2025年高中物理知識(shí)競(jìng)賽“物理能源”利用方案設(shè)計(jì)大賽試題（一）一、選擇題（每題4分，共20分）下列關(guān)于太陽(yáng)能光伏電池的工作原理，正確的是（）A.利用光的反射現(xiàn)象將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能B.基于光生伏特效應(yīng)，通過(guò)半導(dǎo)體PN結(jié)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換C.通過(guò)黑體輻射原理吸收太陽(yáng)熱能并轉(zhuǎn)化為電能D.利用電磁感應(yīng)原理將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為交變電流某風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片長(zhǎng)度為15m，在風(fēng)速10m/s的條件下，若空氣密度取1.2kg/m3，葉片掃風(fēng)面積的風(fēng)能利用率為20%，則該發(fā)電機(jī)的輸出功率最接近（）A.15kWB.35kWC.55kWD.75kW在核能發(fā)電站的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，下列環(huán)節(jié)正確的是（）A.核能→機(jī)械能→內(nèi)能→電能B.核能→內(nèi)能→機(jī)械能→電能C.化學(xué)能→內(nèi)能→機(jī)械能→電能D.核能→電能→機(jī)械能→內(nèi)能關(guān)于鋰離子電池的充放電過(guò)程，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A.充電時(shí)鋰離子從正極脫嵌，通過(guò)電解液嵌入負(fù)極B.放電過(guò)程是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的自發(fā)氧化還原反應(yīng)C.電池容量與電極材料的比表面積和鋰離子遷移速率正相關(guān)D.過(guò)充電會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻減小，提高循環(huán)使用壽命某家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率為18%，若當(dāng)?shù)仄骄照諒?qiáng)度為500W/m2，每天有效日照時(shí)間4小時(shí)，要滿足日均用電5kWh的需求，所需太陽(yáng)能電池板的最小面積為（）A.13.9m2B.18.5m2C.22.3m2D.27.8m2二、填空題（每空3分，共30分）潮汐發(fā)電站利用海水______和______過(guò)程中的勢(shì)能差進(jìn)行發(fā)電，其能量轉(zhuǎn)化效率主要受______和______的影響。某溫差發(fā)電裝置采用碲化鉍半導(dǎo)體材料，當(dāng)兩端溫度差為100K時(shí)，塞貝克系數(shù)為200μV/K，若負(fù)載電阻為5Ω，最大輸出功率為_(kāi)_____W（熱端向冷端的熱傳導(dǎo)功率忽略不計(jì)）。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，空氣在0.5MPa壓力下被壓縮至體積為10m3，若壓縮過(guò)程視為絕熱過(guò)程（γ=1.4），則外界對(duì)空氣所做的功為_(kāi)_____kJ（初始狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P?=1.01×10?Pa，T?=300K）。氫燃料電池的理論電動(dòng)勢(shì)為1.23V，當(dāng)輸出電流為20A時(shí)，若電池內(nèi)阻為0.02Ω，此時(shí)輸出電壓為_(kāi)_____V，能量轉(zhuǎn)化效率比同功率內(nèi)燃機(jī)高約______%（內(nèi)燃機(jī)效率按30%計(jì)算）。三、計(jì)算題（共40分）（15分）某小型水力發(fā)電站采用沖擊式水輪機(jī)，上游水庫(kù)水位高度50m，通過(guò)直徑0.8m的壓力管道引水，水流速度10m/s，水輪機(jī)效率85%，發(fā)電機(jī)效率90%。（1）計(jì)算水流對(duì)水輪機(jī)的沖擊功率；（2）若該電站每天連續(xù)發(fā)電12小時(shí)，每月（按30天計(jì)）可輸出多少度電？（3）若將輸出電能存儲(chǔ)于鋰離子電池組（標(biāo)稱電壓380V，容量200Ah），需要多少個(gè)這樣的電池組（不計(jì)充放電損耗）？（25分）某太陽(yáng)能-地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)如圖所示，已知：太陽(yáng)能集熱器面積20m2，集熱效率η?=0.6-0.005T（T為集熱器與環(huán)境的溫差，單位℃）地埋管換熱器換熱量Q=kAΔT，其中k=2.5W/(m·℃)，A為換熱面積，ΔT為土壤與循環(huán)水的溫差熱泵COP（制熱系數(shù)）=4.5+0.05t（t為蒸發(fā)溫度，單位℃）（1）當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃，集熱器吸收太陽(yáng)輻射功率800W/m2時(shí)，求集熱器出口水溫；（2）若系統(tǒng)需滿足20kW的供暖負(fù)荷，當(dāng)土壤溫度15℃，循環(huán)水溫降5℃時(shí)，計(jì)算所需地埋管的最小長(zhǎng)度；（3）若電價(jià)為0.56元/kWh，太陽(yáng)能系統(tǒng)投資3萬(wàn)元，地源熱泵系統(tǒng)投資12萬(wàn)元，計(jì)算該聯(lián)合系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期（假設(shè)年供暖時(shí)間2000小時(shí)，傳統(tǒng)電采暖能耗為20kW）。四、綜合設(shè)計(jì)題（60分）某偏遠(yuǎn)山區(qū)小學(xué)需設(shè)計(jì)一套離網(wǎng)型能源供應(yīng)系統(tǒng)，滿足以下需求：基本負(fù)荷：10盞LED燈（每盞15W，每天工作5小時(shí)）、2臺(tái)電腦（每臺(tái)100W，每天工作4小時(shí)）間歇負(fù)荷：1臺(tái)小型冰箱（150W，每天工作8小時(shí)，功率因數(shù)0.85）環(huán)境條件：年平均風(fēng)速6m/s，年平均日照時(shí)數(shù)2000小時(shí)，平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度450W/m2技術(shù)約束：系統(tǒng)需保證連續(xù)陰雨7天的供電可靠性，儲(chǔ)能設(shè)備采用鉛酸蓄電池（容量衰減系數(shù)0.8，放電深度0.75）要求完成以下設(shè)計(jì)內(nèi)容：計(jì)算系統(tǒng)的日均耗電量和峰值功率；設(shè)計(jì)包含至少兩種能源形式的供電方案，列出設(shè)備選型參數(shù)（如光伏板功率、風(fēng)機(jī)型號(hào)、儲(chǔ)能容量等）；建立系統(tǒng)能量平衡方程，分析在典型日（晴間多云）的能量流動(dòng)過(guò)程；對(duì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估（設(shè)備壽命按10年計(jì)，維護(hù)成本按初始投資的5%/年）；指出設(shè)計(jì)方案的環(huán)境效益（按燃煤發(fā)電煤耗300g/kWh計(jì)算年減碳量）。（計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字，需列出詳細(xì)計(jì)算步驟及必要的示意圖）五、分析論述題（50分）（20分）對(duì)比分析光伏發(fā)電與光熱發(fā)電的技術(shù)原理差異，從能量轉(zhuǎn)化效率、儲(chǔ)能特性、地域適應(yīng)性三個(gè)維度進(jìn)行定量比較，并結(jié)合我國(guó)西北地區(qū)的自然條件，提出一種優(yōu)化的太陽(yáng)能綜合利用方案。（30分）論述“綠氫”制備過(guò)程中的物理原理，分析電解槽槽電壓的組成部分（理論分解電壓、過(guò)電勢(shì)、歐姆壓降等），并針對(duì)質(zhì)子交換膜電解槽（PEMEC），設(shè)計(jì)一套提高能量轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)方案（需包含電極材料改性、流體力學(xué)