用能量守恒定律处理新能源问题

用能量守恒定律处理新能源问题

能源危机是制约现代社会发展的严重问题，开发和利用可再生能源是中国立足自身解决能源困扰问题的重要举措。一切能量来自能源，能量是物理学的一个重要概念，机械能、内能、电能、光能、核能……形形色色的能可以相互转化，但总能量保持不变，这就是能的转化与守恒定律，这一规律像一根红线一样贯穿整个高中物理。以开发新能源为背景，川能量转化的观点分析物体的运动与相互作用情况足近儿年各类考试的热点。下面举例说明。

一、风能

例1，据报道，2015年5月6日，“央企广西行”9亿元风力发电项日落户田阳县。风力发电是目前可再生能源中技术比较成熟，具有规模化开发条件和商业发展前景的发电技术。小型独立风力发电系统一般小并网发电，只能独立使用，单台装机容量通常小超过10kW。它的构成为“风力发电机十充电器十数字逆变器”。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子是绕组切割磁感线产生电能。因风量不稳定，故

小型风力发电机输I{1的足l 3～25 V变化的交流电，须经充电器整流再对蓄电池充电，使风力发电机产生的电能变为化学能。最后经逆变处理后供给用户使用。现要设计一台风力发电机的功率为40 kW。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1.2gkg/m3，当地水平风速约为10m/s，风力发电机的叶片长度约为多少才能满足设计要求？

建立柱体模型是解答此题的关键。

二、太阳能

例2 如图2所示，在圆柱形水池正上方，有一底面半径为r的圆柱形储水桶。水桶底部有多个水平小孔，小孔喷出的水在水池中的落点离水池中心的距离为R，水桶底部与水池水面之间的高度差是，h。为了维持水桶水面的高度不变，用水泵通过细水管将洒落的水重新抽回到高度差为H的水桶上方。水泵由效率为η1，的太阳能电池板供电，电池板与水平面之问的夹角为a，太阳光竖直向下照射（如图3所示），太阳光垂直照射时单位时间、单位而积接受的能量为F0。水泵的效率为η2。，水泵出水U单位时间流出水的质量为m0，流出水流的速度大小为v0，此时水泵的工作能维持水面的高度不变，重力加速度为g，不汁水在细水管和空气中运动时所受的阻力。求：

（1）水从小孔喷出时的速度大小：

（2）水泵的输出功率；

（3）为了使水泵的工作能维持水面的高度小变，太阳能电池板面积的最小值S。

对于水泵出水口单位时问流出的水可建立类似于例1中的柱体模型。可将水桶底部有多个水平小孔喷出的水抽象为平抛运动模型进行分析。

（3）考虑单位时间内的能量转化及利川效率，太阳能电池板接收太阳能的其中一部分转变成电能E1，电能通过水泵将其中的部分转变成水的势能与动能E2，有：

此题是太阳能转化为电能，可由能量守恒的转化式△

E2=η△E1列式求解。

不同形式的能可以相互转化，水的重力势能可以转化为动能，动能可以转化为电能。在世界能源危机的今天，人们越来越重视利用水的重力势能进行发电，下面举例说明。

三、潮汐能

例3 潮汐能是一种有待开发的新能源，利用涨、落潮位差，可以把潮汐势能转化为动能再诵讨水轮机发电。如图4所示为双向型潮汐电站示意图，在海湾建一拦水坝，使海湾与大海隔开构成水库，在坝上安装水轮发电机组，利用潮汐造成的坝内、外水位差，引导高水位的海水通过水轮发电机，将机械能转变成电能。海水密度ρ=1.0×103kg/m2，

g=10m/s2。

（1）试用图中规定的符号，画出涨潮和落潮时海水双

向流动的路径。

（2）已知某潮汐电站海湾水库面积约2.5×106m2，假设电站的总能量转换效率为10%，该电站的年发电总量为1.O ×107 kW.h，电站发电功率为3.2×103kW。试推算出大坝两侧涨、落潮的平均潮差及日满负荷工作的时间。

（1）涨潮、落潮时海水双向流动的路径应从两方面考虑：一是涨潮时海水从外海流向水库（虚线所示），落潮时

海水从水库流向外海（实线所示），二是应使水流从同一方

向流过水轮机。海水双向流动的路径如图5所示。

（2）设大坝两侧涨、落潮的平均潮差为h （m）。

每天海水涨、落两次，双向潮汐电站做功4次，由题意列式：

利用涨、落潮位差发电，应从涨潮、落潮两方面考虑，推算出大坝两侧涨、落潮的平均潮差及日满负荷工作的时间，要注意选择合适的物理规律，在运算中各物理量要统一采用S1单位。

四、水能

例4 三峡水力发电站是我国最大的水力发电站。三峡水库二期蓄水后，水位落差约135m，通过发电机组的水流量

约1.0×l04 m3/s。水流通过水轮机发电时，水流减少的机械能有20%转化为电能，g=10 m/s2，水的密度ρ=1.0×

103kg/m3。

（1）发电站的发电功率最大是多少？

（2）某市约有800万人口，试估计三峡水电站可以供多少个这样的城市的家庭用电。

附表：一般家庭（三口之家）用电情况

小结：联系新能源实际的问题是当今社会的热点。求解与新能源有关的问题时，首先，要建立物理模型，其次，要分清能量转化的形式和转化的方向，最后，对于涉及不同形式能量转化效率的问题，一般应采用表达式△E2=ηE1列式求解。