辛科正在演示如何利用声波将热能转化为电能

在现代技术器件产生的废料中,热量可能是最有利用价值的东西。但是,对计算机、电子器件、发电设备、汽车以及在炎热天气中倍受煎熬的人来说,过热是一个令人关注的大问题。同时热也是一种很特别的废料,因为它是一种能为更多有用目的服务的能源副产物,也是一种能量形式。如果它能被收集并转化成电能,就可以提高能量效率并可消除过热问题;而所有这些正是奥列斯特·辛科(Orest Symko)和他在犹他大学的同事们正在思考的问题。他们的想法有点独特——首先将热量变成声音,然后再将声音转化成电能。

在18世纪,吹玻璃的人偶然发现,加热的玻璃会自发地发出声音;而对用声音来“抽”出热量的热声冰箱已经研究了一段时间。2007年6月,辛科和他的学生在盐城湖召开的研讨会上介绍了他们的研究——试图将这种可使热能通过声音转换成电能的神奇装置变得更小和更有效率。

目前,他们研制的器件都是管径9毫米~3厘米的金属管,在其中装有一“堆”材料(这“堆”材料用绝热片或纤维构成),以使其与管中起作用的空气表面放大。当把这“堆”材料的一端加热时,就会形成一个温度梯度,从而改变空气的压力形成声波,在金属管中纵向运动。这种温度梯度在某一点上会达到一个阈值,引起声波在单一的频率下在管内来回跳动,这就是所谓的共振现象。管子越长,产生的频率越低;管子越短,产生的频率越高。辛科把这种现象形象地比作吹长笛:“当你把空气吹进笛孔中去时,就会产生一种小小的扰动,它们就会激发笛管本身的共振。在这里所不同的是,我们用热量冲击空气并产生小的声脉冲。”

“首先,你具有的是杂乱无序的热量。然后你得到的是来自某一频率的声音,这有点像激光。当你注入能量,就会得到相关输出功率,”辛科解释说。

下一步工序是使一种称做压电晶体(硅酸盐)的材料参与作用,将机械压力连接到电压上。这种效应最初是1880年被皮埃尔·居里(Pierre Curie)和雅克·居里(Jacques Curie)发现的。在上世纪20年代这种晶体曾被用来探测潜艇,当给其一个电信号,晶体就会发出声脉冲;而当它接受到另一个物体反弹回来的声波时,它就会反射出一个电信号。后来,这种晶体还被用于从留声机到气体打火机等物件上。

从根本上讲,压电晶体具有对称分布的正电荷和负电荷区,因此在总体上保持电中性。当晶体发生变形时,会引起这些电荷区的排列失调,从而使材料之间产生一种电压。

金属管中产生的共振声波的冲击,会引起晶体形状的改变,使其发射出电子。辛科说,他们的器件将热能转化成电能的效率一般为10%～25%。华盛顿州立大学的同行们目前正在开发具有更高能量转化效率的压电单晶体;而在密西西比大学的研究人员也在创建一种器件的计算机模型。

热声转化器可以在温差25℃的状态下工作,而更大的温度梯度可以提高能量转化效率。但是,当热能来自小型的电子器件时,类似的温差不太容易达到。

辛科和他的团队目前正在对器件的能量转化效率进行改进。他们研制了一种环形管,可以使声波围绕器件不断地运动,而不是来回跳动,有助于它们的同步和效率的提高。一种类似的结构已应用于激光器件以产生一种功率更强的相干光束。他们还设法将管内的空气压缩,因为更高的气体密度可以实现更高的能量转化效率,包括利用碳纳米管来增加堆料的表面积。

目前,辛科团队正在研究如何减小器件的尺寸,以便用微电子加工技术来进行大规模生产。但这样做又产生了一个问题:在很微细的管子中更难维持一种必要的温度梯度。另一个目标是将许许多多的器件整合成一种同步的阵列,以提高功率的输出。

“这些器件的一个很大的优点是,它们不带有运动的部件,因此相对来说更易于制造,而且不需要太多的维护,”辛科说。甚至还不用担心来自这些器件的噪音污染,因为更小的器件产生的声波频率在超声波范围。如果再加上隔音板,就可以完全解决噪音问题。

辛科与他的团队正在犹他大学的一个热水发电厂里试验新研制的3厘米型的器件阵列。他指出,目前的压电晶体用这种管子产生的频率很理想。军方已对这种器件发生了兴趣,用来冷却雷达或用作士兵随身携带的微型电源(这种器件可以很方便地用来对标准电池和贮能用电容器充电)。他还对把这种器件用作提高电池板的能量转化效率的一种辅助手段寄予厚望,因为太阳能电池板产生的热能目前还没有得到充分利用。正如辛科指出的那样:“在某些地方总会有热源存在,不管是汽车尾气或是火焰。”