Đề thi học kỳ 1 môn Năng lượng tái tạo - Năm học 2013-2014 (Có đáp án)

ĐỀ THI HỌC KỲ 1, NĂM HỌC 2013-2014. 
MÔN THI: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO. Thời gian: 90 phút. 
Sinh viên được phép sử dụng tài liệu riêng. 
Câu 1. Cho 1 tấm pin mặt trời có 36 tế bào ghép nối tiếp, 0,6m2, có thông số ở STC (1 
kW/m2, 25 °C, AM1,5) như sau: 
Công suất cực đại (Pmax) 80 W 
Điện áp ở Pmax (Vmpp) 17,6 V 
Dòng điện ở Pmax (Impp) 4,55 A 
Dòng điện ngắn mạch (Isc) 4,8 A 
Điện áp hở mạch (Voc) 22,1 V 
Hệ số nhiệt của Isc 0,065%/K 
Hệ số nhiệt của Voc - 80 mV/K 
Hệ số nhiệt của Pmax - 0,5%/K 
NOCT 47 °C 
a) Tính năng lượng (kWh) mà tấm pin (lắp song song mặt đất) có thể thu được trong 
một năm? Biết số giờ năng trung bình là 5 giờ/ngày. Nhiệt độ trung bình là 27oC. (1 đ) 
Tấm pin trên được lắp đặt tại Cần Thơ (10o1'0'' vĩ Bắc, 105°46'0" kinh Đông). Vào ngày 21 
tháng 11, nhiệt độ môi trường là 27oC. Lúc giữa trưa, độ rọi (trực diện từ) mặt trời là 1-sun 
(1kW/m2): 
b) Lắp tấm pin hướng về mặt trời: tính nhiệt độ, điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, 
công suất cực đại của tấm pin? (1 đ) 
c) Lắp tấm pin song song mặt đất: góc nghiên tilt của mặt trời và độ rọi thực lên tấm 
pin? Khi đó ước tính nhiệt độ, điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, công suất cực 
đại của tấm pin? (1 đ) 
d) Với điều kiện ở câu c), tính dòng ngược bảo hòa? Tính dòng điện và công suất khi 
tấm pin cấp điện trực tiếp cho acquy 13V? Tính hiệu suất chuyển đổi quang-điện? (1 đ) 
Câu 2. Dọc theo bờ biển Bạc Liêu, khi khảo sát năng lượng gió ở độ cao 65m so với mặt 
biển, tốc độ gió trung bình là 6,8m/s, phân bố theo hàm Reyleigh. Tại vị trí này lắp đặt 
một turbine gió có đường kính cánh quạt 82,5m, công suất 1,6MW, ở độ cao 90m trên 
mặt biển. Khi nhiệt độ môi trường là 26oC, mặt biển tĩnh lặng: 
a) Tính tốc độ gió trung bình ở độ cao 90m so với mặt biển? (1 đ) 
b) Tính tỷ trọng không khí ở vị trí đặt turbine? (1 đ) 
c) Tính công suất đón gió trung bình của turbine? (1 đ) 
d) Tính hệ số khả năng CF? Tính điện năng cung cấp của máy phát gió lên lưới điện 
trong một năm? (1 đ) 
Câu 3. Ở điều kiện tiêu chuẩn STP, pin nhiên liệu DMFC dùng nhiên liệu methanol 
(CH3OH) phản ứng oxi hóa tạo ra CO2 và nước ở thể lỏng. 
a) Tính HHV của phản ứng theo kJ/mol và kJ/kg CH3OH? (1 đ) 
b) Tính hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu loại này? (1 đ) 
-------------------------------------------------HẾT------------------------------------------------- 
Đáp án: 
Câu 1. 
Ket qua __________________ 
c) Tcell_a = 60.750000 [oC] 
a) E_a = 119902.500000 [kWh/nam] 
b) Tcell_b = 60.750000 [oC] 
b) Voc_b = 19.240000 [V] 
b) Isc_b = 4.911540 [A] 
b) Pm_b = 65.700000 [W] 
c) delta = -20.441513 [do] 
c) btaN = 59.541820 [do] 
c) tilt = 30.458180 [do] 
c) Sc = 0.861999 [sun] 
c) Tcell_c = 56.092479 [oC] 
c) Voc_c = 21.550285 [V] 
c) Isc_c = 4.221218 [A] 
c) Pm_c = 58.239271 [W] 
d) Io = 0.289351 e-8 [A] 
d) I_d = 4.220242 [A] 
d) P_d = 54.863148 [W] 
Câu 2. A 
Ket qua _________________________________________________________ 
Cach 1: alfa=0.1: Smooth hard ground, calm 
water__________ 
a) Vavg_90 = 7.024927 [m/s] 
b) ro = 1.180774 [kg/m3] 
b1) ro1 = 1.183350 [kg/m3] 
c) PAavg = 390.898344 [W/m2] 
c) Pavg = 2089592.538489 [W] 
d) CF = 0.376091 
d) E = 5.271286 [GWh] 
. 
