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

ĐỀ THI HỌC KỲ 1, NĂM HỌC 2013-2014.
MÔN THI: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO. Thời gian: 90 phút.
Sinh viên được phép sử dụng tài liệu riêng.
Cho 1 tấm pin mặt trời có 36 tế bào ghép nối tiếp, 0,6m2, có thông số ở STC (1 kW/m2, 25 °C, AM1,5) như sau:
Công suất cực đại (Pmax)
80 W
Điện áp ở Pmax (Vmpp)
17,6 V
Dòng điện ở Pmax (Impp)
4,55 A
Dòng điện ngắn mạch (Isc)
4,8 A
Điện áp hở mạch (Voc)
22,1 V
Hệ số nhiệt của Isc
0,065%/K
Hệ số nhiệt của Voc
- 80 mV/K
Hệ số nhiệt của Pmax
- 0,5%/K
NOCT
47 °C
Tính năng lượng (kWh) mà tấm pin (lắp song song mặt đất) có thể thu được trong một năm? Biết số giờ năng trung bình là 5 giờ/ngày. Nhiệt độ trung bình là 27oC.	(1 đ)
Tấm pin trên được lắp đặt tại Cần Thơ (10o1'0'' vĩ Bắc, 105°46'0" kinh Đông). Vào ngày 21 tháng 11, nhiệt độ môi trường là 27oC. Lúc giữa trưa, độ rọi mặt trời là 1-sun (1kW/m2):
Lắp tấm pin hướng về mặt trời: tính nhiệt độ, điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, công suất cực đại của tấm pin? 	(1 đ)
Lắp tấm pin song song mặt đất: góc nghiên tilt của mặt trời và độ rọi thực lên tấm pin? Khi đó tính nhiệt độ, điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, công suất cực đại của tấm pin? 	(1 đ)
Với điều kiện ở câu c), tính dòng ngược bảo hòa? Tính dòng điện và công suất khi tấm pin cấp điện trực tiếp cho acquy 13V? Tính hiệu suất chuyển đổi quang-điện?	(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 6,8m/s, phân bố theo hàm Reyleigh. Tại vị trí này lắp đặt một turbin gió có đường kính cánh quạt 82,5m, công suất 1,6MW, ở độ cao 90m trên mặt biển. Khi nhiệt độ môi trường là 26oC, mặt biển tĩnh lặng: 
Tính tốc độ gió trung bình ở độ cao 90m so với mặt biển?	 (1 đ)
Tính tỷ trọng không khí ở vị trí đặt turbin?	(1 đ)
Tính công suất gió trung bình của turbin?	(1 đ)
Tính hệ số khả năng CF? 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 DMFC dùng nhiên liệu methanol (CH3OH) phản ứng oxi hóa tạo ra CO2 và nước ở thể lỏng.
Tính HHV của phản ứng theo kJ/mol và kJ/kg CH3OH?	(1 đ)
Tính hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu loại này?	(1 đ)
-------------------------------------------------HẾT-------------------------------------------------
Chưa giải.
Đáp án:
Ket qua __________________
a) Tcell = 63.750000 [oC]
a) Voc_a = 19.000000 [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 = 19.418270 [V]
e) Isc_e = 4.904587 [A]
e) Pm_e = 66.591351 [W]
f) Io = 3.116796 e-8 [A]
f) I_f = 4.877154 [A]
f) P_f = 58.525848 [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/m2]
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/m2]
d) Pavg = 2141913.925562 [W]
e) E = 6.191845 [GWh]
delta_H = -726.6000
a) HHV = 726.600000 [kJ/mol] = 22706.250000 [kJ/kg]
Qmin = 24.2870
b) Eff_max = 0.966574 [%]
% 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+TCVoc*(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+TCVoc*(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
%CH3OH + 3/2*O2 -> CO2 + 2*H2O 
%-238.7 0 -393.5 2*(-285.8)
delta_H = -393.5 + 2*(-285.9) - (-238.7) %[kJ/mol CH3OH]
HHV_mol=-delta_H
%MW = 12.011 + 4*1.008 + 16.?
MW = 12 + 4*1 + 16
HHV_kg=HHV_mol/MW*1000 %[kJ/kg]
% Cau b
%CH3OH + 3/2*O2 -> CO2 + 2*H2O 
%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
%CH3OH + 3/2*O2 -> CO2 + 2*H2O 
%-166.4 0 -394.4 2*(-237.2)
delta_G=-166.4 -(-394.4+2*(-237.2)) %[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)