主页！【伯汇注册】！主页·物理与实践·例析清洁能源的开发和利用解永平(江苏省句容高级中学 江苏 句容 212400)低碳, 英文为 low carbon, 意指较低(更低)的温室气体(二氧化碳为主)排放.随着世界工业经济的发展, 人口的剧增, 工厂、交通运输以及家庭等大量燃烧煤、石油等化石燃料, 再加上滥伐森林, 使大气中的二氧化碳浓度逐年增加.二氧化碳等温室气体能够使太阳能量通过短波辐射达到地球,而地球以长波辐射形式向外散发的能量却无法透过温室气体层, 形成“ 温室效应” , 造成地表温度增加, 地球气候正变得越来越热.工业革命之前, 地球大气中的二氧化碳浓度大约是280 p...

　　物理与实践例析清洁能源的开发和利用解永平(江苏省句容高级中学 江苏 句容 212400)低碳, 英文为 low carbon, 意指较低(更低)的温室气体(二氧化碳为主)排放.随着世界工业经济的发展, 人口的剧增, 工厂、交通运输以及家庭等大量燃烧煤、石油等化石燃料, 再加上滥伐森林, 使大气中的二氧化碳浓度逐年增加.二氧化碳等温室气体能够使太阳能量通过短波辐射达到地球,而地球以长波辐射形式向外散发的能量却无法透过温室气体层, 形成“ 温室效应” , 造成地表温度增加, 地球气候正变得越来越热.工业革命之前, 地球大气中的二氧化碳浓度大约是280 ppm, 即每 100 万千克空气中含有 280 千克的二氧化碳.自从人类开始燃烧化石燃料(即煤、石油和天然气)来为自己的生活提供动力以来, 地球大气中的二氧化碳浓度就开始攀升.20 世纪 50 年代末, 大气中二氧化碳的浓度已经达到了315 ppm.现在, 该数字达到了 380 ppm, 并且以每年约 2ppm 的速度不断增长.近年来的科学研究显示, 450 ppm 是地球大气中二氧化碳浓度的极限.如果二氧化碳浓度持续以每年约 2 ppm 的速度升高, 距离达到这一极限数值就只剩下35年时间了.因此, 有效降低二氧化碳排放, 已成为目前世界各国为阻断全球变暖、延缓二氧化碳浓度极限过早到来的共同努力方向.这就要求我们人类对目前的能源结构要进行调整, 应进一步加大对清洁能源的开发和利用.清洁能源是不排放污染物的能源, 如水力发电、风力发电、太阳能、海潮能等.1水力发电水能是指水体的动能、势能和压力能等能量资源.地球表面以海洋为主体的水体, 在太阳能的作用下, 蒸发成水汽升到高空, 在风力推动下, 部分水汽被吹向大陆, 在适当条件下凝结成水滴下降, 经地面汇集补给河川径流, 汇入海洋.这是一个以太阳热能为动力的水文循环, 周而复始 , 永不停息.河川径流是这一循环中的一个环节, 因而水能资源不断再生, 并且无污染.例 1高20 m 的瀑布, 1 min内流下的水冲击水轮机后,其水流的功率有20%转化为电能, 若发电的功率为 200 kW,则水流的功率为 , 1 min 内流下的水量是 kg.(水的初速不计, g 取 10 m s 2 )分析与解 水流的功率为P 水 =P 电=20020%= 1000 kW,电能由水的重力势能转化而来, 则P 水 =mght,可得 m =P 水 tgh=10 6 ×6010 ×20kg =3 ×10 5 kg.2风力发电在自然界中, 风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源.加大对风能的开发和利用, 可减少二氧化碳等温室气体的排放, 保护地球环境.目前风能的利用主要是以风力发电的形式为主.例 2风能将成为 21 世纪大规模开发的一种可再生清洁能源.风力发电机是将风能(气流的功能)转化为电能的装置, 其主要部件包括风轮机、齿轮箱, 发电机等.如图 1 所示.(1)利用总电阻 R =10 的线路向外输送风力发电机产生的电能.输送功率 P 0 =300kW, 输电电压 U =10 kW, 求导线上损失的功率与输送功率的比值;(2)风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积.设空气密度为 , 气流速度为 v , 风轮机叶片长度为 r.求单位时间内流向风轮机的最大风能 P m ;在风速和叶片数确定的情况下, 要提高风轮机单位时间接受的风能,简述可采取的措施.(3)已知风力发电机的输出电功率 P 与P m 成正比.某风力发电机的风速 v 1 = 9 m s 时能够输出电功率 P 1 = 540kW.我国某地区风速不低于 v 2 = 6 m s 的时间每年约为5000 小时, 试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时.分析与解 (1)导线上损失的功率为P = I 2 R =(P 0U)2R =(300×10 310×10 3)2×10 W=9 ×10 3 W,损失的功率与输送功率的比值=P 0P=9 ×10 3300×10 3=0.03.(2)风垂直流向风轮机时, 提供的风能功率最大.单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为:m =vS , 叶片旋转面积:S = r 2 .风能的最大功率可表示为P m =12(vS)v 2 =12(vr 2 )v 2 =12r 2 v 3 .可采取措施:如增加风轮机叶片长度, 安装调向装置保持风轮机始终正面迎风等.(3)按题意, 风力发电机的输出功率为P 2 =( V2V 1 )3 P1 =( 69)3×540 kW =160 kW,最小年发电量约为W =P 2 t =160 ×5000 kW h =8 ×10 5 kW h.3太阳能太阳能是将太阳的光能转换成为其他形式的热能、电 58 2011年 3月Vol.29No.05中学物理