Đề thi cuối học kỳ môn Năng lượng tái tạo - Năm học 2013-2014 (Có đáp án)

ĐỀ THI (cuối học kỳ)
Ký tên
Môn thi: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Ngày thi: 20/12/2013
Thời gian thi: 90 phút
(Sinh viên được phép sử dụng tài liệu riêng của mình)
Họ & tên SV:	MSSV:	
Bài 1. Một hộ gia đình muốn đảm bảo cấp điện từ pin mặt trời (khi cần thiết) cho các thiết bị sau:
Thiết bị
Điện áp ngõ vào (V, DC)
Công suất (W)
Thời gian hoạt động (giờ/ngày)
Điện năng (Wh/ngày)
Đèn LED chiếu sáng
10 – 30
80
6
Đèn LED báo hiệu
10 – 30
10
24
Tủ lạnh
10 – 30
58
560
Quạt làm mát
10 – 30
60
8
Tính tổng điện năng cần thiết trong một năm.	(1 đ)
Chọn điện áp hệ thống và tính dung lượng danh định cần thiết của ắc-quy chì-axit, nếu các thiết bị sẽ được đảm bảo cấp nguồn 95% thời gian trong năm, và giả sử số giờ nắng đỉnh thấp nhất trong năm là 4,8 giờ/ngày. Giả sử nhiệt độ môi trường thấp nhất là 20 °C.	(1,5 đ)
Tính công suất đỉnh danh định (STC) của bộ pin mặt trời để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho các thiết bị trên trong 1 ngày, giả sử các tấm pin bị suy giảm công suất đỉnh do nhiệt độ là 0,45%/K, và do thông số không khớp nhau là 3%, các tấm pin có NOCT = 48 °C, hiệu suất năng lượng của ắc-quy là 75%, và hiệu suất của bộ nạp điện là 95%. Coi nhiệt độ môi trường cao nhất là 35 °C. Sử dụng số giờ năng thấp nhất cho ở câu b).	(1,5 đ)
Vận tốc gió (m/s)
Số giờ trong năm
0
120
1
142
2
365
3
641
4
877
5
1111
6
1231
7
1218
8
976
9
720
10
466
11
333
12
222
13
143
14
100
15
45
16
28
17
11
18
7
19
4
20
1
21
2
Từ 22 trở lên
3
Bài 2. Vùng Panhandle thuộc bang Texas (Hoa Kỳ) được đánh giá có năng lượng gió cấp độ 4 trở lên. Vận tốc gió đo được trong năm ở độ cao 20 m được trình bày bên dưới.
Một máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép Vestas
V80-2 MW (độ cao trụ 100 m, đường kính cánh quạt 80 m, vận tốc gió tối thiểu 4 m/s, vận tốc gió tối đa 25 m/s, công suất định mức 2 MW) được đặt ở vùng này, biết địa hình nơi đặt máy là nơi canh tác nhiều bờ bụi. Đường cong công suất thực của máy phát được trình bày trong hình 1 (bên dưới).
Tính vận tốc gió trung bình trong năm ở độ cao 100 m?	(1 đ)
Tính hệ số khả năng (CF) của máy và điện năng nhận được trong năm từ máy phát này, giả sử hàm xác suất vận tốc gió có dạng Rayleigh?	(1 đ)
Tính các vận tốc tương ứng với các vận tốc đo trong bảng bên ở độ cao 100 m?	(1 đ)
Từ đường cong công suất thực và bảng phân bố vận tốc gió trong năm, tính điện năng nhận được trong năm từ máy phát này?	(1 đ)
Hình 1. Đặc tính công suất theo vận tốc gió của máy phát trong bài 2.
Bài 3. Cho 1 tế bào pin nhiên liệu dùng nhiên liệu là khí hydro và khí oxy tạo thành nước ở thể lỏng. Pin nhiên liệu làm việc ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1 atm, 25 °C).
