Question

15．為了節(jié)能環(huán)保，城市安裝了一種“風光互補路燈”，利用風力發(fā)電機和太陽能電池板獲得電能，儲存在蓄電池（Ah是蓄電池容量I-t的單位）中，某種型號的這種路燈系統(tǒng)參數(shù)如下：

風力發(fā)電機		太陽能電池組件
最小啟動風速	1.0m/s	太陽能電池	36W
最小充電風速	2.0m/s	太陽能轉(zhuǎn)換效率	15%
最大限制風速	12.0m/s	蓄電池	500Ah-12V
最大輸出功率	400W	大功率LED路燈	80W-12V

（1）根據(jù)蓄電池的參數(shù)，計算它充滿電時儲存了多少焦耳的電能？
（2）當風力達到最大輸出功率時，將蓄電池充滿需要多長時間？
（3）已知當?shù)卮怪庇谔�陽光的平面得到的太陽輻射最大強度約為240W/m²，若要將太陽能電池的最大功率達到36W，則太陽能電池板的面積至少要多大？
（4）已知風力發(fā)電機的輸出電功率P與風速v的平方成正比．我市沿海風速不低于6m/s的時間每年不少于4000h，試估算這臺風光互補路燈系統(tǒng)利用風能的最小年發(fā)電量是多少kW•h？

Answer 1

分析 （1）由表格數(shù)據(jù)可知，蓄電池的規(guī)格，根據(jù)W=UIt求出充滿電時儲存的電能；
（2）由表格數(shù)據(jù)可知，風力發(fā)電機的最大輸出功率，根據(jù)W=Pt求出將蓄電池充滿時需要的時間；
（3）已知太陽能的轉(zhuǎn)換效率和太陽輻射最大強度及需要達到的最大功率，利用效率公式計算得出面積；
（4）已知風力發(fā)電機的輸出電功率P與風速v的平方成正比，可以得到風速為5m/s時的輸出功率；已知發(fā)電機的輸出功率和工作時間，利用W=Pt得到年發(fā)電量．

解答 解：
（1）蓄電池充滿電時儲存的電能：W=UIt=12V×500A×3600s=2.16×10⁷J；
（2）由表格數(shù)據(jù)可知，風力發(fā)電機的最大輸出功率P=400W，
由W=Pt可得，將蓄電池充滿時需要的時間：
t=$\frac{W}{P}$=$\frac{2.16×1{0}^{7}J}{400W}$=5.4×10⁴s；
（3）太陽輻射最大強度E=240W/m²，太陽能電池的最大功率P_大=36W，太陽能轉(zhuǎn)換效率為15%，
由η=$\frac{{P}_{大}}{ES}$可得，太陽能電池板的最小面積：
S=$\frac{{P}_{大}}{Eη}$=$\frac{36W}{240W/{m}^{2}×15%}$=1m²．
（4）根據(jù)題意有$\frac{{P}_{額}}{P}$=$\frac{{v}_{額}^{2}}{{v}^{2}}$，
當風速為6m/s時風力發(fā)電機的輸出功率P=$\frac{{P}_{額}{v}^{2}}{{v}_{額}^{2}}$，
所以最小年發(fā)電量：
W=Pt′=$\frac{{P}_{額}{v}^{2}}{{v}_{額}^{2}}$t′=$\frac{400×1{0}^{-3}Kw×（6m/s）^{2}}{（12m/s）^{2}}$×4000h=400kW•h．
答：（1）根據(jù)蓄電池的參數(shù)，它充滿電時儲存的電能為2.16×10⁷J；
（2）當風力達到最大輸出功率時，將蓄電池充滿需要是時間5.4×10⁴s；
（3）已知當?shù)卮怪庇谔�陽光的平面得到的太陽輻射最大強度約為240W/m²，若要將太陽能電池的最大功率達到36W，則太陽能電池板的面積至少要1m²；
（4）這臺風光互補路燈系統(tǒng)利用風能的最小年發(fā)電量是多400kW•h．

點評 對于此類結(jié)合現(xiàn)代科技考查物理知識的題目，是現(xiàn)在中考的熱點，解決此類問題時要緊扣物理考點，認真分析作答．