2024年中考物理培优模型练：电能与光能的转化模型

电能与光能的转化模型

i.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103w,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？

光电转换效率〃有效受光面积S灯泡额定电压U

40%0.5m224V

【答案】(1)4.32xlO6J；(2)30W

【详解】

解：(1)太阳能电池板每天获得的总能量

3227

^,g=P；^=10W/mx0.5mx6x3600s=l.08x10J

根据光电转换效率公式可得，每天获得的电能

少后少点叼=LO8xlO7jx4O%=4.32xlO6j

(2)太阳能红绿灯正常工作时的功率为

=432x102=3QW

电％40x3600s

答：(1)这种太阳能电池板每天获得的电能为4.32xl06j；

(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？

⑵若当地太阳辐射功率(lh内投射到1in?面积上的太阳能)为3.0x106〃河山)，求太

阳能电池的光电转化效率。

(3)当风速为6m/s时，风力发电机的输出功率将变为50W。在这种风速下，持续光照

12h,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。

风力发电机太阳能电池组件LED路灯蓄电池容量

额定

10m/s总面积电池板1.44m2额定电压12V

风速

400Ah

额定输

400W额定输出功率180W额定功率80w

出功率

【答案】(1)60h；(2)15%；(3)195W

【详解】

解：(1)仅靠蓄电池供电，最多可供灯具正常发光的时间

W400Ax3600sxl2V

t=—=-------------------------=60h

P80W

⑵若当地太阳辐射功率(lh内投射到1m2面积上的太阳能)为3.0x106j/(m2.h),太阳

吸收的太阳能为

=3.0x106J/(m2-h)x1.44m2xlh=4.32x106J

太阳能电池的光电转化效率

Pt180Wx3600s

77=—6-xlOO%=xlOO%==15%

4.32X106J4.32X106J

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

为

6

^=JRf=50Wxl2x3600s=2.16xl0J

蓄电池的电量由20%充到了70%,所蓄的电能为

^=C7/=400AX3600SX12VX50%=8.64X107J

此过程中太阳能电池板发电的电能为

766

^#g=^-^=8.64xl0J-2.16xl0J=8.424xl0J

此过程中太阳能电池板发电的平均功率

cW8.424X1O6J8.424X1O6J

P=——=----------=----------=195W

t12x3600s12x3600s

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195W。

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“20V5A”，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O.8xlO3j(即为0.8xl03W/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3.24xl06j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)2.88xl06J；(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

W=UIt=20Vx5Ax8x3600s=2.88xlO6J

(2)光电转换效率为

P20Vx5A

〃=—xlOO%=xl00%=25%

40.8x103W/m2x0.5m2

(3)一天消耗电能

5

Wx=P2t2+P5t3=20WX4X3600s+4Wx5x3600s=3.6x10J

工作天数

忆3.24X106J

n—...—9

町3.6X105J

答：(1)若每天正常日照8h,锂电池一天可以储存2.88xl()6j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72km/h,“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：

陆地

动力系统

电机额定电压电机平均工作电流车体总长有效载货

直流1000V150A48m50000kg

车载光伏系统

光伏电池有效面积光伏电池的光电转换效率

照明系统总功率2KW

80m220%

(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50km,所受阻力为巴铁总重

7.5x10-3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】⑴10s；(2)9x104W；(3)4.5x105J

解：(1)巴铁速度

v/=54km/h=l5m/s

汽车速度

^2=72km/h=20m/s

小汽车完全通过巴铁的“肚子”时间

s48m+2m1八

t=---------=-------------------=10s

v2-v120m/s-15m/s

(2)巴铁以最快速度匀速行驶时，牵引力

F=^7.5xl0-3G=7.5xl0-3mg=7.5xl0-3x60xl03kgxl0N/kg=4500N

巴铁最快速度为72km/h,即20m/s,巴铁牵引机的功率

P=7?V3=4500Nx20m/s=9x104W

(3)照明系统同时正常工作lh消耗的电能

忆=P〃=2kWxlh=2kWh

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

W1OkW-h八，­“，‘”，八一

忆=——=-------=0.125kW-h=4.5X105J

20

答：⑴时间为10s；

(2)巴铁牵引机的功率9xl04w；

(3)光伏电池每平方米每小时需获得的太阳能为4.5xl05j。

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。

太阳能电池板风力发电机蓄电池LED灯

电池板的总最大限电池容额定电

0.8m212m/s250Ah24V

面积制风速量压

光电转化效最大输额定电额定功

15%150W12V200W

率出功率压率

(1)蓄电池充足一次电可储存的能量是多少J?

