在建设资源节约型社会里,武汉光谷已经使用风光互补路灯系统(如图所示).风光互补路灯系统具备了风能和太阳能产品的双重优点:没有风能的时候可以通过太阳能电池组件发电并储存

首页 > 考试 > 物理 > 初中物理 > 速度的计算/2022-02-18 / 加入收藏 / 阅读 [打印]

◎ 题目

在建设资源节约型社会里,武汉光谷已经使用风光互补路灯系统(如图所示).风光互补路灯系统具备了风能和太阳能产品的双重优点:没有风能的时候可以通过太阳能电池组件发电并储存在蓄电池中;有风能、没有光能时可以通过风力发电机发电,并储存在蓄电池;风光都具备时,可以同时发电.某种型号的风光互补路灯技术参数如下:
风力发电额定功率 风力发电额定风速 风力发电机启动风速 路灯 风力发电机
风扇直径
太阳能电池板平均输出功率: 太阳能电池板使用寿命
300W 9m/s 3m/s 70W 1.4m 80W 20年
(1)如果太阳光照射到地面时的辐射功率为1000J/(s?m2)(1s辐射在每1m2上的光能为1000J),太阳能电池光电转换效率为8%,则太阳能电池板的面积为多大?
(2)在平均风速为9m/s的晚上,风力发电机除供电源正常工作外,同时还给蓄电池充电,如果蓄电池一个晚上储存电能1.84度,则风力发电机一晚上工作时间为多少?
(3)武汉地区夏季的平均风速是9m/s,空气的密度是1.2kg/m3.平均1s时间内有多少质量的气流冲击风力发电机风扇转动形成的圆面?如果lkg空气以这样的速度运动时具有的动能为40.5J,求当风速为9m/s时,这台风力发电机的效率?(π取3,计算结果取整数.)
(4)已知风力发电机的输出电功率P与风速V的平方成正比.光谷地区风速不低于6m/s的时间每年约为5100h,试估算这台风光互补路灯利用风能的最小年发电量是多少kW?h.

◎ 答案

(1)太阳能电池板接收到的总功率:
P=
P输出
η
=
80W
8%
=1000W,
则太阳能电池板的面积:
S=
1000W
1000W/m2
=1m2
(2)蓄电池可储存的电能为W=(P-P)t,则
风力发电机一晚上的工作时间:
t=
W
P-P
=
1.84KW?h
(300-70)×10-3KW
=8h;
(3)根据v=
s
t
可得:
每秒钟通过的空气流的长度L=vt=9m/s×1s=9m,
每秒钟通过风车轮叶形成的圆面空气流的体积V=SL=π(
D
2
2×L=3×(
1.4m
2
2×9m=13.23m3
根据ρ=
m
V
可得:
空气流的质量m=ρV=1.29kg/m3×13.23m3=17.0667kg≈17kg;
每秒内冲击风力发电机风扇转动气流的动能:
E=40.5J/kg×17kg=688.5J,
风力发电机的效率
η=
Pt
E
×100%=
300W×1s
688.5J
×100%≈44%;                
(4)按题意,风速为6m/s风力发电机的输出功率:
P2=(
v2
v1
2×P1=(
6m/s
9m/s
2×300W=
400
3
W,
最小年发电量约为:
W=P2 t1=
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