用能量守恒定律處理新能源問題

徐高本

能源危機(jī)是制約現(xiàn)代社會發(fā)展的嚴(yán)重問題，開發(fā)和利用可再生能源是中國立足自身解決能源困擾問題的重要舉措。一切能量來自能源，能量是物理學(xué)的一個(gè)重要概念，機(jī)械能、內(nèi)能、電能、光能、核能……形形色色的能可以相互轉(zhuǎn)化，但總能量保持不變，這就是能的轉(zhuǎn)化與守恒定律，這一規(guī)律像一根紅線一樣貫穿整個(gè)高中物理。以開發(fā)新能源為背景，川能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)分析物體的運(yùn)動與相互作用情況足近兒年各類考試的熱點(diǎn)。下面舉例說明。

一、風(fēng)能

例1，據(jù)報(bào)道，2015年5月6日，“央企廣西行”9億元風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)日落戶田陽縣。風(fēng)力發(fā)電是目前可再生能源中技術(shù)比較成熟，具有規(guī)模化開發(fā)條件和商業(yè)發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)。小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般小并網(wǎng)發(fā)電，只能獨(dú)立使用，單臺裝機(jī)容量通常小超過10kW。它的構(gòu)成為“風(fēng)力發(fā)電機(jī)十充電器十?dāng)?shù)字逆變器”。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。葉片用來接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組切割磁感線產(chǎn)生電能。因風(fēng)量不穩(wěn)定，故小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸I{1的足l 3～25 V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流再對蓄電池充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變?yōu)榛瘜W(xué)能。最后經(jīng)逆變處理后供給用戶使用?，F(xiàn)要設(shè)計(jì)一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率為40 kW。實(shí)驗(yàn)測得風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能的效率約為20%，空氣的密度是1.2gkg/m3，當(dāng)?shù)厮斤L(fēng)速約為10m/s，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長度約為多少才能滿足設(shè)計(jì)要求？

建立柱體模型是解答此題的關(guān)鍵。

二、太陽能

例2 如圖2所示，在圓柱形水池正上方，有一底面半徑為r的圓柱形儲水桶。水桶底部有多個(gè)水平小孔，小孔噴出的水在水池中的落點(diǎn)離水池中心的距離為R，水桶底部與水池水面之間的高度差是，h。為了 維持水桶水面的高度不變，用水泵通過細(xì)水管將灑落的水重新抽回到高度差為H的水桶上方。水泵由效率為η₁，的太陽能電池板供電，電池板與水平面之問的夾角為a，太陽光豎直向下照射（如圖3所示），太陽光垂直照射時(shí)單位時(shí)間、單位而積接受的能量為F₀。水泵的效率為η₂。，水泵出水U單位時(shí)間流出水的質(zhì)量為m₀，流出水流的速度大小為v₀，此時(shí)水泵的工作能維持水面的高度不變，重力加速度為g，不汁水在細(xì)水管和空氣中運(yùn)動時(shí)所受的阻力。求：

（1）水從小孔噴出時(shí)的速度大?。?/p>

（2）水泵的輸出功率；

（3）為了使水泵的工作能維持水面的高度小變，太陽能電池板面積的最小值S。

對于水泵出水口單位時(shí)問流出的水可建立類似于例1中的柱體模型?？蓪⑺暗撞坑卸鄠€(gè)水平小孔噴出的水抽象為平拋運(yùn)動模型進(jìn)行分析。

（3）考慮單位時(shí)間內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化及利川效率，太陽能電池板接收太陽能的其中一部分轉(zhuǎn)變成電能E₁，電能通過水泵將其中的部分轉(zhuǎn)變成水的勢能與動能E₂，有：

此題是太陽能轉(zhuǎn)化為電能，可由能量守恒的轉(zhuǎn)化式△E₂=η△E₁列式求解。

不同形式的能可以相互轉(zhuǎn)化，水的重力勢能可以轉(zhuǎn)化為動能，動能可以轉(zhuǎn)化為電能。在世界能源危機(jī)的今天，人們越來越重視利用水的重力勢能進(jìn)行發(fā)電，下面舉例說明。

三、潮汐能

例3 潮汐能是一種有待開發(fā)的新能源，利用漲、落潮位差，可以把潮汐勢能轉(zhuǎn)化為動能再誦討水輪機(jī)發(fā)電。如圖4所示為雙向型潮汐電站示意圖，在海灣建一攔水壩，使海灣與大海隔開構(gòu)成水庫，在壩上安裝水輪發(fā)電機(jī)組，利用潮汐造成的壩內(nèi)、外水位差，引導(dǎo)高水位的海水通過水輪發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。海水密度ρ=1.0×103kg/m2，g=10m/s2。

（1）試用圖中規(guī)定的符號，畫出漲潮和落潮時(shí)海水雙向流動的路徑。

（2）已知某潮汐電站海灣水庫面積約2.5×106m2，假設(shè)電站的總能量轉(zhuǎn)換效率為10%，該電站的年發(fā)電總量為1.O×107 kW.h，電站發(fā)電功率為3.2×103kW。試推算出大壩兩側(cè)漲、落潮的平均潮差及日滿負(fù)荷工作的時(shí)間。

（1）漲潮、落潮時(shí)海水雙向流動的路徑應(yīng)從兩方面考慮：一是漲潮時(shí)海水從外海流向水庫（虛線所示），落潮時(shí)海水從水庫流向外海（實(shí)線所示），二是應(yīng)使水流從同一方向流過水輪機(jī)。海水雙向流動的路徑如圖5所示。

（2）設(shè)大壩兩側(cè)漲、落潮的平均潮差為h （m）。

每天海水漲、落兩次，雙向潮汐電站做功4次，由題意列式：

利用漲、落潮位差發(fā)電，應(yīng)從漲潮、落潮兩方面考慮，推算出大壩兩側(cè)漲、落潮的平均潮差及日滿負(fù)荷工作的時(shí)間，要注意選擇合適的物理規(guī)律，在運(yùn)算中各物理量要統(tǒng)一采用S1單位。

四、水能

例4 三峽水力發(fā)電站是我國最大的水力發(fā)電站。三峽水庫二期蓄水后，水位落差約135m，通過發(fā)電機(jī)組的水流量約1.0×l04 m3/s。水流通過水輪機(jī)發(fā)電時(shí)，水流減少的機(jī)械能有20%轉(zhuǎn)化為電能，g=10 m/s2，水的密度ρ=1.0×103kg/m3。

（1）發(fā)電站的發(fā)電功率最大是多少？

（2）某市約有800萬人口，試估計(jì)三峽水電站可以供多少個(gè)這樣的城市的家庭用電。

附表：一般家庭（三口之家）用電情況

小結(jié)：聯(lián)系新能源實(shí)際的問題是當(dāng)今社會的熱點(diǎn)。求解與新能源有關(guān)的問題時(shí)，首先，要建立物理模型，其次，要分清能量轉(zhuǎn)化的形式和轉(zhuǎn)化的方向，最后，對于涉及不同形式能量轉(zhuǎn)化效率的問題，一般應(yīng)采用表達(dá)式△E₂=ηE₁列式求解。