第3节 跨学科实践：为节约能源设计方案
实践项目
制订一个优化家庭能源使用的具体方案。
项目分析
制订优化自己家庭能源使用的具体方案：
1．了解家庭使用能源的具体情况。
2．有针对性地提出优化方案，分析它的有效性和可行性。
3．与他人交流讨论，对方案进行改进。
项目实施
1．调查家中能源的使用情况
调查家中能源的用途、类型，估算这些能源的消耗量。设计表格，统计自己家中能源的使用情况(如下表)。
某个家庭的能源使用情况
能源用途 采暖 做饭 生活热水 制冷 其他电器 交通
能源名称 天然气 电 汽油
能源类型 不可再生能源 约70%来自不可再生能源， 约30%来自可再生能源 不可再 生能源
消耗量(年) 200 m3 1 000 kW ·h 500 L
2.选取优化对象与确定改进方法
根据上面的调查结果，结合以下问题，思考如何选取优化对象，确定改进方法。
(1)根据实际的调查结果，思考家中在哪些方面的能源使用可以优化，其中又有哪些是要优先改进的。
(2)选取优化能源使用的方法。
①在家中使用太阳能等新能源；
②利用技术手段来提高现有能源的使用效率；
③通过优化家庭用车等行为来节约能源、减少浪费等。
3．制订与检验设计方案
方案：为家庭用车提供建议。
按照以下思路开展调查和论证，提出相应的建议，并形成报告。
(1)目前都有哪些种类的新能源汽车？与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否更加节能和环保？例如，从某种新能源汽车中选出有代表性的分析对象，与燃油汽车对比分析能耗情况。在这个过程中，既要考虑两种汽车直接消耗的能源，也要考虑汽油、电力等在生产过程中的转化效率，以及两种汽车在生产中所消耗的能源，等等。
(2)与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否满足人们的日常使用需要？还有哪些局限性，还需要如何改进？例如，纯电动汽车充电时间相对较长，温度对电池电量的影响较大，需要了解家中成员一般每天用车行驶的路程，所在地区的气候以及充电桩的分布情况，等等。推断当前纯电动汽车能否满足大部分需求，或是能够满足哪些地域、场景的需求。
(3)除了节能和环保，还有没有其他因素促进新能源汽车的发展？例如，我国的石油高度依赖进口。从能源安全的角度看，使用新能源汽车的意义是什么？
展示交流
形成具体的方案后，需要与大家进行交流讨论。可以通过举办辩论会的方式进行，也可以通过制作展板、举办论坛的方式进行。
在交流讨论中找出方案的不足和改进办法，归纳出一些具体的家庭能源使用的优化方法。并估算，如果你的家庭按照设计方案优化能源的使用，每年会节约多少能源？如果全国所有家庭都采取类似的节能措施，会节约多少能源？
实践拓展
1．阅读短文，回答问题。
氢动力新能源汽车
随着“汽车社会”的逐渐形成，汽车保有量在不断上升，而汽油等资源最终会被消耗殆尽，最终的解决办法是发展新能源汽车。氢动力汽车属于新能源汽车，它的工作原理是氢气在燃料电池堆系统内与空气中的氧气发生化学反应释放出能量，经DC?DC转换器整流后输送给驱动器，使汽车获得动力。
使用氢能源的最大好处是它能跟空气中的氧气发生化学反应，产生水蒸气，有效减少其他燃油汽车造成的空气污染问题，因此氢动力汽车是替代传统汽车最理想的汽车。但由于氢的密度很低，能够储存的氢燃料十分有限，且氢气泄漏后容易燃烧和爆炸，使得氢气的储存和运输存在困难。
(1)氢气与氧气发生化学反应释放出能量，经____________整流后输送给驱动器，使氢动力汽车获得动力。
(2)氢燃烧释放的能量使汽车发动机运转，将燃料的化学能最终转化为________能。使用氢作燃料是因为它具有较大的________。
(3)如果你是设计师，在设计氢动力汽车时，能够让它更节能的措施是_____________________________________________________________________
_________________________________________________________________。
2．阅读短文，回答问题。
太阳能路灯
如图甲所示是某道路两旁的太阳能路灯，它由太阳能电池板、控制器、24 V的蓄电池组、LED发光二极管、灯杆及灯具外壳组成。它的结构示意图如图乙。白天光线强时，太阳能电池板为蓄电池充电；夜晚光线弱时，蓄电池为LED灯供电照明。
太阳能电池板的主要材料是晶体硅，它的基本原理是光电效应。光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，只有入射光的频率高于一定值时，才能激发电子逸出物质表面，使物质的导电能力发生变化或在物体两端产生电压。
LED发光二极管是一种半导体器件，它具有工作电压低(2～4 V)、耗能少、寿命长、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等优点。它与普通的白炽灯发光原理不同，因而其发光效率较高，是新一代固体冷光源。
(1)图乙中，当白天光线强时，S与________(选填“b”或“c”)接通，太阳能电池板是利用________来工作的。
(2)LED灯主要由________(选填“导体”“半导体”或“超导体”)材料制成，可以把电能直接转化成________能。它之所以节能，被称为冷光源，是因为电热转换损耗的能量比白炽灯________(选填“高”或“低”)。
(3)为使LED发光二极管正常工作，应将多个LED发光二极管________(选填“串联”或“并联”)才能安全使用。 第3节 跨学科实践：为节约能源设计方案
实践项目
制订一个优化家庭能源使用的具体方案。
项目分析
制订优化自己家庭能源使用的具体方案：
1．了解家庭使用能源的具体情况。
2．有针对性地提出优化方案，分析它的有效性和可行性。