Tính hiệu suất lý thuyết cực đại của pin nhiên liệu trên? Giả sử hiệu suất thực của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết, tính lượng điện năng (kWh) được tạo ra từ 1 kg hydro?	(1 đ)
Cho biết pin nhiêu liệu tiêu thụ 2 lít khí hydro trong một giờ. Tính dòng điện, và công suất lý thuyết cực đại của pin?	(1 đ)
Giả sử hiệu suất thực của pin ở câu b) bằng 60% hiệu suất lý thuyết, khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn, tính công suất và điện áp thực của pin. Giả sử mật độ dòng điện qua màng lọc của mỗi tế bào là 0,45 A/cm2. Tính diện tích màng lọc của pin?	(1 đ)
HẾT
Đáp án
Bài 1:
a) Bảng số liệu
Thiết bị
Điện áp ngõ vào (V, DC)
Công suất (W)
Thời gian hoạt động (giờ/ngày)
Điện năng (Wh/ngày)
Đèn LED chiếu sáng
10 – 30
80
6
480
Đèn LED báo hiệu
10 – 30
10
24
240
Tủ lạnh
10 – 30
58
560
Quạt làm mát
10 – 30
60
8
480
Tổng
208
1760
Tổng điện năng cần thiết trong 1 năm = 1,76 kWh ´ 365 = 642,4 kWh
b) Chọn điện áp hệ thống bằng 12 V. Điện lượng cần thiết trong một ngày = 1760/12 = 146,7 Ah/ngày
Số ngày lưu trữ cần thiết = 9,43 – 1,9 ´ (4,8) + 0,11 ´ (4,8)2 = 2,844 ngày
Tổng dung lượng khả dụng cần thiết = 2,844 ´ 146,7 = 417,2 Ah
Chọn loại ắc-quy có độ phóng điện tối đa là MDOD = 0,8. Theo đồ thị trên hình 9.42, ứng với nhiệt độ 20 °C, và tốc độ phóng điện C/48 (có thể dùng đường C/72), hệ số hiệu chỉnh tương ứng là 1,1.
Do đó, dung lượng danh định ở điều kiện chuẩn của ắc-quy là:
Dung lượng danh định = 417,2/(0,8 ´ 1,1) = 474,1 Ah
Ba ắc-quy 12 V/160 Ah có thể đáp ứng yêu cầu này.
c) Nhu cầu năng lượng mỗi ngày của các thiết bị là 1760 Wh. Coi toàn bộ năng lượng này được cung cấp từ ắc-quy, do đó năng lượng cần đưa vào ắc-quy bằng 1760/0,75 = 2347 Wh.
Năng lượng tại ngõ ra của bộ pin mặt trời bằng 2347/0,95 = 2470 Wh
Nhiệt độ làm việc của các cell = 35 + (48 - 20)/0,8 = 70 °C
Hệ số suy giảm công suất do nhiệt độ = 1 – 0,0045 ´ (70 – 25) = 0,7975
Công suất đỉnh danh định (STC) của bộ pin mặt trời = 2470/(0,7975*0,97*4.8) = 665,2 Wp
Bài 2:
a/ 
Vận tốc gió trung bình ở độ cao 20 m:
V20m = (0X120 + 1X142 + 2X365 + 3X641 + 4X877 + 5X1111 + 6X1231 + 7X1218 + 8X976 + 9X720 + 10X466 + 11X333 + 12X222 + 13X143 + 14X100 + 15X45 + 16X28 + 17X11 + 18X7 + 19X4 + 20X1 + 21X2 + 22X3)/8766 = 6.61 m/s
Vận tốc gió trung bình tại độ cao 100 m:
V100m = V20mX(100/20)0.2 = 9.12 m/s 
b/ Hệ số khả năng:
CF = 0.087XV100m - PR/D2 = 0.087X9.12 - (2000 kW)/(802) = 0.4809
Điện năng nhận được trong năm từ máy phát
	8766X(2000 kW)XCF = 8766X2000X0.4809 = 8431.1 MWh/năm	
c/ và d/
Vận tốc gió (m/s) ở độ cao 20m
