1、第二节第二节 能源的利用方式能源的利用方式 学习目标 1.了解各种能源的开发和利用的现状与前景.2.会分析计算简单的水能、风能、太阳能的有关问 题 一、能源的分类 1化石能源：如石油、煤炭、天然气等 现状：给人类带来环境污染能源短缺 2新能源：如水能、风能、太阳能、核能等 二、水能 1水能指水体的动能、势能、压力能等 广义的水能资源：河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源 狭义的水能资源：河流的水能资源 2水力发电：水的势能水轮机的机械能 发电机发电 电能 3特点：可再生、无污染 三、风能 1风力发电：风的动能 风力带动风车叶片转动 风车叶片的机械能 带动发电机转动 电能 2特点：清洁、
2、安全、可再生 四、太阳能 太阳能的利用方式：光热转换、光电转换、光化学转换 五、核能 1核能是核反应中释放的能量，核裂变和核聚变是核反应的两种方式 2核裂变：由较重的原子核分裂成两个或多个质量较轻的原子核的反应叫作核裂变 核聚变：由两个质量较轻的原子核在一定条件下聚合成一个较重的原子核的反应叫作核聚变 (1)水能的利用主要利用其重力势能，将重力势能转化为水轮机的动能，然后转化为电能( ) (2)风力发电是将风能转化为电能( ) (3)家庭用的太阳能热水器是将太阳能转化为水的内能(热能)( ) 一、水能的利用 1水能的利用 水能包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等水流能的利用主要利用水的动能
3、和重力势能，水力发电 是利用水的动能带动水轮机转动，转化为水轮机的动能，然后带动发电机发电 2水能是清洁能源，是可再生能源 如图 1 是某类潮汐发电图涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸 门(见图 a)当落潮时，开闸放水发电(见图 b)设海湾水库面积为 5.0108 m2，平均潮差为 3.0 m，一天涨 落潮两次，发电的平均能量转化率为 10%，则一天内发电的平均功率约为(水取 1.0103 kg/m3，g 取 10 N/kg)( ) 图 1 A2.6104 kW B5.2104 kW C2.6105 kW D5.2105 kW 答案 B 解析 利用潮汐发电，就是水的
4、重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是 10%，一次涨潮、退潮后水 坝内水的势能增加： W水Ghmgh水Vgh水Shgh h 为水的重心下降的高度，即：h3 2 m 则水的势能可转变为电能：W电W水10%2.251012 J. 每天两次涨潮， 则该电站一天能发电 W电2W电4.51012 J， 所以每天的平均功率为 PW 电 t 5.2104 kW，故 A、C、D 错误，B 正确 二、风能的利用 1风力发电是风能的主要利用方式，风力带动风车叶片旋转，把风的动能转变为风车叶片的动能，发电机 在风车叶片的带动下旋转发电 2风能是清洁能源，是可再生能源 近年来我国建立了许多风力发电厂， 如图 2
5、所示 某台风力发电机的输出功率为 P， 输出电压为 U， 则输电线上的电流为 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某台风力 发电机风轮机叶片的长度为 r，设空气的密度为 ，气流速度为 v，则在时间 t 内风轮机可以接受到的最大风 能为 图 2 答案 P U r2v3t 2 解析 某台风力发电机的输出功率为 P，输出电压为 U，则输电线上的电流为：IP U；在时间 t 内通过风轮 机的最大空气质量为 mvtr2. 时间 t 内风轮机可以接受到的最大风能为 E1 2mv 21 2vtr 2 v2r 2v3t 2 . 三、太阳能的利用 1太阳能的利用方式很多，常见的有以下几种： (
6、1)太阳能热水器：太阳能水的内能 (2)温室大棚、太阳房：太阳能空气的内能 (3)太阳能电池：太阳能电能 2太阳能是清洁能源，是可再生能源 太阳能是人类最基本的能源，它无污染、无费用，这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长，当太 阳光照射地面时，在 1 m2地面上 1 s 内平均得到的太阳辐射能约为 1.0103 J太阳能热水器就是直接利用 太阳能的装置， 目前已经逐渐地出现在我们的生活中， 晓阳在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告： (水的比热容 c4.2103 J/kg ) 容积(V) 100 L 集热管的采光面积(S) 1.5 m2 效率() 40% 使用年限(z) 15 年 (1)晓
7、阳家每天大约需要100 kg 热水，用这种热水器将这些水从25 加热到45 需要多长时间？ (2)与效率为 80%的电热水器相比，晓阳家每天节约多少电能？ 答案 (1)3.9 h (2)2.9 kW h 解析 (1)设 T 为光照时间，k1.0103 J/(s m2)， Q吸cm(tt0)4.210310020 J8.4106 J， 太阳能热水器传给水的热量 Q放kST， 因为 Q吸Q放，所以 TQ 放 kS 8.4106 1.01031.540% s1.410 4 s3.9 h. (2)由 Q电W1Q放得 WQ 电 1 8.410 6 0.8 J1.05107 J2.9 kW h. 1(风能
8、的利用)风力发电是一种环保的电能获取方式图 3 为某风力发电站外观图假设当地水平风速约 为 10 m/s，该风力发电站利用风的动能转化为电能的效率约为 20%，风力发电机的叶片长度为 10 m，空气 的密度是 1.29 kg/m3，某一工厂用电的功率为 320 kW，则大约需要多少台这样的风力发电机同时为该工厂 供电( ) 图 3 A6 B8 C10 D12 答案 B 解析 叶片旋转所形成的圆面积为 SL2，t 秒内流过该圆面积的风柱体积为 VSvtL2vt，风柱体的质 量为 mVL2vt，风柱体的动能为 Ek1 2mv 21 2L 2v3t，转化成的电能为 EE k1 2L 2v3t，输出的
9、电 功率为 PE t 1 2L 2v31 20.21.293.1410 2103 W41 kW，故需要 n320 kW 41 kW 8 台风力发电机， B 正确 2.(太阳能的利用)图 4 所示中的路灯为太阳能路灯，每只路灯的光伏电池板有效采光面积约 0.3 m2.晴天时电 池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为 3106 J如果每天等效日照时间约为 6 h，光电池一天产 生的电能可供 30 W 的路灯工作 8 h光电池的光电转换效率约为( ) 图 4 A4.8% B9.6% C16% D44% 答案 C 解析 每天(6 h)太阳能电池板吸收的太阳能：W总0.331066 J5.4106
10、J， 路灯正常工作，PP额30 W， 正常工作 8 h 消耗的电能：WPt3083 600 J8.64105 J，利用太阳能的效率： W W总100% 8.64105 5.4106 100%16%，选 C. 3(核能的利用)如图 5 所示，有关核电站发电过程中的能量转化情况，下列说法正确的是( ) 图 5 A发电机是将电能转化为机械能 B汽轮机是将内能转化为机械能 C核电站是利用核聚变释放的核能 D核电站是利用化学反应释放的核能 答案 B 解析 发电机将机械能转化为电能，故 A 错误；汽轮机将内能转化为机械能，故 B 正确；核电站利用的是 核裂变释放的能量，故 C、D 错误 4(水能的利用)利用水能不产生污染物，水能是一种清洁能源，位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布 流量达每秒 6 000 m3， 而且是一年四季流量稳定， 瀑布落差 50 m 若利用这一资源发电， 设其效率为 50%， 估算发电机的输出功率(g 取 10 m/s2，水1.0103 kg/m3) 答案 1.5109 W 解析 取每秒流下的水量研究：m0V6106 kg， 由能量守恒定律有：m0gh50%P t，t 取 1 s，h50 m， 所以 P6106105050% W1.5109 W.