Question

20．我省目前正在大力開發(fā)的風力發(fā)電是一種將風的動能轉化為電能的環(huán)保發(fā)電方式．風力發(fā)電機的外觀如圖所示，其主要部件包括風輪機、齒輪箱、發(fā)電機等．
（1）風機葉片具有質量輕、強度高、耐磨損等性能，通常用密度小，硬度大（選填“大”或“小”）的復合材料制成．
（2）風輪機葉片旋轉所掃過的面積（S）可視為風力發(fā)電機可接收風能的面積．已知空氣動能與空氣質量成正比，1kg空氣在不同的速度（v）時的動能（E）如表所示．

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

若風力發(fā)電機將可接收的風能轉化為電能的效率η=20%，當?shù)氐目諝饷芏圈?1.3kg/m³，風速v=10m/s，要設計一臺功率P=20kW的風力發(fā)電機，內輪機的葉片旋轉所掃過的面積應為多少？（保留整數(shù)）
（3）在風速和葉片確定的情況下，要提高風輪機單位時間接收的風能，可采取哪些措施？請?zhí)岢鲆粭l建議．

Answer 1

分析 （1）風機葉片材料質量輕減小阻力易于轉動，強度高防止變形，密度小可以減小質量，硬度大增加使用壽命；
（2）單位時間內通過風扇的空氣質量，可理解為流經(jīng)風扇的空氣密度和空氣體積的乘積，然后用風扇的橫截面積和速度公式表示出空氣的體積大小，然后表示出空氣質量的表達式m=ρv=ρsl=ρs•vt，通過比較找出m、v的關系，利用表格所給數(shù)據(jù)算出風速為10m/s時，1s鐘流向葉片旋轉面積的空氣質量，再根據(jù)表格可知確定此時產生的能量，再利用η=$\frac{{W}_{電}}{{W}_{風}}$×100%即可求出內輪機的葉片旋轉所掃過的面積；
（3）要提高風輪機單位時間接受的風能，要從風的方向和可接受風能的面積著手考慮．

解答 解：（1）風機葉片材料質量輕、強度大、耐磨損、密度小、硬度大，可以減小阻力，延長使用壽命，便于安裝等；
（2）由表格得風輪機可接接收的風能為E=$\frac{1}{2}$mv²     
因為ρ=$\frac{m}{V}$，所以空氣的流量為：m=ρSvt   
又由于P₀=$\frac{W}{t}$，則每秒接收的風能為P₀=$\frac{1}{2}$Sv³     
根據(jù)η=$\frac{{W}_{有}}{{W}_{總}}$=$\frac{Pt}{{P}_{0}t}$=$\frac{P}{{P}_{0}}$得發(fā)電機功率為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）要提高風輪機單位時間接受的風能可從：
可增加風輪葉片長度、增大風輪機葉片旋轉所掃過的面積或調整風輪機的方向．
答：（1）大；
（2）設計一臺功率P=20kW的風力發(fā)電機，內輪機的葉片旋轉所掃過的面積應為154m²；
（3）可增加風輪葉片長度、安裝調向裝置，以保證風輪機與風速垂直等．

點評 要解好此題，要求同學們平時關注科學，增加課外閱讀量；聯(lián)系實際，拓寬視野，直面現(xiàn)實生活中的物理問題，學以致用；活化物理基本知識，注重基本素質和能力的培養(yǎng)．