CN110707964A - 一种压电法电炉炼钢噪音发电装置 - Google Patents

一种压电法电炉炼钢噪音发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电法电炉炼钢噪音发电装置，属于发电设备及能量回收技术领域，包括依次连接的声音放大装置、声电转化装置和调理电路板；其中，所述声音放大装置为扩音薄膜，所述扩音薄膜上具有拉瓦尔孔；所述声电转化装置为碱金属掺混压电陶瓷板；所述声音放大装置与声电转化装置呈平行状态且其中心连接线垂直于声音放大装置或声电转化装置，且所述声音放大装置的面积小于所述声电转化装置的面积；本发明提出的噪音发电装置，通过设置声音放大装置，在声音放大装置内具有拉瓦尔孔，从而使本噪音发电装置实现了对噪音的放大，从而使声压大大增强，增强的声压使压电陶瓷更容易发挥作用，从而大大提高了本噪音发电装置的灵敏度和声电转化效率。

Description

一种压电法电炉炼钢噪音发电装置
技术领域
本发明涉及发电设备及能量回收领域，特别是涉及一种压电法电炉炼钢噪音发电装置。
背景技术
能源是现代经济社会发展的基础，随着能源的大量应用，人们不断通过提高资源使用效率，开发新能源来满足日益增长的能源需求。噪声作为一种公众环境污染源，影响了人们的正常工作与生活。
噪声的来源非常广泛，比较常见的噪声源有机器噪声、交通噪声、风扇噪声和排气噪声等。噪声也具有一定的能量，例如噪声达到160dB的喷气式飞机，其声功率约为10kW；噪声达到140dB的大型鼓风机，其声功率为100W。其他各种情况，如汽车、音响等声源产生的噪声也具有很大的能量值。声电转化装置能将环境中的声能转化为电能，不仅可以有效地降低环境中的噪声，保护环境。
噪声能源因其密度小，具有不易收集的特点，现有的声电转化装置体积灵敏度低同时声电转化效率低，这使得噪声发电技术的应用受到约束。
声传感器是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，目前主要包括：电动式(动圈式、铝带式)，电容麦克风式(直流极化式)、压电式(晶体式、陶瓷式)、以及电磁式、碳粒式、半导体式等。目前广泛应用的驻极式/电容式传感器具有频率范围宽、灵敏度高、失真小等特点，但仍然必须依靠直流电源才能进行阻抗变换，即需要外部电源才能保证其优良性能。现有的其他声传感器同样都需要外部电源的驱动来工作。为了解决声传感器的供电问题，现有技术是在外部另外提供电源来为声传感器供电，不仅使传感器的使用不方便，而且应用范围受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电法电炉炼钢噪音发电装置，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种压电法电炉炼钢噪音发电装置，包括依次连接的声音放大装置、声电转化装置和调理电路板；
其中，所述声音放大装置为扩音薄膜，所述扩音薄膜上具有拉瓦尔孔；
所述声电转化装置为碱金属掺混压电陶瓷板；
所述声音放大装置与所述声电转化装置呈平行状态且其中心连接线垂直于所述声音放大装置或所述声电转化装置，且所述声音放大装置的面积小于所述声电转化装置的面积。
进一步地，所述声音放大装置、声电转化装置和调理电路板均可设置有多个，每一声音放大装置、声电转化装置和调理电路板组成独立的发电单元，所有所述发电单元的电能输出端通过连接总线连接。
进一步地，所述碱金属掺混压电陶瓷板采用NaNbO3-LiNbO3-KNbO3偏铌酸盐体系压电陶瓷制成。
进一步地，所述调理电路板包括依次连接的整流稳压电路、升压储能模块以及储能装置，所述整流稳压电路为全桥整流电路。
进一步地，所述全波整流桥中二极管型号为1N5817肖特基二极管。
进一步地，所述储能装置为纳米电池。
进一步地，所述纳米电池由正电极、负电极、电解质、聚合物隔离膜组成，所述负电极为纳米化的天然石墨，所述聚合物隔离膜为PP和PE复合的多层微孔膜。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提出的噪音发电装置，通过设置声音放大装置，在声音放大装置内具有拉瓦尔孔，从而使本噪音发电装置实现了对噪音的放大，从而使声压大大增强，增强的声压使压电陶瓷更容易发挥作用，从而大大提高了本噪音发电装置的灵敏度和声电转化效率。
同时，本发明采用具有拉瓦尔孔的扩音薄膜汇聚声能，并将声音能量传递至压电陶瓷板，使其将声音的机械能转化为电能并对外输出电信号，该噪音发电装置还具有结构简单容易实现的优点，无需额外设置振动膜，减少不必要的声能损失，提高了声能利用效率，即使在较弱声场条件下，也可产生电输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明压电法电炉炼钢噪音发电装置的结构示意图；
图2为本发明压电法电炉炼钢噪音发电装置中声音发电装置的结构示意图；
其中，1-声音放大装置，2-声电转化装置，3-调理电路板，101-拉瓦尔孔，301-储能装置，302-升压储能模块，303-整流稳压电路。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
参照图1，图1为本发明压电法电炉炼钢噪音发电装置的结构示意图。需要说明的是，图1以示出一个发电单元为例进行示意说明，当然，发电单元也可以为其它数量。
