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

ĐỀ THI HỌC KỲ 2, NĂM HỌC 2013-2014.
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 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)
280 W
Điện áp ở Pmax (Vmpp)
31,2 V
Dòng điện ở Pmax (Impp)
9,07 A
Dòng điện ngắn mạch (Isc)
9,71 A
Điện áp hở mạch (Voc)
39,5 V
Hệ số nhiệt của Isc
0,04%/K
Hệ số nhiệt của Voc
- 0,30%/K
Hệ số nhiệt của Pmax
- 0,45%/K
NOCT
46 °C
Tấm pin trên được lắp đặt song song với mặt đất ở khu vực có số giờ nắng đỉnh trung bình là 4,5 giờ/ngày, nhiệt độ trung bình ngoài trời là 30oC. 
Lúc giữa trưa, độ rọi mặt trời là 1-sun (1kW/m2), nhiệt độ môi trường là 30oC:
Tính nhiệt độ, điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, công suất cực đại của tấm pin? 	(2 đ)
Tính điện năng (kWh) mà tấm pin có thể thu được trong một ngày, và một năm?	(1 đ)
Tấm pin trên đang được sử dụng trong một hệ hòa lưới của một gia đình, có hiệu suất chuyển đổi trung bình là 90%. Biết gia đình này tiêu thụ điện 10kWh/ngày.
Tính số lượng tấm pin và diện tích cần lắp đặt để cung cấp đủ cho nhu cầu sử dụng?	(1 đ)
Biết tất cả các tấm pin được ghép nối tiếp, tính công suất, điện áp và dòng điện lớn nhất cấp vào bộ chuyển đổi (inverter) hòa lưới ở STC?	(1 đ)
Trên mặt đất bằng phẳng ở cao độ 15m so với mặt biển Bình Thuận, khi khảo sát năng lượng gió ở độ cao 65m so với mặt đất, tốc độ gió trung bình là 6,7m/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 tốc độ gió trung bình ở độ cao lắp turbine gió?	 (1 đ)
Tính tỷ trọng không khí ở vị trí đặt turbine?	(1 đ)
Tính công suất đón gió trung bình của turbine?	(1 đ)
Tính hệ số khả năng CF? Tính điện năng turbine gió cấp lên lưới điện trong một năm?	(1 đ)
Ở điều kiện tiêu chuẩn (STP: 1 atm, 25°C), pin nhiên liệu DMFC dùng nhiên liệu methanol (CH3OH) phản ứng oxi hóa tạo ra CO2 và nước ở thể lỏng.
Tính HHV và hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu loại này?	(1 đ)
Biết pin nhiêu liệu tiêu thụ 1 kg methanol trong một giờ, tính công suất lý tưởng của pin?	(1 đ)
Giả sử hiệu suất thực của pin bằng 60% hiệu suất lý tưởng, tính lượng điện năng (kWh) được tạo ra từ 1 kg methanol?	(1 đ)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Người ra đề .
Trần Công Binh
Đáp án sơ bộ.
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]
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 = 1.150367 [kg/m3]
c) Pavg = 1.667459 [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) Wer1 = 3.658333 [kWh/kg]
% 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
n_c=Ett / E_1ngay_c
n_c1=ceil(n_c)
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('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
% Nhiet do 30oC
KT=0.95
% Do cao 15+85 = 100m
KA=(1+0.977)/2
ro=1.225*KT*KA
% Cach 2----------------------
% P=Po*exp(-1.185e-4*(H+H1))
% ro=P*MW*1e-3/R/T
% 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
We=abs(delta_G)
Eff_max2=We/H
disp('___________________ Cau b')
P_max=We*1000/MW*1/3600 %[kW]
disp('___________________ Cau c')
Wer = 0.6 * We %[kJ/mol]
Wer = Wer/3600*1000/MW %[kWh/kg]
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) Wer1 = %f [kWh/kg]', Wer); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) Wer2 = %f [kWh/kg]', Wer2); disp(TEXT)