中考物理二轮复习经典培优模型练专题08电能与光能的转化模型（教师版）

专题08 电能与光能的转化模型

1．目前，许多城市的十字路口都安装了太阳能红绿灯。白天太阳能电池板给红绿灯供电，同时多余的电能又给蓄电池充电。在阴雨天和晚上蓄电池又给红绿灯供电，使红绿灯能连续工作。其主要参数见表所示。那么，若太阳能电池板每天有效受光时间为6h，每平方米的面积上太阳辐射的功率为103 W，则

(1）这种太阳能电池板每天获得的电能为多少焦耳？

(2）若太阳能红绿灯由红、黄、绿三灯组成，每天获得的电能可使它连续正常工作40h，则太阳能红绿灯正常工作时的功率是多大？

【答案】(1）4.32×106J ；(2）30W

【详解】

解：(1）太阳能电池板每天获得的总能量

W总=P1t1=103W/m2×0.5m2×6×3600s=1.08×107J

根据光电转换效率公式可得，每天获得的电能

W电=W总×η=1.08×107J×40%=4.32×106J

(2）太阳能红绿灯正常工作时的功率为

答：(1）这种太阳能电池板每天获得的电能为4.32×106J；

(2）太阳能红绿灯正常工作时的功率是30W。

2．随着人们环保意识的提高，“风光互补路灯”(如图所示）得到了广泛的应用。它既能通过太阳能电池板充电，又能通过风力发电机充电，为延长蓄电池的使用寿命，一般充电至90%左右即停止充电，放电余留20%左右即停止电能输出。下表为某型号风光互补路灯系统配置方案的相关参数：

(1）仅靠蓄电池供电，最多可供灯具正常发光多长时间？

(2）若当地太阳辐射功率(1 h内投射到1 m2面积上的太阳能）为3.0×106 J/(m2·h），求太阳能电池的光电转化效率。

(3）当风速为6 m/s时，风力发电机的输出功率将变为50 W。在这种风速下，持续光照12 h，蓄电池的电量由20%充到了70%。求此过程中太阳能电池板发电的平均功率。

【答案】(1）60h；(2）；(3）

【详解】

解：(1）仅靠蓄电池供电，最多可供灯具正常发光的时间

(2）若当地太阳辐射功率(1 h内投射到1 m2面积上的太阳能）为3.0×106 J/(m2·h），太阳吸收的太阳能为

太阳能电池的光电转化效率

(3）当风速为6 m/s时，风力发电机的输出功率将变为50 W，风力发电机的储存的电能为

蓄电池的电量由20%充到了70%，所蓄的电能为

此过程中太阳能电池板发电的电能为

此过程中太阳能电池板发电的平均功率

答：(1）仅靠蓄电池供电，最多可供灯具正常发光的时间为60h；

(2）太阳能电池的光电转化效率为15%；

(3）此过程中太阳能电池板发电的平均功率为。

3．如图所示是太阳能LED路灯，白天有日照时，电池板将太阳能转化为电能并储存在锂电池中，晚上锂电池给LED路灯系统供电提供照明，已知：太阳能电池板输出参数为“20V 5A”，有效面积为0.5m2；正常日照时，太阳每秒辐射到每平方米电池板上的能量为0.8×103J(即为0.8×103W/m2）。

(1）若每天正常日照8h，锂电池一天可以储存多少电能？

(2）该太阳能电池板的光电转换效率为多少？

(3）若路灯每晚从20：00持续工作到凌晨5：00，为了节能，LED路灯系统安装雷达感应装置，20：00至24：00人群活动密集时功率为20W，24：00至凌晨5：00夜深人静时功率为4W，已知锂电池最多能储存3.24×106J的电能，则允满电可以提供LED路灯系统在阴雨天(无日照）持续工作多少个晚上？

