Đề thi học kỳ I môn Năng lượng tái tạo - Vòng 1 - Năm học 2012-2013 (Có đáp án)

ĐỀ THI HỌC KỲ 1, NĂM HỌC 2012-2013.
MÔN THI: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO. Thời gian: 90 phút.
Sinh viên được phép sử dụng tài liệu. Điểm tính theo thang điểm 10. 
Cho 1 tấm pin mặt trời BP 80W (polycrystalline) có 36 tế bào ghép nối tiếp: 
Maximum power - Pmax
80 W
Voltage at Pmax - Vmp
17,6 V
Current at Pmax - Imp
4,55 A
Warranted minimum Pmax
76 W
Short-circuit current - Isc
4,8 A
Open-circuit voltage - Voc
22,1 V
Temperature coefficient of Isc
0,065% / °C
Temperature coefficient of Voc
-80mV / °C
Temperature coefficient of power
-0,5% / °C
Nominal operating cell temperature (NOCT)
47°C
Solar Cells
36 cells in a 4 x 9 matrix connected in series
Tấm pin trên được lắp đặt tại Cần Thơ (10o1'0'' vĩ Bắc, 105°46'0" kinh Đông). Vào ngày 8 tháng 1, nhiệt độ môi trường là 30oC. Lúc mặt trời đứng bóng, độ rọi mặt trời là 1-sun (1kW/m2):
Nếu tấm pin luôn hướng về mặt trời, tính nhiệt độ, điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, công suất cực đại của tấm pin? 	(1 đ)
Tính năng lượng (kWh) mà tấm pin có thể thu được trong một năm. Biết số giờ năng trung bình ở Cần Thơ là 4 giờ/ngày. Nhiệt độ trung bình là 30oC.	(1 đ)
Tính tính thiên độ d, cao độ bN và góc nghiên tilt? 	(1 đ)
Với góc nghiên trênở câu c), tính độ rọi thực lên tấm pin lắp song song với mặt đất? 	(1 đ)
Với độ rọi ở câu d), tính nhiệt độ, điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, và công suất cực đại của tấm pin? 	(1 đ)
Với điều kiện ở câu e), tính dòng ngược bảo hòa? Biết RS≈0mΩ, RP=14Ω. Tính dòng điện và công suất khi tấm pin cấp điện trực tiếp cho acquy 12V? 	(1 đ)
Dọc theo bờ biển Bạc Liêu, khi khảo sát năng lượng gió ở độ cao 65m so với mặt biển, tốc độ gió trung bình là 7m/s, phân bố theo hàm Reyleigh. Tại vị trí này lắp đặt một turbin gió có đường kính cánh quạt 82,5m ở độ cao 80m trên mặt biển. Khi nhiệt độ môi trường là 30oC, mặt biển tĩnh lặng: 
Tính tốc độ gió trung bình ở độ cao 80m so với mặt biển?	 (1 đ)
Tính tỷ trọng không khí ở vị trí đặt turbin?	(1 đ)
Tính mật độ công suất gió trung bình ở độ cao 80m?	(1 đ)
Tính công suất gió trung bình ứng với diện tích đón gió của turbin?	(1 đ)
Giả sử turbin được lắp đặt máy phát điện hòa lưới có công suất định mức bằng công suất gió trung bình. Biết hệ số khả năng CF=0,33. Tính điện năng cung cấp của máy phát gió lên lưới điện trong một năm?	(1 đ)
Ở điều kiện tiêu chuẩn STP, pin nhiên liệu PEMFC dùng nhiên liệu Hydro (H2) phản ứng oxi hóa tạo ra nước ở thể khí.
Tính HHV của phản ứng theo kJ/mol và kJ/kg H2?	(1 đ)
Tính hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu trên?	(1 đ)
-------------------------------------------------HẾT-------------------------------------------------
Chưa giải.
Đáp án:
Ket qua __________________
a) Tcell = 63.750000 [oC]
a) Voc_a = 21.414900 [V]
a) Isc_a = 4.920900 [A]
a) Pm_a = 64.500000 [W]
b) E_annual = 94170.000000 [Wh]
c) delta = -22.302275 do
c) btaN = 57.681058 do
c) tilt = 32.318942 do
d) Sb = 0.845085 [sun]
e) Tcell_e = 58.521623 [oC]
e) Voc_e = 21.507338 [V]
e) Isc_e = 4.904587 [A]
e) Pm_e = 66.591351 [W]
f) Io = 0.409134 e-8 [A]
f) I_f = 4.880302 [A]
f) P_f = 58.563627 [W]
f) P_f < Pm = 80.000000 [W]. 
Chu y: Da bo qua Rs!
A
Ket qua _________________________________________________________
Cach 1: alfa=0.1: Smooth hard ground, calm water__________
a) Vavg_100 = 7.146867 [m/s]
b) ro = 1.165187 [kg/m3]
b1) ro1 = 1.151500 [kg/m3]
c) PAavg = 406.175773 [W]
d) Pavg = 2171259.810903 [W]
e) E = 6.276678 [GWh]
.