Cach 2: z=0.0002: Water 
surface___________________________ 
a) Vavg_100 = 6.974358 [m/s] 
b) ro = 1.180774 [kg/m3] 
c) PAavg = 382.517196 [W/m2] 
c) Pavg = 2044790.137016 [W] 
d) CF = 0.371691 
d) E = 5.209622 [GWh] 
Câu 3. 
a) HHV = 726.400000 [kJ/mol] = 22700.000000 [kJ/kg] 
b) Eff_max1 = 0.966565 [%] 
b) Eff_max2 = 0.966960 [%] 
 Câu 1. 
Ví dụ tính góc nghiêng: 
% Lop NLTT 2013_CT, thi HK 
% Cau 1 
% Matlab tinh goc theo rad! 
clc 
clear all 
do_rad=pi/180 
rad_do=180/pi 
L = 10+1/60 
Lg = 105+46/60 % do Kinh Dong 
n = 305-1+21 % ngay 21 thang 11 
Tamb= 27 % nhiet do moi truong, oC 
Sa = 1 % sun 
% PV panel 
ncell=36 
Pm=80 
Voc=22.1 
Vm=17.6 
Isc=4.8 
Im=4.55 
NOCT=47 
TCIsc=0.065 % % 
TCVoc=-0.08 %V 
TCPm=-0.5 % % 
Vaq=13 
Rs=0 
Rp=inf 
disp('Cau a _________________________________________________________') 
hd = 5 % 5 gio nang /ngay 
Tcell_a=Tamb+(NOCT-20)/0.8*Sa 
Pm_a=Pm*(1+TCPm/100*(Tcell_a-25)) 
E_a=Pm_a*hd*365 
disp('Cau b _________________________________________________________') 
Tcell_b=Tamb+(NOCT-20)/0.8*Sa 
Voc_b=Voc+TCVoc*(Tcell_b-25) 
Isc_b=Isc*(1+TCIsc/100*(Tcell_b-25)) 
Pm_b=Pm*(1+TCPm/100*(Tcell_b-25)) 
disp('Cau c _________________________________________________________') 
delta = 23.45*sin((360/365*(n-81))*do_rad) 
btaN1 = 90-L+delta 
tilt = 90-btaN1 
Sc = Sa*cos(tilt*do_rad) 
Tcell_c=Tamb+(NOCT-20)/0.8*Sc 
Voc_c=Voc*(1+TCVoc/100*(Tcell_c-25)) % Bo qua su thay doi cua Voc theo Sc 
Isc_c=Isc*(1+TCIsc/100*(Tcell_c-25))*Sc/Sa 
Pm_c=Pm*(1+TCPm/100*(Tcell_c-25))*Sc/Sa % Xem Pm ty le voi Isc 
disp('Cau d _________________________________________________________') 
k=1.381*10e-23 
T=273+Tcell_c 
q=1.602*10e-19 
kT_q=k*T/q % 0.0257 
Io=Isc_c/(exp(Voc_c/ncell/kT_q)-1) % => 2.89351 e-9 [A] 
Vcell=Vaq/ncell 
I_d=Isc_c-Io*(exp(Vcell/kT_q)-1)-Vcell/Rp 
P_d=I_d*Vaq 
disp('Ket qua _________________________________________________________') 
TEXT = sprintf('c) Tcell_a = %f [oC]', Tcell_a); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('a) E_a = %f [kWh/nam]', E_a); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('b) Tcell_b = %f [oC]', Tcell_b); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('b) Voc_b = %f [V]', Voc_b); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('b) Isc_b = %f [A]', Isc_b); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('b) Pm_b = %f [W]', Pm_b); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) delta = %f [do]', delta); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) btaN = %f [do]', btaN1); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) tilt = %f [do]', tilt); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) Sc = %f [sun]', Sc); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) Tcell_c = %f [oC]', Tcell_c); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) Voc_c = %f [V]', Voc_c); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) Isc_c = %f [A]', Isc_c); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) Pm_c = %f [W]', Pm_c); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('d) Io = %f e-8 [A]', Io/1e-8); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('d) I_d = %f [A]', I_d); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('d) P_d = %f [W]', P_d); disp(TEXT) 
Câu 2. 
