Đề thi học kỳ 2 môn Năng lượng tái tạo - Năm học 2014-2015 (Có đáp án)

ĐỀ THI HỌC KỲ 2, NĂM HỌC 2014-2015. Ngày thi: 14/7/2015.
MÔN THI: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO. Thời gian: 90 phút.
Sinh viên được phép sử dụng tài liệu riêng và chọn nội dung để thực hiện. Thang điểm 10.
Cho 1 tấm pin mặt trời có 60 tế bào ghép nối tiếp, 1,7m2, có thông số ở điều kiện tiêu chuẩn (STC: 1 kW/m2, 25°C, AM1,5) như sau:
Công suất cực đại (Pmax)
250 W
Điện áp ở Pmax (Vmpp)
30,5 V
Dòng điện ở Pmax (Impp)
8,27 A
Dòng điện ngắn mạch (Isc)
8,81 A
Điện áp hở mạch (Voc)
37,6 V
Hệ số nhiệt của Isc
 0,051%/oC
Hệ số nhiệt của Voc
- 0,310%/oC
Hệ số nhiệt của Pmax
- 0,500%/oC
NOCT
46 °C
Tấm pin trên được lắp đặt song song với mặt đất trên một hòn đảo có số giờ nắng đỉnh là 5 giờ/ngày, nhiệt độ ngoài trời là 28oC.
Lúc độ rọi mặt trời là 1-sun (1kW/m2):
Tính nhiệt độ, điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, công suất cực đại của tấm pin? 	(2 đ)
Tính điện năng (kWh) mà tấm pin có thể phát trong một ngày?	(1 đ)
Trên hòn đảo này, vào thời điểm giữa trưa, độ rọi mặt trời là 0,95-sun, tổng công suất điện năng cung cấp cho hòn đảo là 2MW. Thiết kế hệ điện mặt trời hòa lưới có MPPT để cung cấp 50% công suất điện năng cho hòn đảo. Giả sử công suất của tấm pin tỷ lệ tuyến tính với cường độ nắng, hiệu suất chuyển đổi của hệ điện mặt trời hòa lưới là 92%.
Tính số lượng tấm pin và diện tích cần lắp đặt?	(1 đ)
Với số lượng tấm pin như ở câu c, tính sản lượng điện mặt trời cấp cho lưới mỗi ngày?	(1 đ)
Trên mặt đất bằng phẳng ở cao độ 40m so với mặt biển Phú Quý, khi khảo sát năng lượng gió ở độ cao 65m so với mặt đất, tốc độ gió trung bình là 9,5m/s, phân bố theo hàm Reyleigh. Tại vị trí này lắp đặt một turbine gió có đường kính cánh quạt 75m, ở độ cao 60m so với mặt đất, máy phát điện 2MW. Khi nhiệt độ môi trường là 28oC: 
Tính tốc độ gió trung bình và tỷ trọng không khí ở độ cao lắp turbine gió?	 (1 đ)
Tính công suất đón gió trung bình của turbine?	(1 đ)
Tính hệ số khả năng CF? Tính điện năng turbine gió cấp lên lưới điện trong một năm?	(1 đ)
Giả sử hiệu suất biến đổi gió – điện ở định mức của turbine là 30%. Tính tốc độ gió khi máy phát điện đạt công suất định mức?	(1 đ)
Ở điều kiện tiêu chuẩn (STP: 1 atm, 25°C), pin nhiên liệu PEMFC dùng nhiên liệu hydro (H2) hóa lỏng phản ứng với oxi tạo ra nước ở thể lỏng. Giả sử khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn.
Tính HHV cho mỗi kg hydro và hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu loại này? Tính điện năng (kWh) được tạo ra từ 1 kg hydro hóa lỏng?	(1 đ)
	Khi một bộ gồm 24 tế bào pin nhiêu liệu ghép nối tiếp, tiêu thụ 1 kg hydro trong một giờ: 
Tính dòng điện, công suất lý tưởng, điện áp lý thuyết và diện tích màng lọc của mỗi tế bào? Biết mật độ dòng điện là 0,4A/cm2.	(1 đ)
Giả sử hiệu suất thực của pin bằng 55% hiệu suất lý tưởng: tính điện áp thực của bộ pin nhiên liệu, so sánh với điện áp lý thuyết?	(1 đ)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
	Chủ nghiệm	 .
	Bộ môn Thiết Bị Điện	Người ra đề
	Trần Công Binh
 Đáp án:
a) Tcell_a = 62.500000 [oC]
a) Voc_a = 35.056250 [V]
a) Isc_a = 9.855650 [A]
a) Pm_a = 232.750000 [W]
b) E_1ngay = 1.047375 [kWh/ngay]
b) E_1nam = 382.291875 [kWh/nam]
c) n_c = 10.491955 [tam]==> chon 11 [tam pin]
c) A_c = 18.700000 [m2]
d) Pm_d = 3.080000 [W]
d) Voc_d = 434.500000 [V]
d) Isc_d = 9.710000 [A]
Kieu My: alfa=0.1: Smooth hard ground, calm water__________
a) Vavg_85 = 6.882169 [m/s]
b) ro = 1.151461 [kg/m3]
c) Pavg = 1.669045 [MW]
d) CF = 0.345755 
d) E = 4.543220 [GWh]
a) HHV = 726.400000 [kJ/mol] = 22700.000000 [kJ/kg]
a) Eff_max = 0.966565 [%]
b) Pmax = 6.097222 [kW]
c) Wer = 3.658333 [kWh/kg]
% Lop NLTT 2014_KCQ, thi HK
% Cau 1
% Matlab tinh goc theo rad!
