Đề thi học kỳ I môn Năng lượng tái tạo - Năm học 2014-2015

Câu 1. Ở một địa điểm được khảo sát, người ta đo được phân bố vận tốc gió như trong bảng, tại độ cao 10 m. Người ta dự kiến sẽ đặt một tuabin gió trục ngang với độ cao tâm trục là 50 m. Giả sử hệ số ma sát của bề mặt khu vực lắp đặt là a = 0,15, và khối lượng riêng của không khí tại độ cao tâm trục là 1,22 kg/m3.
a) Tính vận tốc gió trung bình (thống kê) và công suất gió trên đơn vị diện tích trung bình (thống kê) tại độ cao tâm trục.
b) Tính mật độ năng lượng gió (trên đơn vị diện tích) sẽ nhận được mỗi năm.
c) Nếu sử dụng một tuabin gió trục ngang có đường kính rôto là 55,6 m, hiệu suất chuyển đổi cơ – điện là 30%, vận tốc gió vào là 5 m/s, vận tốc định mức là 15 m/s, và vận tốc cắt thoát là 25 m/s. Tính công suất định mức của máy phát điện và tổng thời gian mà tuabin gió này phát điện ở công suất định mức trong 1 năm. Biết rằng vận tốc gió được phân bố như trên.
d) Tính tổng điện năng mà tuabin sản xuất ra trong 1 năm, và hệ số sử dụng (CF) tương ứng.
Câu 2. Giả sử một bộ pin nhiên liệu 2 MW có điểm làm việc của mỗi cell là 0,6 V và 0,4 A/cm2.
a) Cần tổng diện tích cell bằng bao nhiêu?
b) Nếu mỗi cell có diện tích 1 m2 và có 280 cell trên mỗi dãy, sẽ cần bao nhiêu dãy để tạo ra bộ pin 2 MW này?
Bài giải:
Câu 1.
a) Quy đổi vận tốc gió tại 10 m về vận tốc gió tại 50 m, tính vận tốc gió trung bình (xem bảng tính Excel), thu được kết quả v50(avg) = 10,17 m/s.
Với diện tích = 1 m2, và khối lượng riêng của không khí đã cho, tính được công suất gió ứng với các giá trị khác nhau của vận tốc gió (đã tính phía trên), từ đó có được công suất gió trên đơn vị diện tích trung bình (chia tổng năng lượng gió thu được trong năm cho 8760 giờ), thu được kết quả
Pđvdt(avg) = 967,3 W
b) Mật độ năng lượng gió (trên đơn vị diện tích) chính là tổng năng lượng gió thu được trong năm đã có ở câu a). Cũng có thể lấy công suất gió trên đơn vị diện tích trung bình nhân với 8760 giờ, có được cùng kết quả sau (xem bảng tính Excel):
Egió(đvdt) = 8473658 Wh
c) Công suất định mức của máy phát điện sẽ được tính tại vận tốc gió = 15 m/s. Tại vận tốc này và với khối lượng riêng của không khí đã cho, ta có được công suất gió trên đơn vị diện tích = 2059 W. Tổng diện tích quét của rôto = 2428 m2. Từ đó tính được công suất điện định mức, với hiệu suất chuyển đổi cơ điện đã cho (xem bảng tính Excel), thu được kết quả
Pđiện(đm) = 1500 kW
Tổng thời gian mà tuabin phát công suất định mức được tính là tổng thời gian vận tốc gió tại 50 m nằm giữa 15 m/s và 25 m/s (xem bảng tính Excel), thu được kết quả
Tổng thời gian tuabin phát công suất định mức = 882 giờ
d) Bảng tính Excel cũng tính ra công suất gió ứng với từng giá trị vận tốc gió tại 50 m, từ đó cho phép tính ra công suất điện tương ứng (với các vận tốc gió dưới 5 m/s hoặc trên 25 m/s, công suất điện sẽ là 0, xem bảng tính Excel). Từ đó có thể tính được tổng điện năng do máy sản xuất trong 1 năm = 5025124 kWh.
Ngoài ra, tổng năng lượng gió truyền qua diện tích quét của rôto cũng có thể xác định bằng cách lấy kết quả ở câu b) nhân với diện tích quét, cho ta kết quả
Egió = 20573604 kWh
Như vậy có thể xác định hệ số sử dụng (Capacity Factor – CF) = 0,2443.
Câu 2.
a) Mỗi cm2 diện tích pin nhiên liệu sẽ cung cấp 0,6 V*0,4 A = 0,24 W. Do đó, sẽ cần tổng diện tích là
A = 2000000/0,24 = 8333333 cm2 = 833,3 m2
b) Nếu mỗi cell có diện tích 1 m2, sẽ cần tổng cộng khoảng 833 cell. Do đó, nếu mỗi dãy chứa 280 cell thì sẽ cần 833/280 = 2,975 » 3 dãy, để có thể cung cấp 2 MW.