Cach 2: z=0.0002: Water surface___________________________
a) Vavg_100 = 7.114523 [m/s]
b) ro = 1.165187 [kg/m3]
c) PAavg = 400.686062 [W]
d) Pavg = 2141913.925562 [W]
e) E = 6.191845 [GWh]
delta_H = -241.8000
a) HHV = 241.800000 [kJ/mol] = 120900.000000 [kJ/kg]
Qmin = 13.0226
b) Eff_max = 0.946143 [%]
% Lop NLTT 2012, thi HK, lop Can Tho
% 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 Tay
n = 1-1+8 % ngay 8 thang 1
Tamb=30 % nhiet do moi truong, oC
Sun = 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 % %/oC
TCVoc=-0.08 % mV/oC 
TCPm=-0.5 % %/oC 
Vaq=12
Rs=0
Rp=14
Sun_day=4 % gio nang /ngay
% Cau a
Tcell=Tamb+(NOCT-20)/0.8*Sun
Voc_a=Voc*(1+TCVoc/100*(Tcell-25))
Isc_a=Isc*(1+TCIsc/100*(Tcell-25))
Pm_a=Pm*(1+TCPm/100*(Tcell-25))
% Cau b
E_annual=Pm_a*Sun_day*365
% Cau c
delta = 23.45*sin((360/365*(n-81))*do_rad)
btaN1 = 90-L+delta
tilt = 90-btaN1
% Cau d
Sd = Sun*cos(tilt*do_rad)
% Cau e
Tcell_e=Tamb+(NOCT-20)/0.8*Sd
Voc_e=Voc*(1+TCVoc/100*(Tcell_e-25))
Isc_e=Isc*(1+TCIsc/100*(Tcell_e-25))
Pm_e=Pm*(1+TCPm/100*(Tcell_e-25))
% Cau f
k=1.381*10e-23
T=273+Tcell_e
q=1.602*10e-19
kT_q=k*T/q % 0.0257
Io=Isc_e/(exp(Voc_e/ncell/kT_q)-1) % => 5.407299 e-9
Vcell=Vaq/ncell
I_f=Isc_e-Io*(exp(Vcell/kT_q)-1)-Vcell/Rp
P_f=I_f*Vaq
disp('Ket qua _________________________________________________________')
TEXT = sprintf('a) Tcell = %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_annual = %f [Wh]', E_annual); 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('d) Sb = %f [sun]', Sd); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('e) Tcell_e = %f [oC]', Tcell_e); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('e) Voc_e = %f [V]', Voc_e); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('e) Isc_e = %f [A]', Isc_e); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('e) Pm_e = %f [W]', Pm_e); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('f) Io = %f e-8 [A]', Io/1e-8); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('f) I_f = %f [A]', I_f); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('f) P_f = %f [W]', P_f); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('f) P_f < Pm = %f [W]. Chu y: Da bo qua Rs!', Pm); disp(TEXT)
% Lop NLTT 2012, thi HK
% Cau 2_NL Gio
% Matlab tinh goc theo rad!
clc
clear all
H=0 %m
H0=65
H1=80
D=82.5 % m
Vavg_30=7 % [m/s]
Tabm=30 % [oC]
CF=0.33
R=8.2056e-5 % [m3.atm/(K.mol)]
T=273+Tabm % [oK]
MW=28.97 % air=28.97g/mol
Po=1 % atm
% Cach 1______________________________________
% Cau a
alfa1=0.1 % Smooth hard ground, calm water
Vavg_100_c1 = Vavg_30*(H1/H0)^alfa1
% Cau b
P=Po*exp(-1.185e-4*(H))
ro=P*MW*1e-3/R/T
% Nhiet do35oC
KT=0.94
% Do cao 0m
KA=1
ro_1=1.225*KT*KA
% Cau c
PAavg_c1=6/pi*1/2*ro*Vavg_100_c1^3
% Cau d
A=pi*D^2/4
Pavg_c1=PAavg_c1*A
%Pavg_c1=6/pi*1/2*ro*A*Vavg_100_c1^3
% Cau e, voi may phat dien co Pdm=Pavg
E_c1=Pavg_c1*CF*8760
% Cach 2______________________________
% Cau a
z2=0.0002 % Water surface, Smooth hard ground
Vavg_100_c2 = Vavg_30*log(H1/z2)/log(H0/z2)
% Cau b
% Cau c
PAavg_c2=6/pi*1/2*ro*Vavg_100_c2^3
% Cau d
Pavg_c2=PAavg_c2*A
% Cau e, voi may phat dien co Pdm=Pavg
E_c2=Pavg_c2*CF*8760
disp('Ket qua ____________')
disp('Cach 1: alfa=0.1: Smooth hard ground, calm water__________')
TEXT = sprintf('a) Vavg_100 = %f [m/s]', Vavg_100_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]', PAavg_c1); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) Pavg = %f [W]', Pavg_c1); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('e) 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_100_c2); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) ro = %f [kg/m3]', ro); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) PAavg = %f [W]', PAavg_c2); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) Pavg = %f [W]', Pavg_c2); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('e) E = %f [GWh]', E_c2/1e9); disp(TEXT)
disp('.')
% Lop NLTT 2012, thi HK
% Cau 3_Fuel cell
% Matlab tinh goc theo rad!
clc
clear all
T=298 %[oK]
% Cau a
%H2 + 1/2*O2 -> H2O (gas)
%0 0 (-241.8)
delta_H = -241.8 - (0+0) %[kJ/mol CH3OH]
HHV_mol=-delta_H
%MW = 2*1.008
MW = 2*1
HHV_kg=HHV_mol/MW*1000 %[kJ/kg]
% Cau b
%H2 + 1/2*O2 -> H2O (gas)
%0.130 1/2*0.205 0.1888
delta_S=0.13+1/2*0.205-(0.1888) %[kJ/mol-K]
Qmin=T*delta_S %[kJ/mol]
H=HHV_mol
Eff_max=1-Qmin/H
%CH3OH + 3/2*O2 -> CO2 + 2*H2O 
%H2 + 1/2*O2 -> H2O (gas)
%0 0 -228.6
delta_G=0+0 -(-228.6) %[kJ/mol-K]
We=delta_G
We=H-Qmin
Eff_max=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_max = %f [%%]', Eff_max); disp(TEXT)