Question

20．我省目前正在大力開(kāi)發(fā)的風(fēng)力發(fā)電是一種將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的環(huán)保發(fā)電方式．風(fēng)力發(fā)電機(jī)的外觀如圖所示，其主要部件包括風(fēng)輪機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等．
（1）風(fēng)機(jī)葉片具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐磨損等性能，通常用密度小，硬度大（選填“大”或“小”）的復(fù)合材料制成．
（2）風(fēng)輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)所掃過(guò)的面積（S）可視為風(fēng)力發(fā)電機(jī)可接收風(fēng)能的面積．已知空氣動(dòng)能與空氣質(zhì)量成正比，1kg空氣在不同的速度（v）時(shí)的動(dòng)能（E）如表所示．

空氣動(dòng)能E（J）	2	8	18	32	50
空氣流速v（m/s）	2	4	6	8	10

若風(fēng)力發(fā)電機(jī)將可接收的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率η=20%，當(dāng)?shù)氐目諝饷芏圈?1.3kg/m³，風(fēng)速v=10m/s，要設(shè)計(jì)一臺(tái)功率P=20kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，內(nèi)輪機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)所掃過(guò)的面積應(yīng)為多少？（保留整數(shù)）
（3）在風(fēng)速和葉片確定的情況下，要提高風(fēng)輪機(jī)單位時(shí)間接收的風(fēng)能，可采取哪些措施？請(qǐng)?zhí)岢鲆粭l建議．

Answer 1

分析 （1）風(fēng)機(jī)葉片材料質(zhì)量輕減小阻力易于轉(zhuǎn)動(dòng)，強(qiáng)度高防止變形，密度小可以減小質(zhì)量，硬度大增加使用壽命；
（2）單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)風(fēng)扇的空氣質(zhì)量，可理解為流經(jīng)風(fēng)扇的空氣密度和空氣體積的乘積，然后用風(fēng)扇的橫截面積和速度公式表示出空氣的體積大小，然后表示出空氣質(zhì)量的表達(dá)式m=ρv=ρsl=ρs•vt，通過(guò)比較找出m、v的關(guān)系，利用表格所給數(shù)據(jù)算出風(fēng)速為10m/s時(shí)，1s鐘流向葉片旋轉(zhuǎn)面積的空氣質(zhì)量，再根據(jù)表格可知確定此時(shí)產(chǎn)生的能量，再利用η=$\frac{{W}_{電}}{{W}_{風(fēng)}}$×100%即可求出內(nèi)輪機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)所掃過(guò)的面積；
（3）要提高風(fēng)輪機(jī)單位時(shí)間接受的風(fēng)能，要從風(fēng)的方向和可接受風(fēng)能的面積著手考慮．

解答 解：（1）風(fēng)機(jī)葉片材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、耐磨損、密度小、硬度大，可以減小阻力，延長(zhǎng)使用壽命，便于安裝等；
（2）由表格得風(fēng)輪機(jī)可接接收的風(fēng)能為E=$\frac{1}{2}$mv²     
因?yàn)棣?$\frac{m}{V}$，所以空氣的流量為：m=ρSvt   
又由于P₀=$\frac{W}{t}$，則每秒接收的風(fēng)能為P₀=$\frac{1}{2}$Sv³     
根據(jù)η=$\frac{{W}_{有}}{{W}_{總}(cāng)}$=$\frac{Pt}{{P}_{0}t}$=$\frac{P}{{P}_{0}}$得發(fā)電機(jī)功率為P=ηP₀=η$\frac{1}{2}$Sv³
故S=$\frac{2P}{ηρ{v}^{3}}$=$\frac{2×20000W}{20%×1.3kg/{m}^{3}×（10m/s）^{3}}$≈154m²
（3）要提高風(fēng)輪機(jī)單位時(shí)間接受的風(fēng)能可從：
可增加風(fēng)輪葉片長(zhǎng)度、增大風(fēng)輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)所掃過(guò)的面積或調(diào)整風(fēng)輪機(jī)的方向．
答：（1）大；
（2）設(shè)計(jì)一臺(tái)功率P=20kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，內(nèi)輪機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)所掃過(guò)的面積應(yīng)為154m²；
（3）可增加風(fēng)輪葉片長(zhǎng)度、安裝調(diào)向裝置，以保證風(fēng)輪機(jī)與風(fēng)速垂直等．

點(diǎn)評(píng) 要解好此題，要求同學(xué)們平時(shí)關(guān)注科學(xué)，增加課外閱讀量；聯(lián)系實(shí)際，拓寬視野，直面現(xiàn)實(shí)生活中的物理問(wèn)題，學(xué)以致用；活化物理基本知識(shí)，注重基本素質(zhì)和能力的培養(yǎng)．