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

ĐỀ THI HỌC KỲ 1, NĂM HỌC 2014-2015.
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 72 tế bào ghép nối tiếp, 1,26m2, có thông số ở điều kiện tiêu chuẩn (STC: 1 kW/m2, 25°C, AM1,5) như sau:
Công suất cực đại (Pmax)
175
W
Điện áp ở Pmax (Vmpp)
35,7
V
Dòng điện ở Pmax (Impp)
4,9
A
Dòng điện ngắn mạch (Isc)
5,4
A
Điện áp hở mạch (Voc)
44
V
Hệ số nhiệt của Isc
0,065
%/ oC
Hệ số nhiệt của Voc
-160
mV/oC
Hệ số nhiệt của Pmax
-0,5
%/ oC
NOCT
47
°C
Tấm pin trên được lắp đặt ở khu vực có số giờ nắng đỉnh trung bình là 5 giờ/ngày, nhiệt độ trung bình ngoài trời là 27oC. 
Lúc giữa trưa, độ rọi trực diện lên mặt trời là 1-sun (1kW/m2), nhiệt độ môi trường là 27oC:
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 thu được trong một ngày, và trong một năm?	(1 đ)
Loại pin trên được sử dụng cho một hệ điện mặt trời độc lập của một gia đình tiêu thụ 5 kWh/đêm từ 18:00 đến 23:00, dùng điện áp 220Vac. Biết inverter có hiệu suất trung bình 85%, bộ sạc có hiệu suất trung bình 95%, acquy có hiệu suất năng lượng 75%, hiệu cuất Coulomb 90%.
Tính chọn mức điện áp DC và dung lượng acquy để tích điện đủ dùng cho 1 đêm?	(1 đ) 
Tính công suất, số lượng tấm pin mặt trời, cách ghép nối và diện tích lắp đặt?	(1 đ)
Trên cánh đồng lúa ở cao độ 100m so với mặt biển, khi khảo sát năng lượng gió ở độ cao 65m so với mặt đất, tốc độ gió trung bình là 6,9m/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 so với mặt đất, máy phát điện 1,5MW. Khi nhiệt độ môi trường là 30oC: 
Tính tỷ trọng không khí và tốc độ gió trung bình ở độ cao lắp turbine? Tính công suất đón gió trung bình của turbine?	 (1,5 đ)
Biết turbine có vận tốc gió vào là 4m/s, vận tốc cắt thoát là 22m/s. Tính tổng thời gian mà turbine không phát điện phát điện trong 1 năm do vận tốc gió quá thấp hoặc quá cao?	(1,5 đ)
Tính hệ số khả năng CF? Tính điện năng turbine gió phát lên lưới điện trong một năm?	(1,5 đ)
Nếu phải thay mới máy phát điện, đề nghị chọn lại số khả năng CF và công suất máy phát điện? Tính lại điện năng turbine gió phát lên lưới điện trong một năm?	(1,5 đ)
Cho một bộ pin nhiên liệu gồm 5 tế bào ghép nối tiếp, dùng nhiên liệu khí hydro phản ứng với oxy tạo thành nước ở thể lỏng ở điều kiện tiêu chuẩn (1 atm, 25oC). Cho biết lưu lượng khí hydro cung cấp cho pin nhiêu liệu là 100 lít/giờ. Giả sử khí hydro được hấp thu để chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn.
Tính dòng điện, và công suất lý thuyết cực đại của bộ pin?	(1 đ)
Giả sử hiệu suất thực của bộ pin chỉ bằng 60% hiệu suất lý thuyết:
Tính công suất và điện áp thực của bộ pin?	(1 đ)
Tính lượng điện năng (kWh) được tạo ra từ 1 kg hydro?	(1 đ)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
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]
Đáp án:
Tính hiệu suất lý thuyết cực đại của pin nhiên liệu trên? Giả sử hiệu suất thực của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết, tính lượng điện năng được tạo ra từ 1 kg hydro?	(1đ)
	H2 (khí) + ½ O2 (khí) ® H2O (lỏng)
Ho	0	½.0	-285,8	kJ/mol
So	0,13	½.0,205	0,0699	kJ/mol-K
Go	0	½.0	-237,2	kJ/mol
DH = -285,8 kJ/mol
HHV=|DH| =285,8 kJ/mol hydro =285,8 kJ/2g hydro =142 900 kJ/kg hydro.
DS = 0,13 + ½.0,205 – 0,0699 = 0,1626 kJ/mol-K
Qmin = T. DS = (273,15+25) * 0,1626 = 48,4792 kJ/mol hydro = 24240 kJ/kg hydro.
Tính hiệu suất lý thuyết cực đại:
Cách 1:
hmax = 1 - Qmin / HHV = 1- 48,4792 / 285,8 = 0,83 = 83%
Cách 2:
DG = -237,2 kJ/mol hydro.
hmax = DG / DH = 237,2 / 285,8 = 0,8300 = 83%
Hiệu suất lý thuyết cực đại là 83%.
We = |DG| = HHV – Qmin = 237,2 kJ/mol hydro.
Hiệu suất thực của pin sẽ là hr = 0,5 * 0,83 = 0,415
Vậy Wer = 0,5 * |DG| = 0,5 * 237,2 kJ/mol = 118,6 kJ/mol hydro = 118,6 (kW.s)/(2g hydro)
Hay 
Lượng điện năng được tạo ra từ 1 kg hydro là 16,47 kWh.
Cho biết pin nhiêu liệu tiêu thụ 2 lit khí hydro trong một giờ. Tính dòng điện, công suất lý thuyết cực đại?	(1đ)
Dòng điện: 
Công suất lý thuyết: 
Giả sử hiệu suất thực của pin ở câu c bằng 60% hiệu suất lý thuyết, khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn, tính công suất và điện áp thực của pin. Giả sử mật độ dòng điện qua màng lọc của mỗi tế bào là 0,45A/cm2. Tính diện tích màng lọc của pin? 	(1đ)
Công suất thực: 
Khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn nên dòng điện qua pin không thay đổi: I=
Điện áp thực: 
Diện tích màn lọc: 
% 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)