(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kg?(煤炭热值恤=3x107j/kg,一个月按30天算)

【答案】(1)1.O8X1O75(2)7.992X106J；(3)360

【详解】

(1)根据电能计算公式可知

吗电池=5=12Vx250Ax3600s=1.08xl07j=3kW.h

(2)根据光电转化效率可知

^=1200W/m2x0,8m2xl5%=144W=0.144kW

“光=5h

光能转化成的电能为

唯一电=绕.电I光=0444x5kW-h=0.72kW-h=2.592x1()6j

取.=0.15kW

，风=10h

风能转化成的电能为

怎r电=4-电5=015xl0kW-h=L5kW-h=5.4xl06j

则总的电能为

6

Ws=0.72kW-h+1.5kW-h=2.22kW-h=7.992xlOJ

(3)互补路灯下，一个月消耗的电能为

lo

^=^T=2OOWxO.5xlOOxlOhx3O=3OOOkW-h=l.O8xlOJ

根据热值计算公式可知

。放瞑1.08x10，

m„==---------------=360kg

煤恤恤3x107j/kg

答：(1)蓄电池充足一次电可储存的能量是1.08x107J；

⑵太阳能电池板和风力发电机发电总和是7.992x106J；

(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IkW,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〃老。

风速

2468101216

(m/s)

风功率

151254201000200033758000

(W)

⑴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kWh?光电池将光能转化为电能的效率〃尤为多大？

(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？

1

【答案】(l)1.2kWh；20%；(2)10m/s

【详解】

⑴已知，与=012kW,七=lkW,〃风=4%,路灯工作％=10h消耗的电能为

%=0.12kWxl0h=1.2kW-h

光照G=6h,光电池接收的太阳能为

W光广「光乂质=lkWx6h=6kWh

光电池将光能转化为电能的效率为

〃电=必x100%="kWl*100%=20%

'电/6kWh

(2)路灯工作t3=7h消耗的电能为

w^2=pwt3=0.12kWX7h=0.84kW-h

光照乙=3h,光电池接收的太阳能为

叫2=七*%=lkWx3h=3kW-h

根据公式〃电xlOO%可知光电池产生的电能为

腾电=〃电股2=20%x3kW•h=0.6kW-h

风力发电机产生的电能为

%电=券2一取光电=0.84kW•h-0.6kWh=0.24kW-h

根据公式〃风=^xl00%,可知消耗的风能为

rV风

=0-24kW-h=6kwh

风〃风4%

风的功率为

P=%=Wl=2kW

?43h

根据风功率与风速之间的关系可知此时的风速为lOm/s.

答：⑴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1Oh,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。&为定值电阻，R为压敏电阻，压敏电阻通过杠杆

与圆柱形浮体相连，40:30=4:1,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)

压敏电阻受到的压力

60120180240300360420480

FN

压敏电阻R阻值假400260180125100806555

(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&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；

⑶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IkW计算)

【答案】40Q100N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

7=100mA=0.1A

由表中数据知，此时压敏电阻的阻值尺=80。，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&的阻值

U12V

凡=凡-R=--R=---80Q=40Q

0总/0.1A

设此时连杆对4端的作用力为此，压敏电阻对5处的作用力为招，由杠杆的平衡条件

FA.O4=6,OB可得

F.=—R15=-x360N=90N

AGU4

由力作用的相互性可知，/端对浮体向下的压力

F；=^=90N

由力的平衡条件可得，此时浮体受到的浮力

产浮=G+工'=1ON+90N=100N

(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/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)由尸=匕可得，排水电动机工作2h消耗的电能

