Question

9．如图1是风光互补路灯系统，该系统既可以通过太阳能电池组独立发电并储存在蓄电池中，也可以通过风力发电机独立发电并储存在蓄电池中；在风、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	路灯额定电压	路灯额定功率	太阳能电池板平均输出功率
260W	8m/s	3m/s	24V	60W	100W

（1）假设路灯每晚工作10h，求路灯正常工作时的电流和每晚消耗的电能．
（2）如果太阳光照射到地面时的辐射功率为800J/（s•m²）（1s辐射在1m²上的光能为800J），若太阳能电池板的面积为1.25m²，太阳能电池光电转换效率为多大？
（3）在平均风速为8m/s的晚上，风力发电机除了保障路灯正常工作外，同时还给蓄电池充电，如果风力发电机一晚上工作时间为8h，则在这段时间内蓄电池储存电能是多少kW•h？
（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．我市沿海风速不低于5m/s的时间每年不少于4000h，试估算这台风光互补路灯系统利用风能的最小年发电量是多少kW•h？

Answer 1

分析 （1）已知路灯的额定功率和额定电压，利用I=$\frac{P}{U}$计算正常工作的电流；已知额定功率和工作时间，利用W=Pt得到每天消耗的电能；
（2）已知太阳光照射到地面时的辐射功率和电池板的面积，可以得到太阳能电池板接收到的总功率；电池板的输出功率与总功率之比就是转换效率；
（3）已知风力发电的额定功率和发电时间，可以得到获得的电能，减去路灯消耗的电能就是蓄电池储存的电能；
（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，可以得到风速为5m/s时的输出功率；已知发电机的输出功率和工作时间，利用W=Pt得到年发电量．

解答 解：
（1）路灯正常工作的电流：
I=$\frac{{P}_{L}}{{U}_{L}}$=$\frac{60W}{24V}$=2.5A；
由P=$\frac{W}{t}$可得路灯每晚消耗的电能：
W=P_Lt
=60W×10×3600s
=2.16×10⁶J；
（2）太阳能电池板接收到的总功率：
P_总=800W/m²×1.25 m²=1000W
太阳能电池板平均输出功率P_出=100W
所以光电转换效率：
η=$\frac{{P}_{出}}{{P}_{总}}$=$\frac{100W}{1000W}$=10%；
（3）蓄电池储存的电能：
W=P_额t_风-P_灯t_灯=0.26kW×8h-0.06kW×8h=1.6kW•h；
（4）根据题意有$\frac{{P}_{额}}{P}$=$\frac{{v}_{额}^{2}}{{v}^{2}}$
当风速为5m/s时风力发电机输出功率P=$\frac{{P}_{额}^{2}}{{v}_{额}^{2}}$
所以最小年发电量：
W=Pt′=$\frac{{P}_{额}{v}^{2}}{{v}_{额}^{2}}$t=$\frac{0.26kW×（5m/s）^{2}}{（8m/s）^{2}}$×4000h=406.25 kW•h．
答：
（1）路灯正常工作时的电流为2.5A；每晚消耗的电能为2.16×10⁶J；
（2）太阳能电池光电转换效率为10%；
（3）在这段时间内蓄电池储存电能为1.6kW•h；
（4）这台风光互补路灯系统利用风能的最小年发电量为406.25kW•h

点评 对于此类结合现代科技考查物理知识的题目，是现在中考的热点，解决此类问题时要紧扣物理考点，认真分析作答．