【答案】(1）；(2）25%；(3）9

【详解】

解：(1）若每天正常日照8h，锂电池一天可以储存电能

(2）光电转换效率为

(3）一天消耗电能

工作天数

答：(1）若每天正常日照8h，锂电池一天可以储存电能；

(2）该太阳能电池板的光电转换效率为25%；

(3）持续9天。

4．在第19届中国北京科技产业博览会上，一项“中国原创”重大发明成为世界媒体的焦点！全新亮相的“巴铁”(如图）吸引了世界的关注。“巴铁”是一种采用电力驱动的大运量宽体高架电车，上层载客，下层镂空，马路上的小汽车在它的“肚子”里自由穿行。设计最快时速，“巴铁”牵引机系统采用直流电动机作动力，车顶层覆盖太阳能光伏系统，为车内照明系统提供电能，其相关技术参数如下：

(1）如果“巴铁”正在以54km/h匀速行驶在笔直的马路上，一辆长2m的小汽车同向以72km/h的速度匀速通过巴铁的“肚子”，需多长时间？

(2）若行驶中的巴铁总质量为60t，则以最快速度匀速行驶，所受阻力为巴铁总重7.5倍，巴铁牵引机的功率为多少？

(3）为满足“巴铁”的照明系统同时正常工作，则光伏电池每平方米每小时需获得的太阳能为多少焦？

【答案】(1）10s；(2）9×104W；(3）4.5×105J

【详解】

解：(1）巴铁速度

v1=54km/h=15m/s

汽车速度

v2=72km/h=20m/s

小汽车完全通过巴铁的“肚子”时间

(2）巴铁以最快速度匀速行驶时，牵引力

F=f=7.5×10-3G=7.5×10-3mg=7.5×10-3×60×103kg×10N/kg=4500N

巴铁最快速度为72km/h，即20m/s，巴铁牵引机的功率

P=Fv3=4500N×20m/s=9×104W

(3）照明系统同时正常工作1h消耗的电能

W1=Pt1=2kW×1h=2kW·h

总共获得的太阳能

则光伏电池每平方米每小时需获得的太阳能为

答：(1）时间为10s；

(2）巴铁牵引机的功率9×104W；

(3）光伏电池每平方米每小时需获得的太阳能为4.5×105J。

5．城区某街道两旁安装了风光互补路灯，该路灯系统同时安装了太阳能电池板和风力发电机，有阳光时通过太阳能电池板发电，有风时通过风力发电机发电，并将电能储存至蓄电池中，为了节能该路灯采用LED灯照明。下表为某型号风光互补路灯系统的部分技术参数，其中光电转化效率是指太阳能电池板将光能转化为电能的效率，蓄电池容量是指蓄电池放电电流与放电总时间的乘积，最大输出功率是指风速达到最大限制风速时风力发电机的输出功率。

(1)蓄电池充足一次电可储存的能量是多少？

(2)在有风晴天，光照5h，风吹10h，太阳能电池板和风力发电机发电总和是多少？设太阳光照射到地面时单位面积上的辐射功率为1200W/m2，风速达到最大限制风速。

(3)街道两旁安装了100盏该型号风光互补路灯，每天正常工作10h，一个月消耗的电能相当于完全燃烧煤炭多少？(煤炭热值，一个月按30天算）

【答案】(1)；(2)；(3)360

【详解】

(1)根据电能计算公式可知

(2)根据光电转化效率可知

光能转化成的电能为

风能转化成的电能为

则总的电能为

(3)互补路灯下，一个月消耗的电能为

根据热值计算公式可知

答：(1)蓄电池充足一次电可储存的能量是；

(2)太阳能电池板和风力发电机发电总和是；

(3)一个月消耗的电能相当于完全燃烧煤炭360kg。

6．如图是一种配有风力发电机和太阳能电池板的新型路灯，路灯的额定功率为0.12kW，光电池接收太阳光辐射的功率为1kW，吹向风力发电机叶片上的风功率与风速之间的关系如下表所示，风能转化为电能的效率为4%，光电池将光能转化为电能的效率为η光。