clc
clear all
do_rad=pi/180
rad_do=180/pi
Tamb= 30 % nhiet do moi truong, oC
S = 1 % sun
% PV panel
ncell=60 % cells
A=1.7 % m2
Pm=280 % W
Vm=31.2 % V
Im=9.07 % A
Voc=39.5 % V
Isc=9.71 % A
NOCT=46 % oC
TCIsc=0.04 % %
TCVoc=-0.30 % %
TCPm=-0.45 % %
hd = 4.5 % 4,5 gio nang dinh /ngay
S = 1 % 1 sun = 1kW/m2
HS = 0.90 % Hieu suat
Ett = 10000 % Nang luong tieu thu 10-kWh/ngay
disp('Cau a_________________')
Tcell=Tamb+(NOCT-20)/0.8*S
Voc_a=Voc*(1+TCVoc/100*(Tcell-25))
Isc_a=Isc*(1+TCIsc/100*(Tcell-25))
Pm_a=Pm*(1+TCPm/100*(Tcell-25))
disp('Cau b_________________')
E_1ngay=Pm_a*hd
E_1nam=E_1ngay*365 % 365 ngay/nam
disp('Cau c_________________')
E_1ngay_c=E_1ngay*HS % nang luong tu 1 tam pin/ngay
n_c=Ett / E_1ngay_c
n_c1=ceil(n_c)
A_c=n_c1*A
disp('Cau d_________________')
Pm_d=Pm*n_c1
Voc_d=Voc*n_c1 % Mac noi tiep
Isc_d=Isc % Mac noi tiep
disp('Ket qua _______________________')
TEXT = sprintf('a) Tcell_a = %f [oC]', Tcell); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) Voc_a = %f [V]', Voc_a); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) Isc_a = %f [A]', Isc_a); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) Pm_a = %f [W]', Pm_a); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) E_1ngay = %f [kWh/ngay]', E_1ngay/1000); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) E_1nam = %f [kWh/nam]', E_1nam/1000); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) n_c = %f [pin]==> chon %f [tam pin]', n_c, n_c1); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) A_c = %f [m2]', A_c); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) Pm_d = %f [kW]', Pm_d/1000); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) Voc_d = %f [V]', Voc_d); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) Isc_d = %f [A]', Isc_d); disp(TEXT)
% Lop NLTT 2014-KCQ
% Cau 2_NL Gio
% Matlab tinh goc theo rad!
clc
clear all
H=15 % Cao do mat bang lap dat 15m
H0=65 % Cao do khao sat
Vavg_65=6.7 % [m/s]
H1=85 % Cao do lap dat
D=77 % Duong kinh
Pr=1.5e6 % 1.5MW
Tabm=30 % [oC]
R=8.2056e-5 % [m3.atm/(K.mol)]
T=273+Tabm % [oK]
MW=28.97 % air=28.97g/mol
Po=1 % atm
disp('Kieu My ____________________________')
% Cau a
alfa1=0.1 % Mat dat bang phang
Vavg_85 = Vavg_65*(H1/H0)^alfa1
% Cau b
% Cach 1-------------------
P=Po*exp(-1.185e-4*(H+H1))
ro=P*MW*1e-3/R/T
% Cach 2-------------------
%KT=0.95 % Nhiet do 30oC
%KA=(1+0.977)/2 % Do cao 15+85 = 100m
%ro=1.225*KT*KA
% Cau c
A=pi*D^2/4
Pavg=6/pi*1/2*ro*A*Vavg_85^3
% Cau d
CF=0.087*Vavg_85-(Pr/1000)/(D^2)
E=Pr*CF*8760
disp('Ket qua ________________')
disp('Kieu My: alfa=0.1: Smooth hard ground, calm water__________')
TEXT = sprintf('a) Vavg_85 = %f [m/s]', Vavg_85); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) ro = %f [kg/m3]', ro); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) Pavg = %f [MW]', Pavg/1e6); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) CF = %f ', CF); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) E = %f [GWh]', E/1e9); disp(TEXT)
% Lop NLTT 2014-KCQ, thi HK
% Cau 3_Fuel cell
% Matlab tinh goc theo rad!
clc
clear all
T=273+25 %[oK]
disp('___________________ 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 %[g]
HHV_kg=HHV_mol/MW*1000 %[kJ/kg]
% 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_max =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]
We=H-Qmin %[kJ/mol]
We=abs(delta_G) %[kJ/mol]
Eff_max2=We/H
disp('___________________ Cau b')
P_max=We*1000/MW*1/3600 %[kW]
disp('___________________ Cau c')
% Cach 1----------------------
We_c = 0.6 * We %[kJ/mol]
Wer = We_c/3600*1000/MW %[kWh/kg]
% Cach 2----------------------
Wer2 = 0.6 * P_max * 1 %[kWh/kg]
disp('Ket qua ___________________')
TEXT = sprintf('a) HHV = %f [kJ/mol] = %f [kJ/kg]', HHV_mol, HHV_kg); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) Eff_max = %f [%%]', Eff_max); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) Eff_max2 = %f [%%]', Eff_max2); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) Pmax = %f [kW]', P_max); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) Wer = %f [kWh/kg]', Wer); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) Wer2 = %f [kWh/kg]', Wer2); disp(TEXT)