% Lop NLTT 2013-CT 
% Cau 2_NL Gio 
% Matlab tinh goc theo rad! 
clc 
clear all 
H=0 %0m 
H0=65 
Vavg_65=6.8 % [m/s] 
H1=90 
D=82.5 % m 
Pr=1.6e6 % W 
Tabm=26 % [oC] 
R=8.2056e-5 % [m3.atm/(K.mol)] 
T=273+Tabm % [oK] 
MW=28.97 % air=28.97g/mol 
Po=1 % atm 
disp('Cach 1 
_____________________________________________
____________') 
% Cau a 
alfa1=0.1 % Smooth hard ground, calm water 
Vavg_90_c1 = Vavg_65*(H1/H0)^alfa1 
% Cau b 
P=Po*exp(-1.185e-4*(H)) 
ro=P*MW*1e-3/R/T 
% Nhiet do36oC 
KT=(0.97*4+0.95*1)/5 
% Do cao 0m 
KA=1 
% Do cao 2000m 
% KA=0.789 
ro_1=1.225*KT*KA 
% Cau c 
PAavg_c1=6/pi*1/2*ro*Vavg_90_c1^3 
A=pi*D^2/4 
Pavg_c1=PAavg_c1*A 
%Pavg_c1=6/pi*1/2*ro*A*Vavg_100_c1^3 
% Cau d 
CF_c1=0.087*Vavg_90_c1-(Pr/1000)/(D^2) 
E_c1=Pr*CF_c1*8760 
disp('Cach 2 
_____________________________________________
____________') 
% Cau a 
z2=0.0002 % Water surface, Smooth hard ground 
Vavg_90_c2 = Vavg_65*log(H1/z2)/log(H0/z2) 
% Cau b 
% Cau c 
PAavg_c2=6/pi*1/2*ro*Vavg_90_c2^3 
Pavg_c2=PAavg_c2*A 
% Cau d 
CF_c2=0.087*Vavg_90_c2-(Pr/1000)/(D^2) 
E_c2=Pr*CF_c2*8760 
disp('Ket qua 
_____________________________________________
____________') 
disp('Cach 1: alfa=0.1: Smooth hard ground, calm 
water__________') 
TEXT = sprintf('a) Vavg_90 = %f [m/s]', Vavg_90_c1); 
disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('b) ro = %f [kg/m3]', ro); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('b1) ro1 = %f [kg/m3]', ro_1); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) PAavg = %f [W/m2]', PAavg_c1); 
disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) Pavg = %f [W]', Pavg_c1); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('d) CF = %f ', CF_c1); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('d) E = %f [GWh]', E_c1/1e9); 
disp(TEXT) 
disp('.') 
disp('Cach 2: z=0.0002: Water 
surface___________________________') 
TEXT = sprintf('a) Vavg_100 = %f [m/s]', Vavg_90_c2); 
disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('b) ro = %f [kg/m3]', ro); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) PAavg = %f [W/m2]', PAavg_c2); 
disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) Pavg = %f [W]', Pavg_c2); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('d) CF = %f ', CF_c2); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('d) E = %f [GWh]', E_c2/1e9); 
disp(TEXT) 
disp('.') 
Câu 3. 
% Lop NLTT 2013-CT, thi HK 
% Cau 3_Fuel cell 
% Matlab tinh goc theo rad! 
clc 
clear all 
T=273+25 %[oK] 
% Cau a 
%CH3OH + 3/2*O2 -> CO2 + 2H2O (long) 
%-238.7 3/2*0 -393.5 2*(-285.8) 
delta_H = 2*(-285.8) + (-393.5) + 238.7 -3/2*0 %[kJ/mol CH3OH] 
HHV_mol=abs(delta_H) 
MW = 12 + 4 + 16 
HHV_kg=HHV_mol/MW*1000 %[kJ/kg] 
% Cau b 
% Cach 1---------------------- 
%CH3OH + 3/2*O2 -> CO2 + 2H2O (long) 
%0.1268 3/2*0.205 0.213 2*0.0699 
delta_S=0.1268+3/2*0.205-0.213-2*0.0699 %[kJ/mol-K] 
Qmin=T*delta_S %[kJ/mol] 
H=HHV_mol 
Eff_max1=1-Qmin/H 
% Cach 2---------------------- 
%CH3OH + 3/2*O2 -> CO2 + 2H2O (long) 
%-166.4 3/2*0 -394.4 2*(-237.2) 
delta_G=-394.4+2*(-237.2) + 166.4 - 3/2*0 %[kJ/mol-K] 
We=H-Qmin 
We=abs(delta_G) 
Eff_max2=We/H 
disp('Ket qua _________________________________________________________') 
TEXT = sprintf('a) HHV = %f [kJ/mol] = %f [kJ/kg]', HHV_mol, HHV_kg); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('b) Eff_max1 = %f [%%]', Eff_max1); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('b) Eff_max2 = %f [%%]', Eff_max2); disp(TEXT)