Đề thi học kỳ hè môn Năng lượng tái tạo Lớp RZ01 - Năm học 2014-2015 (Có đáp án)

ĐỀ THI HỌC KỲ HÈ, NĂM HỌC 2014-2015. Lớp RZ01. Ngày thi: 10/8/2015.
MÔN THI: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO. Thời gian: 90 phút.
Sinh viên được phép sử dụng tài liệu riêng.
Cho tấm pin mặt trời loại 72 tế bào (loại polycrystalline) ghép nối tiếp, có các thông số ở STC (1kW/m2, 25oC, AM1,5) như sau: 
Công suất cực đại (Pmax)	300 W	Hệ số nhiệt của Isc	 0,05%/oC
Điện áp ở Pmax (Vmpp)	35,2 V	Hệ số nhiệt của Voc	- 0,321%/ oC
Dòng điện ở Pmax (Impp)	8,52 A	Hệ số nhiệt của Pmax	- 0,439%/ oC
Dòng điện ngắn mạch (Isc)	8,94 A	NOCT	46,2 °C
Điện áp hở mạch (Voc)	45,1 V	Diện tích	2m2 
Tấm pin được lắp đặt tại Côn Đảo, có số giờ nắng đỉnh là 5,5 giờ/ngày, nhiệt độ ngoài trời 27oC. Tấm pin lắp song song với mặt đất, lúc giữa trưa độ rọi là 1-Sun (1kW/m2), phổ AM1,5:
Tính nhiệt độ, điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, công suất cực đại của tấm pin?	(1 đ)
Tính điện năng (kWh) mà tấm pin có thể phát trong một ngày? 	(1 đ)
Tính chọn điện áp và dung lượng acquy loại deep-cycle để lưu trữ vừa đủ điện năng của tấm pin trong 1 ngày? Biết hiệu suất năng lượng của acquy là 75%, của bộ sạc là 95%.	(1 đ)
Tính số lượng tấm pin cần lắp đặt cho hệ điện mặt trời hòa lưới để cung cấp 1MW cho phụ tải giữa trưa ở Côn Đảo? Biết hiệu suất bộ nghịch lưu hòa lưới là 90%.	(1 đ)
Trên mặt biển tĩnh lặng ở Bạc Liêu, khi khảo sát năng lượng gió ở độ cao 65m so với mặt đất, tốc độ gió trung bình là 7m/s, phân bố theo hàm Reyleigh. Tại vị trí này lắp đặt một turbine gió có đường kính cánh quạt 82,5m, ở độ cao 90m so với mặt biển, máy phát điện 1,6MW. Khi nhiệt độ môi trường là 27,5oC: 
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)
Tính hiệu suất biến đổi gió – điện ở định mức? Biết turbine đạt công suất định mức ở tốc độ gió 11,5m/s.	(0,5 đ)
Ở điều kiện tiêu chuẩn (STP: 1 atm, 25°C), pin nhiên liệu PEMFC dùng nhiên liệu hydro (H2) phản ứng với oxi tạo ra nước ở thể lỏng. Giả sử khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn. 
Khi một tế bào pin nhiên liệu tiêu thụ 50 lit hydro trong một giờ:
Tính điện năng (kWh) tối đa tạo ra trong một giờ?	(1 đ)
Tính dòng điện, công suất lý thuyết và điện áp lý thuyết của tế bào?	(1 đ)
Tính điện áp thực của tế bào? Biết hiệu suất thực của pin bằng 60% hiệu suất lý tưởng.	(0,5 đ)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
	Chủ nghiệm	 .
	Bộ môn Thiết Bị Điện	Người ra đề
	Trần Công Binh
 Đáp án:
Ket qua _______________________
a) Tcell_a = 59.750000 [oC]
a) Voc_a = 40.069208 [V]
a) Isc_a = 9.095332 [A]
a) Pm_a = 254.234250 [W]
b) Eb_1ngay = 1.398288 [kWh/ngay]
c) Chon 2 bi`nh acquy loai 12V/67.389101[Ah]
d) n_d = 4370.422597 [pin]==> chon 4371.000000 [tam pin]
Ket qua ______________________
Kieu My: alfa=0.1: Smooth hard ground, calm water__________
a) Vavg_90 (Au) = 7.179486 [m/s]
a) Vavg_90 (My) = 7.231543 [m/s]
a) ro = 1.160054 [kg/m3]
b) Pavg = 2.239444 [MW]
c) CF = 0.394066 
c) E_annual = 5.523231 [GWh]
d) HS_gio_dien = 33.929730 [%]
a) HHV = 285.800000 [kJ/mol] = 142900.000000 [kJ/kg]
a) Qmin = 48.479190 [kJ/mol] = 24239.595000 [kJ/kg]
a) Eff_max = 83.037372 [%]
a) Wer = 32.944444 [kWh/kg]
a) E_a = 0.147073 [kWh]
b) I = 119.633482 [A]
b) Pmax = 147.073413 [W]
b) Vr = 1.229367 [V]
c) Pc = 88.244048 [W]
c) Vc_cell = 0.737620 [V]
% Lop NLTT 2015_KCQ, thi HK3_lop RZ
% Cau 1
% Matlab tinh goc theo rad!
clc
clear all
do_rad=pi/180
rad_do=180/pi
% PV panel
ncell=72 % cells
A=2 % m2
Pm=300 % W
Vm=35.2 % V
Im=8.52 % A
Voc=45.1 % V
Isc=8.94 % A
NOCT=46.2 % oC
TCIsc= 0.05 % %
TCVoc=-0.321 % %
TCPm =-0.439 % %
SunH = 5.5 % Sun Hour = 5 gio nang dinh /ngay
S = 1 % sun
Tamb= 27 % nhiet do moi truong, oC
HS_acquy = 0.75 % Hieu suat acquy
HS_charger = 0.95 % Hieu suat bo sac acquy
P_grid=1e6 % 1MW
HS_inv = 0.9 % Hieu suat Bo inverter hoa luoi
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_________________')
Eb_1panel=Pm_a*SunH
disp('Cau c_________________')
disp('Chon acquy 24V!')