(1)无风的晴天，光照6h，太阳能电池板产生的电能可使路灯正常工作10h，则路灯消耗的电能是多少kW·h？光电池将光能转化为电能的效率η光为多大？

(2)在有风的晴天，经3h的光照和风吹，路灯可正常工作7h，则当时的风速为多大？

【答案】(1)1.2kW·h；20%；(2)10m/s

【详解】

(1)已知，，，，路灯工作消耗的电能为

光照，光电池接收的太阳能为

光电池将光能转化为电能的效率为

(2)路灯工作消耗的电能为

光照，光电池接收的太阳能为

根据公式可知光电池产生的电能为

风力发电机产生的电能为

根据公式，可知消耗的风能为

风的功率为

根据风功率与风速之间的关系可知此时的风速为10m/s。

答：(1)无风的晴天，光照6h，太阳能电池板产生的电能可使路灯正常工作10h，则路灯消耗的电能是1.2kw·h；光电池将光能转化为电能的功率为20%；

(2)在有风的晴天，经3h的光照和风吹，路灯可正常工作7h，则当时的风速为10m/s。

7．为响应市政府提出的“创建海绵型城市”的号召，小科设计了如图所示的市政自动排水装置模型，控制电路由电压为12V、最大容量为6000mAh的蓄电池供电，蓄电池用“发电玻璃”制成的太阳能电板充电。R0为定值电阻，R为压敏电阻，压敏电阻通过杠杆ABO与圆柱形浮体相连，，压敏电阻的阻值随压力变化的关系如下表：(压板、杠杆和硬质连杆的质量及电磁铁线圈电阻忽略不计，所用绿灯红灯及排水泵的额定电压均为220V）

(1)按照设计要求，当水位上升到浮体刚好全部浸入水中时，压敏电阻受到压力为360N，通过电磁铁线圈的电流为100mA，排水泵启动；定值电阻R0的阻值为多少____？该浮体重力为10N，浮体刚好全部浸入水中时受到的浮力为多少N____？

(2)在实际调试过程中，小科发现水位已达到安全位置上限，但排水装置还未启动。如果在其他条件保持不变的前提下，要使排水装置符合设计要求，应该将与压敏电阻相连的压板向_____(填“左”或“右”）移动；

(3)若选用额定功率为5kW的排水电动机，排水泵机械效率为80%，工作2小时能将多少kg的水抽到6米高处____？(g=10N/kg）

(4)“发电玻璃”面积为0.2m2，其光电转化率为10%，要对没有电的控制电路蓄电池充满电需要多少小时____？(太阳能辐射到每平方米地面上的平均功率按1kW计算）

【答案】     40Ω     100N     右     6米     3.6

【详解】

(1)当浮体刚好全部浸入水中时，压敏电阻受到压力为360N，通过电磁铁线圈的电

I=100mA=0.1A

由表中数据知，此时压敏电阻的阻值R=80Ω，因串联电路中总电阻等于各分电阻之和，所以由可得定值电阻R0的阻值

设此时连杆对A端的作用力为FA，压敏电阻对B处的作用力为FB，由杠杆的平衡条件可得

由力作用的相互性可知，A端对浮体向下的压力

由力的平衡条件可得，此时浮体受到的浮力

(2)制作压敏电阻的材料属于半导体；在实际调试过程中，小科发现水位已达到安全位置上限，但排水装置还未启动，则控制电路的电流太小，如果在其他条件保持不变的前提下，要使排水装置符合设计要求，应减小控制电路中的电阻以增大控制电路中的电流，由表格数据可知，应增大压敏电阻受到的压力，在A端作用力和动力臂不变的情况下，由杠杆平衡条件知，将压板向右移动时，减小了阻力臂，可增大对压敏电阻的压力。

(3)由可得，排水电动机工作2h消耗的电能

电动机消耗的电能转化为水的机械能

由W=Gh=mgh可得，能抽到6m高处水的质量

(4) )蓄电池充满电时储存的电能

因发电玻璃的光电转化率为10%，所以发电玻璃接收到的太阳能

由E=PSt可得蓄电池充满电需要的时间

答：(1)定值电阻R0的阻值为40Ω；该浮体重力为10N，浮体刚好全部浸入水中时受到的浮力为100N；

(2)应将压板向右移动；

(3)工作2小时能将4.8×105kg的水抽到6米高处；

(4)要对没有电的控制电路蓄电池充满电需要3.6小时。

8．风光互补路灯系统同时安装了风力发电机和太阳能电池板，有风时通过风力发电机发电有阳光时通过太阳能电池板发电，并将电能储存至蓄电池中，供路灯照明使用蓄电池充满电后不再充电，使用时放电至余留20%停止电能输出，可使蓄电池使用寿命更为长久．