3．与他人交流讨论，对方案进行改进。
项目实施
1．调查家中能源的使用情况
调查家中能源的用途、类型，估算这些能源的消耗量。设计表格，统计自己家中能源的使用情况(如下表)。
某个家庭的能源使用情况
能源用途 采暖 做饭 生活热水 制冷 其他电器 交通
能源名称 天然气 电 汽油
能源类型 不可再生能源 约70%来自不可再生能源， 约30%来自可再生能源 不可再 生能源
消耗量(年) 200 m3 1 000 kW ·h 500 L
2.选取优化对象与确定改进方法
根据上面的调查结果，结合以下问题，思考如何选取优化对象，确定改进方法。
(1)根据实际的调查结果，思考家中在哪些方面的能源使用可以优化，其中又有哪些是要优先改进的。
(2)选取优化能源使用的方法。
①在家中使用太阳能等新能源；
②利用技术手段来提高现有能源的使用效率；
③通过优化家庭用车等行为来节约能源、减少浪费等。
3．制订与检验设计方案
方案：为家庭用车提供建议。
按照以下思路开展调查和论证，提出相应的建议，并形成报告。
(1)目前都有哪些种类的新能源汽车？与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否更加节能和环保？例如，从某种新能源汽车中选出有代表性的分析对象，与燃油汽车对比分析能耗情况。在这个过程中，既要考虑两种汽车直接消耗的能源，也要考虑汽油、电力等在生产过程中的转化效率，以及两种汽车在生产中所消耗的能源，等等。
(2)与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否满足人们的日常使用需要？还有哪些局限性，还需要如何改进？例如，纯电动汽车充电时间相对较长，温度对电池电量的影响较大，需要了解家中成员一般每天用车行驶的路程，所在地区的气候以及充电桩的分布情况，等等。推断当前纯电动汽车能否满足大部分需求，或是能够满足哪些地域、场景的需求。
(3)除了节能和环保，还有没有其他因素促进新能源汽车的发展？例如，我国的石油高度依赖进口。从能源安全的角度看，使用新能源汽车的意义是什么？
展示交流
形成具体的方案后，需要与大家进行交流讨论。可以通过举办辩论会的方式进行，也可以通过制作展板、举办论坛的方式进行。
在交流讨论中找出方案的不足和改进办法，归纳出一些具体的家庭能源使用的优化方法。并估算，如果你的家庭按照设计方案优化能源的使用，每年会节约多少能源？如果全国所有家庭都采取类似的节能措施，会节约多少能源？
实践拓展
1．阅读短文，回答问题。
氢动力新能源汽车
随着“汽车社会”的逐渐形成，汽车保有量在不断上升，而汽油等资源最终会被消耗殆尽，最终的解决办法是发展新能源汽车。氢动力汽车属于新能源汽车，它的工作原理是氢气在燃料电池堆系统内与空气中的氧气发生化学反应释放出能量，经DC?DC转换器整流后输送给驱动器，使汽车获得动力。
使用氢能源的最大好处是它能跟空气中的氧气发生化学反应，产生水蒸气，有效减少其他燃油汽车造成的空气污染问题，因此氢动力汽车是替代传统汽车最理想的汽车。但由于氢的密度很低，能够储存的氢燃料十分有限，且氢气泄漏后容易燃烧和爆炸，使得氢气的储存和运输存在困难。
(1)氢气与氧气发生化学反应释放出能量，经____________整流后输送给驱动器，使氢动力汽车获得动力。
(2)氢燃烧释放的能量使汽车发动机运转，将燃料的化学能最终转化为________能。使用氢作燃料是因为它具有较大的________。
(3)如果你是设计师，在设计氢动力汽车时，能够让它更节能的措施是_____________________________________________________________________
_________________________________________________________________。
【答案】(1)DC?DC转换器
(2)机械 热值
(3)见解析
【解析】(3)为了让氢动力汽车更节能，提升燃料电池的效率可以直接提高能量转换效率。改进车辆的空气动力学设计可以减少行驶中的空气阻力，从而降低能耗。使用轻量化材料可以减少车辆的自重，进而减少能量消耗。提高能量回收系统的效率(如制动能量回收系统)可以更好地利用车辆在行驶过程中的能量损失。
2．阅读短文，回答问题。
太阳能路灯
如图甲所示是某道路两旁的太阳能路灯，它由太阳能电池板、控制器、24 V的蓄电池组、LED发光二极管、灯杆及灯具外壳组成。它的结构示意图如图乙。白天光线强时，太阳能电池板为蓄电池充电；夜晚光线弱时，蓄电池为LED灯供电照明。
太阳能电池板的主要材料是晶体硅，它的基本原理是光电效应。光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，只有入射光的频率高于一定值时，才能激发电子逸出物质表面，使物质的导电能力发生变化或在物体两端产生电压。
LED发光二极管是一种半导体器件，它具有工作电压低(2～4 V)、耗能少、寿命长、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等优点。它与普通的白炽灯发光原理不同，因而其发光效率较高，是新一代固体冷光源。
(1)图乙中，当白天光线强时，S与________(选填“b”或“c”)接通，太阳能电池板是利用________来工作的。
(2)LED灯主要由________(选填“导体”“半导体”或“超导体”)材料制成，可以把电能直接转化成________能。它之所以节能，被称为冷光源，是因为电热转换损耗的能量比白炽灯________(选填“高”或“低”)。
(3)为使LED发光二极管正常工作，应将多个LED发光二极管________(选填“串联”或“并联”)才能安全使用。
【答案】(1)b 光电效应
(2)半导体 光 低
(3)串联