=5X103WX2X3600S=3.6X107J

电动机消耗的电能转化为水的机械能

^=^/7=3.6X107JX80%=2.88X107J

由眸G/z=mg〃可得，能抽到6m高处水的质量

7

吗械2.88X10J

m=—=----------------=4.8xl05kg

gh10N/kgx6m

(4))蓄电池充满电时储存的电能

W=UIt=\2Nx6000x109Ax3600s=2.592xlO5J=0.072kW-h

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

W0.072kW・h

=0.72kW・h

n'-io%-

由E=RS7可得蓄电池充满电需要的时间

E0.72kW・h、「

t-----=--------------------------=36h

PSlkW/m2xO.2m2'

答：(1)定值电阻&的阻值为40d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；

⑵应将压板向右移动；

(3)工作2小时能将4.8xl05kg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.

风力发电机太阳能电池板蓄电池

最小启动风速1.Om/s电池板的面积O.5m2蓄电池容量150A・h

最小充电风速2.0m/s光电转化效率16%额定电压12V

最大限制风速12.Om/s

最大输出功率4OOW

(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、70W”

路灯共1000盏，每天正常工作10h,则一天消耗的电能为kW-h

【答案】电磁感应机械能80614.4700

【详解】

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；

⑵[3]电池板吸收的太阳能的功率：

P=1000W/m2x0,5m2=500W,

太阳能电池板的输出功率：

P=16%x500W=80W；

(3)[4]根据题意可知：

P大P

1下

所以风速：

尸JPXV大3=3卜0Wx(12m/s£=6m/s,

V块V400W

⑷[5]:尸也，

P100W

..1==,

U12V

使用时放电至余留20%停止电能输出，放电量：

g=15OA0hx(l-2O%)=12OA❖h,

放电时间:

12OA0h

t=-=120A~=14.4h.

112V

(5)[6]一天消耗的电能为：

W=Pt=10x1000x1Ofkwx1Oh=700kWOh.

9.有一种太阳能路灯(电路如图所示)，白天，光控开关Si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“24V10W”的节能灯，平均每天各工作6小时.求：

K

s

e

电

装

(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：Wl=P}t=0.015kwx6h=0.09kw-h

副灯一天消耗的电能为：所=4=0.01kwx6h=0.06kw-h

一天共消耗电能：W^WX+W2=0.09kwh+0.06kw-h=0.15kwh

(2)电池板10小时收集的电能为：=^7[=1.5kw/m2x0.5m2xl0h=7.5kwh

路灯正常工作5天消耗的电能为：唬=5沙=5x0.15kwh=0.75kw-h

075kwh

太阳能电池板光电转化效率：〃=债=7，卜xl00%=10%

W光7.5kwh

(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12kw/m2,巨大的太阳能收集板的总面积为

5x106m.则太阳能电站的发电能力是多少千瓦？

⑵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

2450MHz.求微波的波长及地面接收站接收到的电能.

【答案】⑴6xl07kW.(2)0.12m和4.8xl07kw.

【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

5xl06m2,可得太阳能电站的发电能力

P=PoS=l.2x104w/m2x5xl()6m2=6xl()iow=6xICPkw.微波的波长等于波速与波长的比值即

波长=3x108m/s/2450x106Hz=0.12m,地面接收站接收到的电能是

P-P«T]=6X107kw><0.8=4.8x107kw.

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：

风力发风力发

电电风力发电机启路灯额定路灯额定太阳能电池板平均

额定功额定风动风速电压功率输出功率

率速

260W8m/s3m/s24V60W100W

(1)假设路灯每晚工作lOh,求路灯正常工作时每晚消耗的电能。

⑵如果太阳光照射到地面时的辐射功率为800J/(s・m2)(Is辐射在每Im?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尸与风速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

JT=Pz=0.06kWxl0h=0.6kW-h

(2)太阳能电池板接收到的总功率

P/=800J/(s«m2)x1.25m2=l000W

太阳能电池板平均输出功率P犷ioow,所以光电转换效率为

/7=^-xl00%=10°^xl00%=10%

P&1000少

(3)蓄电池可储存的电能