下表为某型号风光互补路灯系统的部分技术参数，其中光电转化效率是指太阳能电池扳将光能转化为电能的效率，蓄电池容量是指蓄电池放电电流与放电总时间的乘积，最大输出功率是指风速达到最大限制风速时风力发电机的输出功率．

(1）风力发电机是根据______原理发电的，利用风力发电时，是将______能转化为电能

(2）当太阳光照射到电池板表面处每平方米的功率为1000W时，太阳能电池板的输出功率为______W

(3）已知风力发电机的输出功率P与风速v的三次方成正比，若风力发电机的输出功率为50W此时风速为______m/s．

(4）充满电的蓄电池以额定电压对外供电，输出功率为100W时，为使蓄电池的使用寿命更为长久，持续供电的时间不能超过______h

(5）某城市一道路的路灯采用该型号风光互补路灯照明，已知路灯的规格为“12V、70 W”路灯共1000盏，每天正常工作10 h，则一天消耗的电能为______kW•h

【答案】     电磁感应     机械能     80     6     14.4     700

【详解】

(1)[1][2]风力发电机是根据电磁感应原理发电的,，利用风力发电时，是将机械能(风能)转化为电能；

(2)[3]电池板吸收的太阳能的功率：

P=1000W/m2×0.5m2=500W，

太阳能电池板的输出功率：

P′=16%×500W=80W；

(3)[4]根据题意可知：

=

所以风速：

v===6m/s，

(4)[5]∵P=UI，

∴I=，

使用时放电至余留20%停止电能输出,放电量：

Q=150Ah×(1−20%)=120Ah，

放电时间：

t===14.4h.

(5)[6] 一天消耗的电能为：

W=Pt=701000。

9．有一种太阳能路灯(电路如图所示），白天，光控开关S1与触点a接触，太阳能电池板为蓄电池充电；晚上，光控开关S1与触点b接触，给路灯供电．时间控制开关S2，晚上12点前与触点c接触，主灯发光，12点后与触点d接触，副灯发光．主灯为“24V 15W”的节能灯，副灯为“24V   10W”的节能灯，平均每天各工作6小时．求：

(1）路灯正常工作一天消耗的电能是多少千瓦时？

(2）已知太阳能电池板的面积为0.5m2，每平方米平均收集功率为1.5kW，若太阳光照射10小时能使路灯正常工作5天，求太阳能电池板光电转化效率．

(3）请举出这种太阳能路灯的两个优点．

【答案】(1）0.15kW•h．(2）10%；(3）太阳能路灯的优点：①采用太阳能电池可以节约电能；②主灯和副灯切换工作，也节约电能；③太阳能零排放、无污染、取之不尽等．

【详解】

(1）主灯一天消耗的电能为：

副灯一天消耗的电能为：

一天共消耗电能：

(2）电池板10小时收集的电能为：

路灯正常工作5天消耗的电能为：

太阳能电池板光电转化效率：

(3）太阳能路灯的优点可以从节能环保的角度分析，且太阳能为可再生能源，故优点可总结为：①采用太阳能电池可以节约电能；②主灯和副灯切换工作，也节约电能；③太阳能零排放、无污染、取之不尽等．

故答案为(1）0.15kW•h．(2）10%；(3）太阳能路灯的优点：①采用太阳能电池可以节约电能；②主灯和副灯切换工作，也节约电能；③太阳能零排放、无污染、取之不尽等．

点睛：注意新能源的普遍性特点，是近几年考试的重点内容，如资源丰富，普遍具备可再生特性，可供人类永续利用；且不含碳或含碳量很少，对环境影响小，即无污染，所以人类目前大力发展新型能源．

10．如图是一种建在太空的太阳能电站向地球上固定区域供电的示意图.在太阳能收集板上铺设太阳能电池.通过 光电转换把太阳能转换成电能.再经微波转换器将电流转 换成微波.并通过天线将电能以微波的形式向地面发送. 地面接收站通过天线把微波能还原成电能.

