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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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怪兽电力公司需要多少尖叫的小孩才能供应一座城市的用电?  

2013-08-22 07:02:53|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:PanSci

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作者:逆旅,PanSci編輯兼专栏作者|台湾大学昆虫所研究生(本文不由 Monster Inc. 赞助)

怪兽电力公司(Monster Inc.)是一家永续能源企业,靠着人类小孩尖叫产生的能量发电,过程不会产生核废料或者污染空气。但究竟要多少尖叫的小孩才足以供应一座城市的用电?

叫亮灯泡

要由小孩子的尖叫来点亮灯泡,首先得将声音转换成电力,而声音就是物质(空气)的震动,所以从目前已知的科技来看,最有可能的就是利用“压电材料”piezoelectric material)-一种能将动能转换成电能的特殊材料。(参考影片

在2010年九月,三星综合技术院(Samsung Advanced Institute of Technology, SAIT)的研发团队就发表了一项研究 [1, 2],利用奈米级的压电材料,制作出可以靠声音发电的装置。

【图一:奈米声波发电机的构造。】

这个装置上层是一面由钯(palladium)/金制成的电极,下层的压电材料是数万根奈米级氧化锌(zinc oxide, ZnO)排成的数组(图一),每根氧化“锌柱”长10微米,直径仅150微米(图二)。当声波震动电极,压弯底下的压电材料-氧化锌柱,就会产生电力(图三)。在1平方公分下,100分贝(dB)能够产生50毫伏特(mV)、约 0~0.3 微瓦(μW)的交流电,不过这是极限,即使再提高分贝,也不会产生更多电力。

虽然这电力看起来很微弱,但已经可以提供一些小型电子设备的部份电力。

【图二:奈米氧化锌柱数组的纵剖面。】

【图三:声波透过钯/金薄膜,震动奈米氧化锌数组,产生电力。】

假如怪兽电力公司真的采用这项科技来发电,比较可能的是将奈米声波发电装置装在“任意门”的“外框”中(图四)。

【图四:绿色区域就是“任意门”的外框。】

多少尖叫的小孩才能支持一座城市的用电?

要回答这问题,得先知道小孩的尖叫或者哭闹能产生多少分贝。根据一位身为母亲的物理学家在自己的部落格提到,她女儿哭闹声是 122 分贝 [3],而人类的尖叫声也在129分贝以下 [4]。这声音强度虽然超过100分贝,但奈米声波发电装置的最大发电量就是每平方公分 0.3 微瓦。

如果“任意门”外框中使用50 cm2 的奈米声波发电数组,那么一次尖叫可以产生15微瓦(0.3微瓦 / cm2 × 50 cm2)的电力。

那么,多少尖叫的小孩才能支持一座城市的用电?

以台北市为例,根据环保署公开的非营业用电统计资料 [5],2013年六月住宅总用电量是352,640,859度,平均每小时消耗489779瓦。要支持这些电力,得找到32,651,934位尖叫或哭闹的小孩才行!再根据内政部户政司的数据 [6],2012年底全国1~4岁的孩童只有746,739名。因为每位小孩只能被吓一次,而且怪兽电力公司只能在夜间发电,所以台湾的小孩只能供应台北市1分22秒的夜间用电!不过夜间属于用电离峰时间,所以供电时间可以再长一点。(是能长多少?)

结语

虽然简单的计算发现怪兽电力公司确实可以供应微薄的电力,但是要作为永续能源的话,还是把奈米声波发电装置设在高速公路的隔音墙中比较实在。而且节约用电才能真正永续,毕竟一小时超过3千2百万个小孩在哭闹我觉得比全球暖化还可怕……。

数据源

[1]S. N. Cha, J. S. Seo, S. M. Kim, H. J. Kim, Y. J. Park, S. W. Kim, and J. M. Kim. (2010) Sound-Driven Piezoelectric Nanowire-Based Nanogenerators. Adv. Mater. 22, 4726.

[2]Nanotechnology energy generation using sound. nanowerk [Sep 23, 2010]

[3]How Loud Can Your Baby Cry? — Laser Mom

[4]Shout (sound) — wikipedia

[5]环保署绿色生活网 非营业用电统计

[6]内政部户政司 人口数据库

参考数据

新能源-承诺一个干净的未来:压电材料原理圣工坊制作,由国科会科普传播事业催生计划补助)

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