清洁新能源在考题中几种应用类型.docVIP

清洁新能源在考题中几种应用类型【中图分类号】TU2 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089 (2012)01-0084-02 能源是现代社会生活的重要物质基础。近些年来由于煤、石油、天然气等常规能源的过度开发和消耗，给我们的生活环境带来了很多负面影响，同时也对人民的生活和生态的持续发展带来了很大的压力。所以，清洁的新能源的开发和利用成为当务之急。那么，在我们的高中物理学科考试中，尤其是高考，会出现什么类型题呢？ 1 风能的利用 例：风力发电是一种环保的电能获取方式，图为某风力发电站外观图．设计每台风力发电机的功率为40kW．实验测得风的动能转化为电能的效率约为20%，空气的密度是1.29kg/m3，当地水平风速约为10m/s，问风力发电机的叶片长度约为多少才能满足设计要求？ 解析：可设想在每台风力发电机前，在t时间内，有一半径为叶片长度，长度为L=vt的风的一段圆柱体吹过发电机，将其动能转化成了电能。 风的圆柱体的动能： Ek=12mv2 风的圆柱体的质量：m=ρV=ρπR2vt 由能量转化有：P=ηEkr=12ρπR2v3η 联立以上各式有：R≈10m 点评：本题考查清洁能源中最廉价（投资最少）的风能。难点在于计算风的质量。此类题求解的关键是将流动的风看成好像水管中流动的水柱一样，通过计算风柱的体积，从而利用公式m=ρV=ρπR2vt得解。 2 水能的利用 例：我省沙河抽水蓄能电站自2003年投入运行以来，在缓解用电高峰电力紧张方面，取得了良好的社会效益和经济效益．抽水蓄能电站的工作原理是，在用电低谷时(如深夜)，电站利用电网多余电能把水抽到高处蓄水池中，到用电高峰时，再利用蓄水池中的水发电．如图，蓄水池(上游水库)可视为长方体，有效总库容量(可用于发电)为V，蓄水后水位高出下游水面H，发电过程中上游水库水位最大落差为d．统计资料表明，该电站年抽水用电为2.4×108 kW·h，年发电量为1.8×108 kW·h．则下列计算结果正确的是(水的密度为ρ，重力加速度为g，涉及重力势能的计算均以下游水面为零势能面)  (A)能用于发电的水的最大重力势能Ep=ρvgh (B)能用于发电的水的最大重力势能Ep=ρvg(H-d2) (C)电站的总效率达75％ (D)该电站平均每天所发电能可供给一个大城市居民用电(电功率以105 kW计)约10 h． 解析：发电原理是利用了能量转化，也即上游水库所存水的重力势能最终转化为电能。 上游水库所存水在发电时其重心下降的高度为Δh=H-d2，减少的重力势能为Ep=mgΔh=ρvg(H-d2)，所以B选项正确。 电站的发电总效率η=1.8×1082.4×108%=75%，所以C选项正确。 该电站平均每天所发电能为E1=1.8×108365KW·h。 可供给一个大城市居民用电时间t=E1105≈5h，所以D选项错误。 正确结果应选BC。  点评：本题考查清洁能源中最常见（世界上清洁能源以水电居多）的水能。难点在于计算水的重力势能的变化。此类题求解的关键是找出研究中的水的重心变化。通常在上游时，重心位于体积的中心，下游时，认为水是平铺在下游水库中的水面上了，也即上题中重心下降的高度为Δh=H-d2。最后利用能量守恒得解。 3 潮汐能的利用 例：某海湾共占面积1.0x107m2，涨潮时水深20m，此时关上水坝闸门，可使水位保持20m不变，退潮时，坝外水位降至18m。假如利用此水坝建水力发电站，重力势能转变为电能的效率是10%，每天有两次涨潮。该电站一天能发出多少电能？ 解析：退潮后，坝内所存的水的重力势能，通过开闸放水，推动水轮机（电站的发电装置），转换为电能。  坝内所存水的重力势能：Ep=mgΔh2=mgh1-h22 坝内所存水的质量： m=ρsΔh=ρs(h1-h2) 每次涨潮所发电能： E1=ηEp 一天发的电能： E=2E1 联立以上各式有： E=4×1010J 点评：本题考查清洁能源中最难利用（目前很少有那个国家利用）的潮汐能。难点在于计算退潮后，坝内所存的水的重力势能。此类题求解的关键是求出涨潮与退潮间水坝所存水的重心的变化和所存水的质量。最后通过能量守恒得解。 4 太阳能的利用 例：某同学为估算太阳的平均功率，做了如下实验：用一底面积为0.1m2的面盆，盛6kg的水，经太阳垂直照射15min，温度升高5℃