Question

如图甲所示，是江苏如东风力发电场的外景，该场是亚洲目前建设规模最大的风电基地．小明在参观了发电场后，对风力发电机产生了浓厚的兴趣．

风力发电机发电时的输出功率和哪些因素有关呢？对这一问题，他做了如下猜想：
①风力发电机的输出功率可能与风速有关．
②风力发电机的输出功率可能与叶片的倾角有关．
（1）请你也提出一个猜想：
③风力发电机的输出功率可能与______有关．
为了探究风力发电机的输出功率是否与风速有关，小明设计了如下实验步骤：①如图乙，将风叶安装在风车底座上，把线的一端固定在风车转轴上，另一端系上钩码．②在风车正前方1米处放置电风扇，将电风扇的风速调到1挡位，用秒表记录提升钩码到A点所需的时间．③将电风扇换到2、3挡位，重复以上实验，并将数据记录在表格中．（注：电风扇挡位越高，风速越大）
表一：

电风扇挡位	钩码的质量（克）	提升钩码到A点的时间（秒）
1	50	15
2	50	13
3	50	10

请你回答：
（2）这个实验是通过测量______来比较风车输出功率的大小．
（3）通过实验可以得到的结论是：______．
为了进一步研究风力发电机，他又从电厂查到一台1500kW的发电机组的相关数据：
表二：输出功率与风速的关系

风速（m/s）	5	10	15	20
输出功率（kW）	80	720	1500	1100

表三：不同风速下风力发电机每秒获得的风能：

风速（m/s）	5	10	15	20
1s获得的能量（10^4J）	15	120	405	350

（4）风能是清洁能源，也是______（选填“可再生”或“不可再生”）能源．风力发电机的工作原理是______．
（5）对表格进行分析，你发现风速在5m/s～15m/s的范围内，风力发电机每秒获得的风能与风速的关系是______．
（6）风速为10m/s时，这台发电机1h发的电可供教室里10盏标有“220V  40W”的灯同时工作______h．这些能量相当于______kg煤完全燃烧放的热．（煤的热值是3×10⁷J/kg）
（7）风速为10m/s时，这台发电机的发电效率为______．
（8）当风速超过20m/s时，为了防止每秒获得的风能过大，导致风叶损坏，你认为可采取的措施是：______．

Answer

（1）风速、叶片的倾角、叶片的材料以及叶片的表面积都可以影响发电机的输出功率；
（2）因风车输出的功率为提升重物的功率，要求提升重物的功率可以由P===mgV来求；而知道提升时间即可以得出提升物体的速度，则可比较风车的输出功率大小．
（3）分析表一中数据，电风扇档位越高，风速越大，提升钩码到A点的时间越短，据此得出结论．
（4）风能是可再生能源，发电机的制作原理是电磁感应现象，即发电过程是将机械能转化为电能的过程．
（5）由表二和表三可知，风速小于15m/s时，风速越大，发电机的输出功率增大，获得的风能增大；但是风速大于15m/s时，风速越大，发电机的输出功率减小，获得的风能减小．
（6）从表格数据得出风速为10m/s时，风车的输出功率，求出1h的发电量；再根据t=求出这些能量供灯工作的时间；根据m=求出需要燃烧的煤的质量．
（7）从表格数据得出风速为10m/s时，1s内获得的能量，求出风车工作1h获得的能量（总能量）；再求出风车工作1h产生的电能（有用能量）；利用效率公式求风车发电的效率；
（8）叶片的材料和表面积都会影响风力发电机获得的风能，从这个角度考虑．
【解析】
（1）风叶的材料不同，可以影响发电机的输出功率，如组成风叶的材料越轻，则越易转动；同时若风叶的表面积不同，则风叶获得的能量不同，也可影响输出功率等．
故答案为：风叶的材料（或表面积）．
（2）因提升高度要同，则由h=Vt可知，通过提升时间，可知提升的速度大小，则由P===mgV可知输出功率的大小，故比较提升时间可知功率大小．
故答案为：提升钩码到A点的时间．
（3）分析表一数据可见，在提升钩码质量相同的情况下，风速越大，提升钩码到A点的时间越短，风车的输出功率越大．
故答案为：风速越大，风车的输出功率越大．
（4）风能是一种很清洁的可再生能源，资源丰富，无污染；风力发电将风能转化为电能，发电机是通过运动产生电能，即是利用电磁感应现象的原理制成的．
故答案为：可再生；电磁感应．
（5）分析表二和表三可知，风速在5m/s～15m/s的范围内，风车获得的能量随风速的增大而增大，并且成倍数的增加，所以风车获得的能量与风速成正比关系．
故答案为：风车获得的能量与风速成正比关系．
（6）风速为10m/s时，风车的输出功率720kw，
风车工作1h的发电量：
W电=720kw×1h=720kw•h，
①这些能量可供教室里10盏标有“220V 40W”的灯同时工作的时间：
t===1800h
②产生这些能量需要完全燃烧煤的质量：
m===86.4kg
故答案为：1800；86.4．
（7）风速为10m/s时，1s内获得的能量为120×104J，
风车工作1h获得的能量：
W总=120×104J×3600s=4.32×109J，
风车工作1h产生的电能：
W电=720kw×1h=720kw•h=2.592×109J，
风车发电的效率：
η=×100%=×100%=60%
故答案为：60%．
（8）为了防止每秒获得的风能过大，导致风叶损坏，可以适当减小叶片的受力面积，或者叶片采用柔性材料．
故答案为：适当减小叶片的受力面积（或者叶片采用柔性材料）．