纳米发电机的两个金属极板表面形成感应电荷,感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路形成电流并发送至所述能量储存装置;
步骤203:能量储存装置接收所述能量转化装置传递的电能进行储存。
所述能量吸收装置,进一步为室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构。
所述能量转换装置,进一步为,将声波转换为电信号的装置,包括压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机。其中压电薄膜包含一种选自于PST、石英、BaTiO3、PZT、(Pb,Sm)TiO3、PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3)、PVDF-TrFE、或PVDF的物质。
所述能量储存装置,进一步为,蓄电池或电容器。
使用时,通过吸收系统的构造吸收并汇聚环境中的声音,将其中的振动能量传导至转换系统。转换系统利用包括但不限于压电效应原理在内的方法,将振动形式的能量转换为包括但不限于电能在内的某种形式的能量后输入储能系统。储能系统使用包括但不限于蓄电池在内的储能设备储存来自转换系统输出的能量以备使用或直接输送向其他耗能设备。
实施例2:
结合图3,在实施例1的基础上,本实施例为应用实施例:
在室内环境中,以室内吸音板材-摩擦电纳米发电机-蓄电池的组合为例,声波300的能量波及吸音板材301时,板材产生机械振动,贴合在板材中的摩擦电纳米发电机302薄膜因此产生机械形变,进而导致薄膜中两层聚合物膜之间发生相互摩擦,产生电荷分离并形成电势差。而两个金属极板作为发电机的电能输出端,通过静电感应可以在表面生成感应电荷。感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路即可形成电流,以单块板材为一个能量吸收和转换单元,各单元将产生的电能汇总至以单个房间或以单个墙面为单位的蓄电池中作为能量储存装置,蓄电池并入房间或建筑整体的供电网络,以适当的方式参与整体供电。
如图4所示,以纳米线阵列为例说明摩擦电纳米发电机结构,以α-Al2O3为基底401,上面生成一层薄而连续的ZnO纳米线402,一根纳米线的压电能量输出约为0.05fJ,在电阻上的输出电压约为8mV,由于纳米线的典型共振频率约为10MHz,所以单根纳米线的输出功率约为0.5pW,如果在基底每单位面积上纳米线的密度为20/μm2,那输出功率的密度就约为10pW/μm2,既10W/m2。
当传递到此处的动能导致纳米线402产生形变时,压电效应产生的电荷开始累积,当形变接近最大值时,开始发生放电现象。
实施例3:
在实施例1的基础上,本实施例为应用实施例:
在室外环境中,以隔音板-压电薄膜-蓄电池的组合为例,声波能量波及隔音板时板材产生机械振动,贴合在板材中的压电薄膜因此产生机械形变,其中薄膜中材料体内电偶极矩会因压缩而变短,此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷以保持原状,导出积蓄的电荷即可形成电流,以单块板材为一个能量吸收和转换单元,各单元将产生的电能汇总至以单侧隔音板或以一段距离内的隔音板为单位的蓄电池中作为能量储存装置,蓄电池并入路段或某处设施的供电网络,以适当的方式参与整体供电。
结合图5,本实施例以PVDF薄膜为例,PVDF薄膜501主要有两种晶型,即α型和β型,α型晶体不具有压电性,但PVDF薄膜501经滚延拉伸后,原来薄膜中的α型晶体变成β型晶体结构。拉伸极化后的PVDF薄膜501在承受一定方向的外力或变形时,材料的极化面就会产生一定的电荷。
与现有技术相比,本发明所述的应用于环境声音能量的能量转化系统及方法,达到了如下效果:
1)本发明可应用于声音携带大量能量的强声环境;
2)由于是将声音中的能量转化为其他能量,既非简单阻挡,也不是利用内部结构直接消解,吸音效果更加明显;
3)对于吸收的声音中所携带的能量可以再次加以利用。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例,但如前所述,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种应用于环境声音能量的能量转化系统,其特征在于,包括:能量吸收装置、能量转化装置和能量储存装置,其中,
所述能量吸收装置,与所述能量转化装置相连接,用于吸收环境中的声波,将声波振动中的能量传递给能量转换系统,所述能量吸收装置,为室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构,当声波能量波及能量吸收装置时,所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能;
所述能量转化装置,为将声波转换为电信号的装置,分别与所述能量吸收装置和能量储存装置相连接,用于接收所述能量吸收装置传递的能量,转化为可供二次利用的电能并传递至能量储存装置进行储存,所述能量转换装置,为压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机,所述压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机紧密贴合在所述能量吸收装置上,其中,
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述压电陶瓷结构或压电薄膜结构中贴合其上的压电薄膜产生机械形变,压电薄膜中的电偶极矩因压缩而变短,在压电材料表面产生等量的正负电荷,形成电流发送至所述能量储存装置;
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述摩擦电纳米发电机贴合其上的薄膜因产生机械变形,而导致薄膜中两层聚合物之间相聚摩擦,产生电荷分离形成电势差,通过静电感应所述摩擦电纳米发电机的两个金属极板表面形成感应电荷,感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路形成电流并发送至所述能量储存装置;
所述能量储存装置,与所述能量转化装置相连接,用于接收所述能量转化装置传递的电能进行储存。
2.根据权利要求1所述的应用于环境声音能量的能量转化系统,其特征在于,所述能量储存装置,进一步为,蓄电池或电容器。
3.一种应用于环境声音能量的能量转化方法,其特征在于,包括步骤:
能量吸收装置吸收环境中的声波,将声波振动中的能量传递给能量转换系统,所述能量吸收装置,为室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构,当声波能量波及能量吸收装置时,所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能;
能量转化装置接收所述能量吸收装置传递的能量,转化为可供二次利用的电能并传递至能量储存装置进行储存,所述能量转换装置,为压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机,所述压电陶瓷结构、压电薄膜结构或摩擦电纳米发电机紧密贴合在所述能量吸收装置上,其中,
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述压电陶瓷结构或压电薄膜结构中贴合其上的压电薄膜产生机械形变,压电薄膜中的电偶极矩因压缩而变短,在压电材料表面产生等量的正负电荷,形成电流发送至所述能量储存装置;
当所述室外隔音板、室内吸音微穿孔板或具有汇聚声波的小孔结构发生机械振动而产生机械振动势能时,所述摩擦电纳米发电机贴合其上的薄膜因产生机械变形,而导致薄膜中两层聚合物之间相聚摩擦,产生电荷分离形成电势差,通过静电感应所述摩擦电纳米发电机的两个金属极板表面形成感应电荷,感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路形成电流并发送至所述能量储存装置;
能量储存装置接收所述能量转化装置传递的电能进行储存。
4.根据权利要求3所述的应用于环境声音能量的能量转化方法,其特征在于,所述能量储存装置,进一步为,蓄电池或电容器。
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