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任果

一、光伏发电

光伏发电是利用太阳能电池实现“光—电”转换，直接将太阳能转化为电能，其发电原理如图1所示。太阳能电池是由具有光伏效应的硅材料制成的半导体光电二极管，太阳光照射时产生电流；将若干太阳能电池串联或并联起来，就组成一个有比较大的输出功率的太阳能电池方阵（光伏组件）。逆变器的作用是将光伏组件提供的低压直流电逆变成220V的交流电。

（1）该光伏电站每天发电

（2）如果太阳光的辐射功率为240J/（s·m2）（1s内辐射在1m2上的光能为240J），太阳能电池光电转换效率为15%，则该电站的太阳能电池板的总面积至少要多大？

（3）如果每盏路灯的电阻为484Ω，额定电压为220V，则该电站每天多余的电可供多少盏路灯正常工作10h？

解析：（1）光伏电站每天发电量

W=P电t=5kW×4h=20kW·h

（2）太阳能电池接收到太阳光辐射的总功率为P辐=P0S，输出功率即电站发电功率为P电，光电转换效率η=W电W辐=P电P0S，则电池板总面积至少为

S=P电ηP辐=5000W15%×240J/（s·m2）=139m2

（3）路灯的额定功率

P额=U2R=（220V）2484Ω=100W=0.1kW

每天多余的电量

ΔW=20kW·h-6kW·h=14kW·h

每天可多供的路灯的盏数

n=ΔWP额t=14kW·h0.1kW×10h=14（盏）。

二、沼气发电

沼气发电是利用生物质原料发酵产生的沼气，通过沼气发电机组实现“热—电”转换，把沼气燃烧释放的内能转化为电能。如图3所示是垃圾沼气发电站示意图，其发电原理与火力发电相似。

例2.随着世界性能源危机的日益加剧，一向为人们所唾弃的垃圾也身价倍增，变成了能源再生的“宝库”。利用垃圾的一种方式就是将垃圾填埋后，通过厌氧发酵产生沼气，经过滤处理后，输送到设置在地面的“沼气发电组”，这些沼气燃烧，产生高温燃气推动汽轮机转动，汽轮机驱动发电机来发电。

（1）根据上面的短文，请你将垃圾发电过程中的能量转化填写完整。

化学能沼气燃烧 汽轮机 发电机电能

（2）沼气是

再生能源。利用垃圾发电与传统的垃圾填埋处理方法相比有哪些优点：

（3）若每吨填埋垃圾可产生沼气150m3，集中收集后可发电250kW·h。已知沼气的主要成分是甲烷，其热值为2.0×107J/m3，则沼气发电的效率为多少？

解析：（1）垃圾发酵产生沼气，沼气燃烧产生高温燃气，化学能转化为内能；燃气推动汽轮机转动，内能转化为机械能；汽轮机驱动发电机发电，机械能转化为电能。

（2）由于产生沼气的原料均为可再生的，故沼气是可再生能源。从节约能源和环境保护角度分析，利用垃圾发电与传统的垃圾填埋处理方法相比，一是可节约能源（或可节约不可再生能源）；二是环保（或减少污染）等。

（3）沼气发电效率

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

三、波浪发电

海水的波浪运动产生十分巨大的能量。波浪发电是通过吸收波浪能装置吸收波浪能，利用波浪能带动发电机发电，将波浪能（机械能）转化为电能，其发电原理与风力发电相似，如图4所示。

图4例3.图5是八浮子（编号为1～8）波浪发电机的俯视图。当浮子随着海面波浪向上浮动时，会通过传动装置带动发电机发电。已知每个浮子的重力为20N，体积为0.016m3，若它在水中上浮带动发电机发电时，露出水面的体积为0.004m3，则：

图5（1）每个浮子上浮带动发电机发电时，受到的浮力是多少？

（2）当海浪的波高为3m、起伏周期为6s时，假设浮子沿竖直方向运动，平均每秒每个浮子带动发电机发电时匀速上浮的高度为0.8m，传动装置和发电机的总效率为30%，求：

①每个浮子对与之相连的硬杆产生的竖直向上的推力；

②波浪发电机的输出功率。

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因平均每秒每个浮子带动发电机发电时匀速上浮，故浮子受到的力为平衡力，即硬杆对浮子竖直向下的作用力F=F浮-G=120N-20N=100N

硬杆对浮子竖直向下的作用力与浮子对硬杆竖直向上的推力为一对相互作用力，二力大小相等，故浮子对硬杆竖直向上的推力F′=F=100N

②每秒内8个浮子对硬杆竖直向上的推力所做的总功

W总=F′s×8=100N×0.8m×8=640J

波浪发电机输出的电能

W电=ηW总=30%×640J=192J

波浪发电机的输出功率

P=W电t=192J1s=192W。

四、潮汐发电

海水时进时退，海面时涨时落，海水的这种自然涨落现象就是人们常说的潮汐。如图6所示，潮汐发电与水力发电的原理相似，它建筑一条大坝把靠海的河口或者海湾与大海隔开，形成一个大水库，发电机组安装在拦海大坝里面，大部分机器在地面下，利用潮汐涨落的水位差来推动水力涡轮发电机组发电，将海水的机械能转化为电能。

图6例4.图7是利用潮汐发电的原理图。左方为陆地和海湾，中间为水坝，其下有通道，无论涨潮或落潮，水流经过通道均可带动发电机发电。一昼夜中两次涨、落潮，四次发电。涨潮时，堵住通道，潮水涨至最高水位时打开通道，进水发电，如图甲所示；当海湾水位涨至最高时，堵住通道，如图乙所示；落潮至最低水位时，打开通道放水发电，如图丙所示。（取g=10N/kg，海水的密度1.0×103kg/m3）

（1）海湾底部受到海水压强较大的是

（填“甲”或“乙”）图；当海湾水位涨至最高时，海湾底部所受水的压强是多少？

（2）每次涨潮（或落潮）经过通道水的质量是多少？

（3）试计算每日水流对水轮发电机做了多少功？

（4）若某次落潮过程中经过通道的水的平均流量为3.6×106m3/h，试求这次落潮过程中水流对水轮机做功的平均功率。

解析：（1）当海湾水位涨至最高时，海湾底部受到海水压强最大，由图可知，海湾底部受到海水压强较大的是乙图。

当海湾水位涨至最高时，海湾底部所受水的压强

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

（2）每次涨潮（或落潮）经过通道水的质量

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

（3）每日水流对水轮机做功

W水=W电η=4.4×104×3.6×106J10%

=1.584×1012J

（4）取t=1h，水流对水轮机做功的平均功率

P=Wt=Ght=mght=ρVght

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

=4×107W=4×104kW。