Đề thi học kỳ 2 môn Năng lượng tái tạo - Năm học 2013-2014 (Có đáp án)

ĐỀ THI HỌC KỲ 2, NĂM HỌC 2013-2014.
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)
280 W
Điện áp ở Pmax (Vmpp)
31,2 V
Dòng điện ở Pmax (Impp)
9,07 A
Dòng điện ngắn mạch (Isc)
9,71 A
Điện áp hở mạch (Voc)
39,5 V
Hệ số nhiệt của Isc
0,04%/K
Hệ số nhiệt của Voc
- 0,30%/K
Hệ số nhiệt của Pmax
- 0,45%/K
NOCT
46 °C
Tấm pin trên được lắp đặt song song với mặt đất ở khu vực có số giờ nắng đỉnh trung bình là 4,5 giờ/ngày, nhiệt độ trung bình ngoài trời là 30oC. 
Lúc giữa trưa, độ rọi mặt trời là 1-sun (1kW/m2), nhiệt độ môi trường là 30oC:
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 thu được trong một ngày, và một năm?	(1 đ)
Tấm pin trên đang được sử dụng trong một hệ hòa lưới của một gia đình, có hiệu suất chuyển đổi trung bình là 90%. Biết gia đình này tiêu thụ điện 10kWh/ngày.
Tính số lượng tấm pin và diện tích cần lắp đặt để cung cấp đủ cho nhu cầu sử dụng?	(1 đ)
Biết tất cả các tấm pin được ghép nối tiếp, tính công suất, điện áp và dòng điện lớn nhất cấp vào bộ chuyển đổi (inverter) hòa lưới ở STC?	(1 đ)
Trên mặt đất bằng phẳng ở cao độ 15m so với mặt biển Bình Thuận, khi khảo sát năng lượng gió ở độ cao 65m so với mặt đất, tốc độ gió trung bình là 6,7m/s, phân bố theo hàm Reyleigh. Tại vị trí này lắp đặt một turbine gió có đường kính cánh quạt 77m, ở độ cao 85m trên mặt đất, máy phát điện 1,5MW. Khi nhiệt độ môi trường là 30oC: 
Tính tốc độ gió trung bình ở độ cao lắp turbine gió?	 (1 đ)
Tính tỷ trọng không khí ở vị trí đặt turbine?	(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)
Ở điều kiện tiêu chuẩn (STP: 1 atm, 25°C), pin nhiên liệu DMFC dùng nhiên liệu methanol (CH3OH) phản ứng oxi hóa tạo ra CO2 và nước ở thể lỏng.
Tính HHV và hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu loại này?	(1 đ)
Biết pin nhiêu liệu tiêu thụ 1 kg methanol trong một giờ, tính công suất lý tưởng của pin?	(1 đ)
Giả sử hiệu suất thực của pin bằng 60% hiệu suất lý tưởng, tính lượng điện năng (kWh) được tạo ra từ 1 kg methanol?	(1 đ)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Người ra đề .
Trần Công Binh
Chưa giải.
Đáp án:
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]
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]
a) HHV = 726.400000 [kJ/mol] = 22700.000000 [kJ/kg]
b) Eff_max1 = 0.966565 [%]
b) Eff_max2 = 0.966960 [%]
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)
% 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('.')
% 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)