本实施例中，噪音发电装置包括依次连接的声音放大装置1、声电转化装置2以及调理电路板3，其中，声音放大装置1为扩音薄膜，该扩音薄膜上设有拉瓦尔孔101。
具体地，本发明扩音薄膜是采用3D打印技术制备的开放式声音增大设备，其主要制备步骤包括：
1、以NaCl、CaCl、NaCl、CaO等位打印基材，采用3D打印技术将基材打印成试验所需要的孔型柱体模块；
2、将3D打印好的孔型柱体模块放入超重力冶金炉内，将Al熔化后，抽真空，施加超重力，超重力系数20-80，将铝液充分填充在孔型柱体模块内；
3、将填充铝液的孔型柱体模块放入水溶液内，将打印基材溶化后即可获得孔型可控的拉瓦尔型孔洞的铝合金，根据需求可将铝合金切割成不同的厚度。
噪音是一种声波，是振动波在空气中运动的结果，其必然存在一定的传播速度。拉瓦尔孔型可以很好的将气流的速度从亚音速增加到超音速，对噪音可以起到很好的增幅作用。
在实施例中，声电转化装置2为压电式声电转换器，以保证较大的噪声吸收频宽。
具体地，本发明采用NaNbO3-LiNbO3-KNbO3偏铌酸盐体系压电陶瓷，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。同时使用以Er、Ta、Sb等部分置换取代B位的Nb，居里温度高达510℃，比纯(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷高70℃左右，经450℃退火24h,d33仍高达125pC/N。
具体地，声电转化装置2与调理电路板3电连接。调理电路板3包括依次连接的整流稳压电路303、升压储能模块302以及储能装置301，整流稳压电路为全桥整流电路。
本实施例中，储能装置301为纳米电池。整流稳压电路303用于将交流电转化为直流电并使电压稳定，升压储能模块302用于将直流电进行升压，并将升压后的直流电储存在纳米电池。
本实施例中，升压储能模块302和整流稳压电路303均采用现有技术中的实施方式，在此不再赘述。
经声电转换装置2得到的电能功率较小，需要叠加才能给负载供电，考虑到这些电能是一种波形不规则的交流电，为了叠加的方便，需要将其转化为直流。为此，需使用整流稳压电路，整流稳压电路为全波整流桥与电容串联形成，其中，全波整流桥中二极管型号为1N5817肖特基二极管，该二极管的管压降为0.45V左右，电能损耗小。本实施例中选用47μF的电解电容。
本实施例中，纳米电池由正负电极、电解质、聚合物隔离膜组成，纳米电池的负极材料是纳米化的天然石墨，纳米电池的正极是纳米化材料，采用由PP和PE复合的多层微孔膜作为隔离膜，并在电解质中加入导电的纳米碳纤维。电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，由纳米石墨组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。该种电池可充电循环1000次，连续使用达10年左右。
本发明压电法电炉炼钢噪音发电装置的工作原理如下：声音放大装置1收集来自各个方向的噪音，噪音进入扩音薄膜的拉瓦尔孔进行放大，放大原理是通过位移放大原理，即当一个密闭的腔体的某一个面积较大的面产生位移时，由于腔室的体积不变，在腔室的另一个较小的面将产生放大的位移，位移放大倍数近似为两个位移面的面积比。可以通过液压缸来解释它，当截面大的活塞杆移动一个距离时，截面小的活塞杆将移动一个更大的距离；放大后的噪音作用于声电转化装置2的压电陶瓷板上，压电陶瓷板将噪音的能量转化为交流电，并通过连接电线将交流电传输至调理电路板3，调理电路板3将交流电转换为直流电，并负载或储存于纳米电池中。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种压电法电炉炼钢噪音发电装置，其特征在于，包括依次连接的声音放大装置、声电转化装置和调理电路板；
其中，所述声音放大装置为扩音薄膜，所述扩音薄膜上开设有拉瓦尔孔；
所述声电转化装置为碱金属掺混压电陶瓷板；
所述声音放大装置与所述声电转化装置呈平行状态且其中心连接线垂直于所述声音放大装置或所述声电转化装置，且所述声音放大装置的面积小于所述声电转化装置的面积。
2.根据权利要求1所述的压电法电炉炼钢噪音发电装置，其特征在于，所述声音放大装置、声电转化装置和调理电路板均设置有多个，每一声音放大装置、声电转化装置和调理电路板组成独立的发电单元，所有所述发电单元的电能输出端通过连接总线连接。
3.根据权利要求1所述的压电法电炉炼钢噪音发电装置，其特征在于，所述碱金属掺混压电陶瓷板采用NaNbO3-LiNbO3-KNbO3偏铌酸盐体系压电陶瓷制成。
4.根据权利要求1所述的压电法电炉炼钢噪音发电装置，其特征在于，所述调理电路板包括依次连接的整流稳压电路、升压储能模块以及储能装置，所述整流稳压电路为全桥整流电路。
5.根据权利要求4所述的压电法电炉炼钢噪音发电装置，其特征在于，所述全波整流桥中二极管型号为1N5817肖特基二极管。
6.根据权利要求4所述的压电法电炉炼钢噪音发电装置，其特征在于，所述储能装置为纳米电池。
7.根据权利要求6所述的压电法电炉炼钢噪音发电装置，其特征在于，所述纳米电池由正电极、负电极、电解质、聚合物隔离膜组成，所述负电极为纳米化的天然石墨，所述聚合物隔离膜为PP和PE复合的多层微孔膜。
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