 (1)如果太阳能电池的硅片能提供的电能为12 kw／m2,巨大的太阳能收集板的总面积为5×106m..则太阳能电站的发电能力是多少千瓦?

(2)利用微波传输电能.实现了“无缆输电 .输电效率可达80%.若微波输电采用的频率是2450 MHz.求微波的波长及地面接收站接收到的电能.

【答案】(1）6×107kW．(2）0.12m和4.8×107kW．

【详解】

因太阳能电池的硅片能提供的电能为12kW/m2，巨大的太阳能收集板的总面积为5×106m2，可得太阳能电站的发电能力P=P0S=1.2×104W/m2×5×106m2=6×1010W=6×107kw．微波的波长等于波速与波长的比值即波长=3×108m/s/2450×106Hz=0.12m．地面接收站接收到的电能是P′=P•η=6×107kw×0.8=4.8×107kw．

11．目前很多城市已经使用了风光互补路灯系统如图所示，它具备了风能和太阳能产品的双重优点：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，也可以通过风力发电机独立发电并储存在蓄电池；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：   

(1）假设路灯每晚工作10h，求路灯正常工作时每晚消耗的电能。       

(2）如果太阳光照射到地面时的辐射功率为800J/(s•m2）(1s 辐射在每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4m/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？

【答案】(1）0.6；(2）10%；(3）1.6；(4）260

【详解】

解：(1)路灯正常工作时每晚消耗的电能

(2)太阳能电池板接收到的总功率

P总= 800J/(s•m2)×1.25m2=1000W

太阳能电池板平均输出功率P出=100W，所以光电转换效率为

(3)蓄电池可储存的电能

W=(P额－P灯)t=(260×10-3kW－60×10-3kW)×8h =1.6kW·h

(4)根据题意有

当风速为4 m/s时风力发电机输出功率

所以最小年发电量约为

12．如图是一种配有风力发电机和太阳能电池板的新型路灯，路灯的额定功率为0.12kW，光电池接收太阳光辐射的功率为1kW，吹向风力发电机叶片上的风功率与风速之间的关系如下表所示，风能转化为电能的效率为4%，光电池将光能转化为电能的效率为η光。

(1）无风的晴天，光照6h，太阳能电池板产生的电能可使路灯正常工作10h，则路灯消耗的电能是多少kW·h？光电池将光能转化为电能的效率η光为多大？

(2）在有风的晴天，经3h的光照和风吹，路灯可正常工作7h，则当时的风速为多大？

【答案】(1）1.2kW·h， 20%；(2）10m/s

【详解】

解：(1）路灯工作t1=10h消耗的电能

W电1=P灯t1=0.12kW×10h=1.2kW·h

光照t2=6h，光电池接收的太阳能

W光1=P光×t2=1kW×6h=6kW·h

光电池将光能转化为电能的效率

(2）路灯工作t3=7h消耗的电能

W电2=P灯t3=0.12kW×7h=0.84kW·h

光照t4=3h，光电池接收的太阳能

W光2=P光t4=1kW×3h=3kW·h

可知光电池产生的电能

风力发电机产生的电能

W风电=W电2﹣W光电=0.84kW·h﹣0.6kW·h=0.24kW·h

消耗的风能

风的功率为

根据风功率与风速之间的关系可知此时的风速为10m/s。

答：(1）无风的晴天，光照6h，太阳能电池板产生的电能可使路灯正常工作10h，则路灯消耗的电能是1.2kW•h；光电池将光能转化为电能的功率为20%。

(2）在有风的晴天，经3h的光照和风吹，路灯可正常工作7h，则当时的风速为10m/s。