任果

一、光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是利用太陽能電池實現(xiàn)“光—電”轉(zhuǎn)換，直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，其發(fā)電原理如圖1所示。太陽能電池是由具有光伏效應(yīng)的硅材料制成的半導(dǎo)體光電二極管，太陽光照射時產(chǎn)生電流；將若干太陽能電池串聯(lián)或并聯(lián)起來，就組成一個有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣（光伏組件）。逆變器的作用是將光伏組件提供的低壓直流電逆變成220V的交流電。

（1）該光伏電站每天發(fā)電

（2）如果太陽光的輻射功率為240J/（s·m2）（1s內(nèi)輻射在1m2上的光能為240J），太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率為15%，則該電站的太陽能電池板的總面積至少要多大？

（3）如果每盞路燈的電阻為484Ω，額定電壓為220V，則該電站每天多余的電可供多少盞路燈正常工作10h？

解析：（1）光伏電站每天發(fā)電量

W=P電t=5kW×4h=20kW·h

（2）太陽能電池接收到太陽光輻射的總功率為P輻=P0S，輸出功率即電站發(fā)電功率為P電，光電轉(zhuǎn)換效率η=W電W輻=P電P0S，則電池板總面積至少為

S=P電ηP輻=5000W15%×240J/（s·m2）=139m2

（3）路燈的額定功率

P額=U2R=（220V）2484Ω=100W=0.1kW

每天多余的電量

ΔW=20kW·h-6kW·h=14kW·h

每天可多供的路燈的盞數(shù)

n=ΔWP額t=14kW·h0.1kW×10h=14（盞）。

二、沼氣發(fā)電

沼氣發(fā)電是利用生物質(zhì)原料發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣，通過沼氣發(fā)電機(jī)組實現(xiàn)“熱—電”轉(zhuǎn)換，把沼氣燃燒釋放的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能。如圖3所示是垃圾沼氣發(fā)電站示意圖，其發(fā)電原理與火力發(fā)電相似。

例2.隨著世界性能源危機(jī)的日益加劇，一向為人們所唾棄的垃圾也身價倍增，變成了能源再生的“寶庫”。利用垃圾的一種方式就是將垃圾填埋后，通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，經(jīng)過濾處理后，輸送到設(shè)置在地面的“沼氣發(fā)電組”，這些沼氣燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)馔苿悠啓C(jī)轉(zhuǎn)動，汽輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)來發(fā)電。

（1）根據(jù)上面的短文，請你將垃圾發(fā)電過程中的能量轉(zhuǎn)化填寫完整。

化學(xué)能沼氣燃燒 汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī)電能

（2）沼氣是

再生能源。利用垃圾發(fā)電與傳統(tǒng)的垃圾填埋處理方法相比有哪些優(yōu)點(diǎn)：

（3）若每噸填埋垃圾可產(chǎn)生沼氣150m3，集中收集后可發(fā)電250kW·h。已知沼氣的主要成分是甲烷，其熱值為2.0×107J/m3，則沼氣發(fā)電的效率為多少？

解析：（1）垃圾發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，沼氣燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)猓瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；燃?xì)馔苿悠啓C(jī)轉(zhuǎn)動，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；汽輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

（2）由于產(chǎn)生沼氣的原料均為可再生的，故沼氣是可再生能源。從節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)角度分析，利用垃圾發(fā)電與傳統(tǒng)的垃圾填埋處理方法相比，一是可節(jié)約能源（或可節(jié)約不可再生能源）；二是環(huán)保（或減少污染）等。

（3）沼氣發(fā)電效率

η=WQ放=WqV=250×3.6×106J2.0×107J/m3×150m3=30%。

三、波浪發(fā)電

海水的波浪運(yùn)動產(chǎn)生十分巨大的能量。波浪發(fā)電是通過吸收波浪能裝置吸收波浪能，利用波浪能帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將波浪能（機(jī)械能）轉(zhuǎn)化為電能，其發(fā)電原理與風(fēng)力發(fā)電相似，如圖4所示。