V_acquy = 24
Eb_acquy_out=Eb_1panel*HS_acquy*HS_charger
Ah=Eb_acquy_out/V_acquy
disp('Acquy deep-cycle cho phep xa 80%.')
disp('Gia su toc do xa cua acquy trong 1 dem la 10 gio = C/10: ')
disp('O 27oC, tra hinh 9.42, dung luong acquy con 77%!')
Ah_acquy=Ah/0.8/0.77
disp('Cau d_________________')
Psolar=P_grid/HS_inv
n_d=Psolar/Pm_a
n_d1=ceil(n_d)
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) Eb_1ngay = %f [kWh/ngay]', Eb_1panel/1000); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) Chon 2 bi`nh acquy loai 12V/%f[Ah]', Ah_acquy); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) n_d = %f [pin]==> chon %f [tam pin]', n_d, n_d1); disp(TEXT)
% Lop NLTT 2015-KCQ, thi HK3 _ Lop RZ
% Cau 2_NL Gio
% Matlab tinh goc theo rad!
clc
clear all
H=0 % Cao do so vôi muc nuoc bien
H0=65 % Do cao khao sat so voi mat dat
Vavg_65=7 % [m/s]
H1=90 % Do cao lap dat tinh tu mat dat
D=82.5 % Duong kinh
Pr=1.6e6 % 1,6MW
Tabm=27.5 % [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 bien tinh lang
Vavg_90 = Vavg_65*(H1/H0)^alfa1
disp('Kieu Au _____________________')
% Cau a
z=0.0002 % Mat bien tinh lang
Vavg_90_Au = Vavg_65*log(H1/z)/log(H0/z)
% Cach 1-------------------
P=Po*exp(-1.185e-4*(H+H1))
ro=P*MW*1e-3/R/T
% Cach 2-------------------
KT=(0.95*3 + 0.97*2)/5 % Nhiet do 28oC
KA=(1+0.977)/2 % Do cao 40+60 = 100m
ro=1.225*KT*KA
% Cau b
A=pi*D^2/4
Pavg=6/pi*1/2*ro*A*Vavg_90^3
% Cau c
CF=0.087*Vavg_90-(Pr/1000)/(D^2)
E_annual=Pr*CF*8760
% Cau d
V_rate=11.5 % m/s
Pw_rate=1/2*ro*A*V_rate^3
HS_gio_dien=Pr/Pw_rate
disp('Ket qua ______________________')
disp('Kieu My: alfa=0.1: Smooth hard ground, calm water__________')
TEXT = sprintf('a) Vavg_90 (Au) = %f [m/s]', Vavg_90_Au); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) Vavg_90 (My) = %f [m/s]', Vavg_90); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) ro = %f [kg/m3]', ro); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) Pavg = %f [MW]', Pavg/1e6); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) CF = %f ', CF); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) E_annual = %f [GWh]', E_annual/1e9); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) HS_gio_dien = %f [%%]', HS_gio_dien*100); disp(TEXT)
% Lop NLTT 2015-KCQ, thi HK3 _Lop RZ
% Cau 3_Fuel cell
% Matlab tinh goc theo rad!
clc
clear all
T=25+273.15 %[oK]
n=50/22.4 % so mol H2 trong mot gio cho moi te bao
% Cau a.1
%H2 + 1/2*O2 -> H2O (liquid)
%0 0 (-285.8)
delta_H = -285.8 - (0+0) %[kJ/mol CH3OH]
HHV_mol=abs(delta_H)
%MW = 2*1.008
MW = 2*1
HHV_kg=HHV_mol*1000/MW %[kJ/kg]
% Cau a.2
%H2 + 1/2*O2 -> H2O (liquid)
%0.130 1/2*0.205 0.0699
delta_S=0.13+1/2*0.205-(0.0699) %[kJ/mol-K]
Qmin=T*delta_S %[kJ/mol]
Qmin_kg=Qmin/MW*1000 %[kJ/kg]
H=HHV_mol
Eff_max=1-Qmin/H
%H2 + 1/2*O2 -> H2O (liquid)
%0 0 -237.2
delta_G=(-237.2)-0-0 %[kJ/mol-K]
We=abs(delta_G)
We=H-Qmin
Eff_max=We/H
Wer = abs(delta_G) %[kJ/mol]
Wer = Wer/3600*1000/MW %[kWh/kg]
m_H2=n*MW/1000 % Khoi luong H2 moi gio
E_a_kWh=Wer*m_H2
% Cau b
I=n/3600*6.022e23*2*1.602e-19
P_max=1000*abs(delta_G)*n/3600
Vr=P_max/I
% Cau c
P_c=0.6 * P_max
V_c=P_c/I
disp('Ket qua ___________________________')
TEXT = sprintf('a) HHV = %f [kJ/mol] = %f [kJ/kg]', HHV_mol, HHV_kg); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) Qmin = %f [kJ/mol] = %f [kJ/kg]', Qmin, Qmin_kg); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) Eff_max = %f [%%]', Eff_max*100); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) Wer = %f [kWh/kg]', Wer); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) E_a = %f [kWh]', E_a_kWh); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) I = %f [A]', I); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) Pmax = %f [W]', P_max); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) Vr = %f [V]', Vr); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) Pc = %f [W]', P_c); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) Vc_cell = %f [V]', V_c); disp(TEXT)