任果

一、光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)“光—電”轉(zhuǎn)換，直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，其發(fā)電原理如圖1所示。太陽(yáng)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(yáng)光照射時(shí)產(chǎn)生電流；將若干太陽(yáng)能電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)，就組成一個(gè)有比較大的輸出功率的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率為15%，則該電站的太陽(yáng)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(yáng)能電池接收到太陽(yáng)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(guò)沼氣發(fā)電機(jī)組實(shí)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?yàn)槿藗兯贄壍睦采韮r(jià)倍增，變成了能源再生的“寶庫(kù)”。利用垃圾的一種方式就是將垃圾填埋后，通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，經(jīng)過(guò)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?dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。

（1）根據(jù)上面的短文，請(qǐng)你將垃圾發(fā)電過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化填寫(xiě)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)?，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；燃?xì)馔苿?dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生十分巨大的能量。波浪發(fā)電是通過(guò)吸收波浪能裝置吸收波浪能，利用波浪能帶動(dòng)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(hào)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(dòng)時(shí)，會(huì)通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。已知每個(gè)浮子的重力為20N，體積為0.016m3，若它在水中上浮帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，露出水面的體積為0.004m3，則：

圖5（1）每個(gè)浮子上浮帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，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(shí)，假設(shè)浮子沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，平均每秒每個(gè)浮子帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)勻速上浮的高度為0.8m，傳動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)的總效率為30%，求：

①每個(gè)浮子對(duì)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(gè)浮子帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)勻速上浮，故浮子受到的力為平衡力，即硬桿對(duì)浮子豎直向下的作用力F=F浮-G=120N-20N=100N

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

②每秒內(nèi)8個(gè)浮子對(duì)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(shí)進(jìn)時(shí)退，海面時(shí)漲時(shí)落，海水的這種自然漲落現(xiàn)象就是人們常說(shuō)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(kāi)，形成一個(gè)大水庫(kù)，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(lái)推動(dòng)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(wú)論漲潮或落潮，水流經(jīng)過(guò)通道均可帶動(dòng)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(shí)，堵住通道，潮水漲至最高水位時(shí)打開(kāi)通道，進(jìn)水發(fā)電，如圖甲所示；當(dāng)海灣水位漲至最高時(shí)，堵住通道，如圖乙所示；落潮至最低水位時(shí)，打開(kāi)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(shí)，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(guò)通道水的質(zhì)量是多少？

（3）試計(jì)算每日水流對(duì)水輪發(fā)電機(jī)做了多少功？

（4）若某次落潮過(guò)程中經(jīng)過(guò)通道的水的平均流量為3.6×106m3/h，試求這次落潮過(guò)程中水流對(duì)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(shí)，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(shí)，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(guò)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(duì)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(duì)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。