Số giờ trong năm
Vận tốc gió (m/s) ở độ cao 100m
Công suất phát từ đường cong công suất thực (kW)
Điện năng nhận được (kWh/năm)
0
120
0
0
0
1
142
1.38
0
0
2
365
2.76
0
0
3
641
4.14
0
0
4
877
5.52
150
131550
5
1111
6.9
400
444400
6
1231
8.28
700
861700
7
1218
9.66
1050
1345050
8
976
11.04
1500
1464000
9
720
12.42
1880
1353600
10
466
13.8
1980
922680
11
333
15.18
2000
666000
12
222
16.56
2000
444000
13
143
17.94
2000
286000
14
100
19.32
2000
200000
15
45
20.7
2000
90000
16
28
22.08
2000
56000
17
11
23.46
2000
22000
18
7
24.84
2000
14000
19
4
26.22
0
0
20
1
27.6
0
0
21
2
28.98
0
0
22 and over
3
30.36
0
0
Tổng điện năng nhận được trong một năm
8300980 
Tổng điện năng nhận được trong một năm:
150*877+400*1111+700*1231+1050*1281+1500*976+1880*720+1980*466+2000*333+2000*222+2000*143+2000*100+2000*45+2000*28+2000*11+2000*7 = 8300980 kWh/năm
Bài 3:
Đáp án:
Tính hiệu suất lý thuyết cực đại của pin nhiên liệu trên? Giả sử hiệu suất thực của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết, tính lượng điện năng được tạo ra từ 1 kg hydro?	(1đ)
	H2 (khí) + ½ O2 (khí) ® H2O (lỏng)
Ho	0	½.0	-285,8	kJ/mol
So	0,13	½.0,205	0,0699	kJ/mol-K
Go	0	½.0	-237,2	kJ/mol
DH = -285,8 kJ/mol
HHV=|DH| =285,8 kJ/mol hydro =285,8 kJ/2g hydro =142 900 kJ/kg hydro.
DS = 0,13 + ½.0,205 – 0,0699 = 0,1626 kJ/mol-K
Qmin = T. DS = (273,15+25) * 0,1626 = 48,4792 kJ/mol hydro = 24240 kJ/kg hydro.
Tính hiệu suất lý thuyết cực đại:
Cách 1:
hmax = 1 - Qmin / HHV = 1- 48,4792 / 285,8 = 0,83 = 83%
Cách 2:
DG = -237,2 kJ/mol hydro.
hmax = DG / DH = 237,2 / 285,8 = 0,8300 = 83%
Hiệu suất lý thuyết cực đại là 83%.
We = |DG| = HHV – Qmin = 237,2 kJ/mol hydro.
Hiệu suất thực của pin sẽ là hr = 0,5 * 0,83 = 0,415
Vậy Wer = hr * HHV = 0,415 * 285,8 kJ/mol = 118,66 kJ/mol hydro = 118,66 (kW.s)/(2g hydro)
Hay 
Lượng điện năng được tạo ra từ 1 kg hydro là 16,48 kWh.
Vậy Wer = |DG| = 0,415 * 237,2 kJ/mol = 98,438 kJ/mol hydro = 98,438 (kW.s)/(2g hydro)
Hay 
Lượng điện năng được tạo ra từ 1 kg hydro là 13,672 kWh.
Cho biết pin nhiêu liệu tiêu thụ 2 lit khí hydro trong một giờ. Tính dòng điện, công suất lý thuyết cực đại?	(1đ)
Dòng điện: 
Công suất lý thuyết: 
Giả sử hiệu suất thực của pin ở câu c bằng 60% hiệu suất lý thuyết, khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn, tính công suất và điện áp thực của pin. Giả sử mật độ dòng điện qua màng lọc của mỗi tế bào là 0,45A/cm2. Tính diện tích màng lọc của pin? 	(1đ)
Công suất thực: 
Khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn nên dòng điện qua pin không thay đổi: I=
Điện áp thực: 
Diện tích màn lọc: