空气的流动形成风，风具有能量，称为风能．风能具有来源丰富、安全卫生等优点．图是我国某地区风力发电的外景图．风力发电机中的叶片在风力的推动下转动，并带动机头发电机发电，

Question

空气的流动形成风，风具有能量，称为风能．风能具有来源丰富、安全卫生等优点．图是我国某地区风力发电的外景图．风力发电机中的叶片在风力的推动下转动，并带动机头发电机发电，为人们提供电能．设该地区空气密度为1.3kg/m³，一台风车的轮叶转动时可以形成面积为600m²的圆面．
（1）、若风速为10m/s，则ls内冲击到风车轮叶形成的圆面的空气质量是多少kg？已知1kg空气以这样的速度运动时具有的动能是50J，10台这样的风车工作ls所产生的电能可供1盏“220V  60W”灯炮正常工作2h，求这种风车发电的效率．
（2）、若此地年平均风速为15m/s，100台这样的风车一年（工作时间按4000h计算）获得的风能相当于完全燃烧多少kg煤？（煤的热值为3×10⁷J/kg）
（3）、请你结合风力发电的实际情况及图4中的有关信息说明自前风力发电开发的困难和前景．

Answer 1

（1）每秒钟通过的空气流的长度为：L=vt=10m/s×1s=10m，每秒钟通过风车轮叶形成的圆面空气流的体积为：V=SL=600m²×10m=6×10³m³，
空气流的质量为：m=ρV=1.3kg/m³×6×10³m³=7.8×10³kg，
1台风车工作1s获得的空气的动能为：E₀=7.8×10³kg×50J/kg=3.9×10⁵J，
10台风车工作1s获得的空气的动能为：E=10E₀=10×3.9×10⁵J=3.9×10⁶J，
10台风车工作1s产生的电能为：E_电=Pt=60W×2×3600S=4.32×10⁵J，
风车发电的效率为：η=(E电)/(E)×100%=(4.32×105J)/(3.9×106J)×100%=11%．
答：ls内冲击到风车轮叶形成的圆面的空气质量是7.8×10³kg；这种风车发电的效率为11%．
（2）1台风车每秒钟通过风车轮叶的空气流的质量为：m=ρV=ρSL=1.3×600×15×1=11700kg
1kg空气以15m/s的速度运动时具有的动能为E₁=(mv2)/(2)=(1kg×(15m/s)2)/(2)=112.5J，
100台风车一年获提的风能为 E_总=100×4000×3600×112.5J×11700=1.8954×10¹⁵J，
如果这些能量是由完全燃烧煤来获得，则煤的质量应为：
m=(E总)/(q)=(1.8954×1015J)/(3×107J/kg)=6.318×10⁷kg，
答：获得的风能相当于完全燃烧6.318×10⁷kg煤．
（3）风力发电的实际困难为：
风力不稳定，前期投资大，导致风力发电成本较高等．
前景：随着技术不断的成熟，成本下降较快，有望低于火力发电成本；风力发电对环境几乎没有污染等．