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

ĐỀ THI HỌC KỲ 2, NĂM HỌC 2014-2015. Ngày thi: 14/7/2015. 
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. 
Câu 1. Cho 1 tấm pin mặt trời có 60 tế bào ghép nối tiếp, 1,7m2, có thông số ở điều kiện tiêu 
chuẩn (STC: 1 kW/m2, 25C, AM1,5) như sau: 
Công suất cực đại (Pmax) 250 W 
Điện áp ở Pmax (Vmpp) 30,5 V 
Dòng điện ở Pmax (Impp) 8,27 A 
Dòng điện ngắn mạch (Isc) 8,81 A 
Điện áp hở mạch (Voc) 37,6 V 
Hệ số nhiệt của Isc 0,051%/
o
C 
Hệ số nhiệt của Voc - 0,310%/
o
C 
Hệ số nhiệt của Pmax - 0,500%/
o
C 
NOCT 46 C 
Tấm pin trên được lắp đặt song song với mặt đất trên một hòn đảo có số giờ nắng đỉnh là 5 
giờ/ngày, nhiệt độ ngoài trời là 28oC. 
 Lúc độ rọi mặt trời là 1-sun (1kW/m2): 
a) Tính nhiệt độ, điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, công suất cực đại của tấm pin? (2 đ) 
b) Tính điện năng (kWh) mà tấm pin có thể phát trong một ngày? (1 đ) 
 Trên hòn đảo này, vào thời điểm giữa trưa, độ rọi mặt trời là 0,95-sun, tổng công suất điện năng 
cung cấp cho hòn đảo là 2MW. Thiết kế hệ điện mặt trời hòa lưới có MPPT để cung cấp 50% 
công suất điện năng cho hòn đảo. Giả sử công suất của tấm pin tỷ lệ tuyến tính với cường độ 
nắng, hiệu suất chuyển đổi của hệ điện mặt trời hòa lưới là 92%. 
c) Tính số lượng tấm pin và diện tích cần lắp đặt? (1 đ) 
d) Với số lượng tấm pin như ở câu c, tính sản lượng điện mặt trời cấp cho lưới mỗi ngày? (1 đ) 
Câu 2. Trên mặt đất bằng phẳng ở cao độ 40m so với mặt biển Phú Quý, khi khảo sát năng 
lượng gió ở độ cao 65m so với mặt đất, tốc độ gió trung bình là 9,5m/s, phân bố theo hàm 
Reyleigh. Tại vị trí này lắp đặt một turbine gió có đường kính cánh quạt 75m, ở độ cao 60m so 
với mặt đất, máy phát điện 2MW. Khi nhiệt độ môi trường là 28oC: 
a) Tính tốc độ gió trung bình và tỷ trọng không khí ở độ cao lắp turbine gió? (1 đ) 
b) Tính công suất đón gió trung bình của turbine? (1 đ) 
c) Tính hệ số khả năng CF? Tính điện năng turbine gió cấp lên lưới điện trong một năm? (1 đ) 
d) Giả sử hiệu suất biến đổi gió – điện ở định mức của turbine là 30%. Tính tốc độ gió khi máy 
phát điện đạt công suất định mức? (1 đ) 
Câu 3. Ở điều kiện tiêu chuẩn (STP: 1 atm, 25C), pin nhiên liệu PEMFC dùng nhiên liệu hydro 
(H2) hóa lỏng phản ứng với oxi tạo ra nước ở thể lỏng. Giả sử khí hydro được chuyển đổi giải 
phóng electron hoàn toàn. 
a) Tính HHV cho mỗi kg hydro và hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu loại này? Tính điện 
năng (kWh) được tạo ra từ 1 kg hydro hóa lỏng? (1 đ) 
 Khi một bộ gồm 24 tế bào pin nhiêu liệu ghép nối tiếp, tiêu thụ 1 kg hydro trong một giờ: 
b) Tính dòng điện, công suất lý tưởng, điện áp lý thuyết và diện tích màng lọc của mỗi tế bào? 
Biết mật độ dòng điện là 0,4A/cm2. (1 đ) 
c) Giả sử hiệu suất thực của pin bằng 55% hiệu suất lý tưởng: tính điện áp thực của bộ pin 
nhiên liệu, so sánh với điện áp lý thuyết? (1 đ) 
---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- 
 Chủ nghiệm . 
 Bộ môn Thiết Bị Điện Người ra đề 
 Trần Công Binh 
 Đáp án SƠ BỘ: 
Câu 1. 
Ket qua _______________________ 
a) Tcell_a = 60.500000 [oC] 
a) Voc_a = 33.462120 [V] 
a) Isc_a = 8.969505 [A] 
a) Pm_a = 205.625000 [W] 
b) Eb_1ngay = 1.028125 [kWh/ngay] 
c) n_c = 5509.898015 [pin] 
==> chon 5510.000000 [tam pin] 
d) Ed_system = 5.263255 [MWh/ngay]
Câu 2. 
Ket qua ______________________ 
Kieu My: alfa=0.1: 
Smooth hard ground, calm water__________ 
a) Vavg_60 = 9.424263 [m/s] 
a) ro = 1.160054 [kg/m3] 
b) Pavg = 4.096418 [MW] 
c) CF = 0.464355 
c) E_annual = 8.135505 [GWh] 
d) V_d = 13.753588 [m/s]
Câu 3. 
