物理競賽典型例題精講——風力發電機效率

02-10-4_風力發電機效率

本期高中物理競賽試題，我們繼續來研究實際生活中的做功問題，本期內容題目簡單，解題思路非常明確，作為能量轉化型別的入門競賽題，本題的解題思路和方法都沒有什麼創新型，可以說是一個不折不扣的練手入門類的題目，但是對於本題目的實際應用的探討，卻是一個非常深刻的問題，隨著中國大力推進新能源的建設和發展，面對風能這種持續可再生的能源，人們的利用率到底有多高，為什麼經常看到太陽能發電卻很少見到風力發電的風車，其中的原因還是很值得思考的，風能在現在科學技術下的利用率到底如何，在現有科學條件下能否進一步提高風能的利用率也是一個很值得研究的問題。

好了，不繞圈子了，先看看題目吧，相信你透過本期內容的標題，也能窺探出本期題目的主要考察內容吧。

高中物理競賽典型題與解題步驟

已知空氣密度為p，風速為v1，風力發電機把垂直透過面積S的風的動能轉化為電能時，輸出的電功率為P，求該風力發電機的效率。

高中物理競賽題解題方法與思路

題目看完了，下面來分析一下做題方法吧。首先此題目是在一個非常理想化的情況下計算出來的結果，實際情況可能比這個值小得多，因為在解此題目的時候，我們考慮風力發電的主要能量轉換過程，即將風的機械能轉化為電能經行輸出的裝置，也就明確了此題目中要求計算的發電效率的兩個基本物理量：發電過程中利用的風能的總量和產生的電能的總量，由於此過程中，風能一定沒有完全轉化為電能，因為有一部分風可能並沒有吹到風力發電機的葉片上，並且即便是吹到風力發電機葉片上的風，在透過發電機後仍舊具有動能，只不過動能減小了而已，因此，透過能量轉化過程的考慮，風力發電機的能量的利用率也不會很高。

好了有了上面的思路，後面的內容就簡單多了，由於題目中已經給出了空氣的密度和空氣的運動速度，考慮在單位時間內，就很簡單的得到單位時間內能夠吹到風力發電機葉片上的空氣質量，也就是題目集體步驟中的二式，在知道了空氣質量的前提下，利用空氣流動速度，就不難得到空氣的動能，這部分動能本身就不是風在單位時間內的全部動能，因為有一部分風沒有吹到風力發電機的葉片上，這部分風的動能沒有計算在內。

透過功與功率的關係，可以知道，在單位時間內，風力發電機產生的電能，即解題步驟中的一式，因此此風力發電機的效率也就能夠表示出來，由於風力發電機是將空氣的動能轉化為電能的過程，因此，產生的電能與所消耗的空氣的機械能的比值，就是風力發電機的效率，即題目解題步驟中的四式，題目解完。

透過網路代入相關資料，可以瞭解到，一般的風力發電機的能量的利用率大約只有0。2左右，也就是隻有20%的風能能夠轉化為電能，被人們利用，而絕大多數的風能都沒有被利用，相比於風力發電系統，中國近期在西部地區建設的新型太陽能發電站，其太陽能的利用率能夠達到45%作用，遠遠高於風力發電系統。