圖4例3.圖5是八浮子（編號為1～8）波浪發(fā)電機(jī)的俯視圖。當(dāng)浮子隨著海面波浪向上浮動時，會通過傳動裝置帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。已知每個浮子的重力為20N，體積為0.016m3，若它在水中上浮帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電時，露出水面的體積為0.004m3，則：

圖5（1）每個浮子上浮帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電時，受到的浮力是多少？

（2）當(dāng)海浪的波高為3m、起伏周期為6s時，假設(shè)浮子沿豎直方向運(yùn)動，平均每秒每個浮子帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電時勻速上浮的高度為0.8m，傳動裝置和發(fā)電機(jī)的總效率為30%，求：

①每個浮子對與之相連的硬桿產(chǎn)生的豎直向上的推力；

②波浪發(fā)電機(jī)的輸出功率。

解析：（1）浮子受到的浮力

F浮=ρ液gV排=1.0×103kg/m3×10N/kg×（0.016m3-0.004m3）=120N

（2）①因平均每秒每個浮子帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電時勻速上浮，故浮子受到的力為平衡力，即硬桿對浮子豎直向下的作用力F=F浮-G=120N-20N=100N

硬桿對浮子豎直向下的作用力與浮子對硬桿豎直向上的推力為一對相互作用力，二力大小相等，故浮子對硬桿豎直向上的推力F′=F=100N

②每秒內(nèi)8個浮子對硬桿豎直向上的推力所做的總功

W總=F′s×8=100N×0.8m×8=640J

波浪發(fā)電機(jī)輸出的電能

W電=ηW總=30%×640J=192J

波浪發(fā)電機(jī)的輸出功率

P=W電t=192J1s=192W。

四、潮汐發(fā)電

海水時進(jìn)時退，海面時漲時落，海水的這種自然漲落現(xiàn)象就是人們常說的潮汐。如圖6所示，潮汐發(fā)電與水力發(fā)電的原理相似，它建筑一條大壩把靠海的河口或者海灣與大海隔開，形成一個大水庫，發(fā)電機(jī)組安裝在攔海大壩里面，大部分機(jī)器在地面下，利用潮汐漲落的水位差來推動水力渦輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，將海水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

圖6例4.圖7是利用潮汐發(fā)電的原理圖。左方為陸地和海灣，中間為水壩，其下有通道，無論漲潮或落潮，水流經(jīng)過通道均可帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。一晝夜中兩次漲、落潮，四次發(fā)電。漲潮時，堵住通道，潮水漲至最高水位時打開通道，進(jìn)水發(fā)電，如圖甲所示；當(dāng)海灣水位漲至最高時，堵住通道，如圖乙所示；落潮至最低水位時，打開通道放水發(fā)電，如圖丙所示。（取g=10N/kg，海水的密度1.0×103kg/m3）

（1）海灣底部受到海水壓強(qiáng)較大的是

（填“甲”或“乙”）圖；當(dāng)海灣水位漲至最高時，海灣底部所受水的壓強(qiáng)是多少？

（2）每次漲潮（或落潮）經(jīng)過通道水的質(zhì)量是多少？

（3）試計算每日水流對水輪發(fā)電機(jī)做了多少功？

（4）若某次落潮過程中經(jīng)過通道的水的平均流量為3.6×106m3/h，試求這次落潮過程中水流對水輪機(jī)做功的平均功率。

解析：（1）當(dāng)海灣水位漲至最高時，海灣底部受到海水壓強(qiáng)最大，由圖可知，海灣底部受到海水壓強(qiáng)較大的是乙圖。

當(dāng)海灣水位漲至最高時，海灣底部所受水的壓強(qiáng)

p=ρgh=1.0×103kg/m3×10N/kg×10m=1.0×105Pa

（2）每次漲潮（或落潮）經(jīng)過通道水的質(zhì)量

m=ρV=ρSΔh=1.0×103kg/m3×4.5×106m2×（10m-6m）=1.8×1010kg

（3）每日水流對水輪機(jī)做功

W水=W電η=4.4×104×3.6×106J10%

=1.584×1012J

（4）取t=1h，水流對水輪機(jī)做功的平均功率

P=Wt=Ght=mght=ρVght

=1.0×103kg/m3×3.6×106m3×10N/kg×4m3600s

=4×107W=4×104kW。