Ket qua ___________________ 
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] 
b) I = 1116.579167 [A] 
b) Pmax = 1372.685185 [W] 
b) Vr = 1.229367 [V] 
b) Scell = 2791.447917 [cm2] 
c) Pc = 754.976852 [W] 
c) Vc_cell = 16.227640 [V] 
 < 29.504800 [V] = Vr_cell 
Câu 1. 
% Lop NLTT 2015_KCQ, thi HK2 
% Cau 1 
% Matlab tinh goc theo rad! 
clc 
clear all 
do_rad=pi/180 
rad_do=180/pi 
Tamb= 28 % nhiet do moi truong, oC 
Sab = 1 % sun 
% PV panel 
ncell=60 % cells 
A=1.7 % m2 
Pm=250 % W 
Vm=30.5 % V 
Im=8.27 % A 
Voc=37.6 % V 
Isc=8.81 % A 
NOCT=46 % oC 
TCIsc= 0.051 % % 
TCVoc=-0.310 % % 
TCPm =-0.500 % % 
hd = 5 % 5 gio nang dinh /ngay 
Scd = 0.95 % Cuong do nang 0.95sun=950W/m2 
Pgrid=2e6 % 2MW 
Psolar=0.5*Pgrid 
HS = 0.92 % Hieu suat chuyen doi 
disp('Cau a_________________') 
Tcell=Tamb+(NOCT-20)/0.8*Sab 
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*hd 
disp('Cau c_________________') 
disp('Bo qua thay doi nhiet do tren tam pin khi 
Scd=0.95*Sab!') 
Pc_1panel=Pm_a*Scd*HS % COng suat dinh giua trua 
disp('KHONG bo qua thay doi nhiet do tren tam pin khi 
Scd=0.95*Sab!') 
Tcell_c=Tamb+(NOCT-20)/0.8*Scd 
Pm_c=Pm*(1+TCPm/100*(Tcell_c-25)) 
Pc_1panel=Pm_c*Scd*HS % COng suat dinh giua trua 
n_c=Psolar / Pc_1panel 
n_c1=ceil(n_c) 
disp('Cau d_________________') 
%Ed_1panel=Pm_a*hd 
Ed_1panel=Pm_c*hd 
Ed_1panel=Ed_1panel*HS 
Ed_system= Ed_1panel* n_c1 
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) n_c = %f [pin]==> chon %f [tam pin]', 
n_c, n_c1); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('d) Ed_system = %f [MWh/ngay]', 
Ed_system/1e6); disp(TEXT) 
 Câu 2. 
% Lop NLTT 2015-KCQ, thi HK2 
% Cau 2_NL Gio 
% Matlab tinh goc theo rad! 
clc 
clear all 
H=40 % Cao do so vôi muc nuco bien 
H0=65 % Do cao khao sat so voi mat dat 
Vavg_65=9.5 % [m/s] 
H1=60 % Do cao lap dat tinh tu mat dat 
D=75 % Duong kinh 
Pr=2e6 % 2MW 
Tabm=28 % [oC] 
R=8.2056e-5 % [m3.atm/(K.mol)] 
T=273+Tabm % [oK] 
MW=28.97 % air=28.97g/mol 
Po=1 % atm 
Eff_d=0.3 % Hieu suat Co->dien 
disp('Kieu My _____________________') 
% Cau a 
alfa1=0.1 % Mat dat bang phang 
Vavg_60 = Vavg_65*(H1/H0)^alfa1 
% 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_60^3 
% Cau c 
CF=0.087*Vavg_60-(Pr/1000)/(D^2) 
E_annual=Pr*CF*8760 
% Cau d: %Pw=Pr/Eff_d=1/2*ro*A*V_d^3 
Pw_d=Pr/Eff_d 
V_d=(Pw_d*2/(ro*A))^(1/3) 
disp('Ket qua ______________________') 
disp('Kieu My: alfa=0.1: Smooth hard ground, calm 
water__________') 
TEXT = sprintf('a) Vavg_60 = %f [m/s]', Vavg_60); 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) V_d = %f [m/s]', V_d); disp(TEXT) 
Câu 3. 
% Lop NLTT 2015-KCQ, thi HK2 
% Cau 3_Fuel cell 
% Matlab tinh goc theo rad! 
clc 
clear all 
T=25+273.15 %[oK] 
% 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] 
% Cau b 
n=1000/24/MW % so mol H2 trong mot gio cho moi te bao 
I=n/3600*6.022e23*2*1.602e-19 
P_max=1000*abs(delta_G)*n/3600 
Vr=P_max/I 
J=0.4 % A/cm2 
Scell=I/J % cm2 
% Cau c 
P_c=0.55 * P_max 
V_c=P_c/I 
V_c_cell=V_c*24 
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('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('b) Scell = %f [cm2]', Scell); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) Pc = %f [W]', P_c); disp(TEXT) 
TEXT = sprintf('c) Vc_cell = %f [V] < %f [V] = Vr_cell', 
V_c_cell, Vr*24); disp(TEXT)