Exam text content

SMG-4050 — Energian varastointi ja uudet energialähteet

 

 

Tentti 8.10.2008 Risto Mikkonen '
1
 E-
4 a
Laskimen käyttö sallittu. Na, «a
OSA I
Jä Patenttivirastoon lähetettiin kone rekisteröintiä varten. Keksijän mukaan kone ottaa 100 J:n

lämpömäärän jokaisella työkierroksella säiliöstä, jonka lämpötila on +127 *C, suorittaa 60
J:n työn ja luovuttaa lopuksi lämpötilassa —73 %C 40 J:n lämpömäärän. Hyväksyttäisiinkö

tämä patenttihakemus? (Perustelut!)

2 Suprajohtavan sähkömagneettisen energiavaraston hyötysuhde on 92 %. Käämin induktanssi
on 1 H ja käämiin syötetään 2 kA:n virta. Vastaava energia tulisi varastoida vauhtipyörään,
jonka hyötysuhde on 75 %. Mikä on pyörän pyörimisnopeus, jos vauhtipyörän

hitausmomentti on 50 kgm”.

3 Paineilmavarastoinnin yhteydessä ilmaa voidaan pitää ideaalikaasuna, jolloin pätee ideaali-
kaasun perusyhtälö

pV =nRT

missä n edustaa ilman määrää mooleina ja R on yleinen kaasuvakio (p on paine, V tilavuus

ja T lämpötila). Varastoinnin aikana kaasun tilamuutos on adiabaattinen, jolloin edelleen
pV" =vakio

Ilmalle adiabaattivakio y = 1.4. Mihin lämpötilaan ilma varastoinnin yhteydessä lämpenee,
mikäli varaston paine nousee 70 kertaiseksi? Mitä tämä käytännössä tarkoittaa? Ilman läm-

pötila on alkujaan 300 K.
OSA HI Valitse oikea vaihtoehto seuraaviin väittämiin:

 

Mikä seuraavista ei ole kasvihuonekaasu

a) otsoni
b) metaani
o) hiilimonoksidi

d) vesihöyry

Kryogeniikka tarkoittaa
a) matalan lämpötilojen fysiikkaa
b) vedyn yhtä valmistusmenetelmää

(o) aurinkokennotyyppiä
d) ämpötilagradientin hyödyntämistä

Entropiaerotus on termodynaamisesta näkökulmasta seuraavien suureiden suhde

a) ämpötilaero ja paine

b) ämpömäärä ja paine

c) ämpötilaero ja tilavuus
d) ämpömäärä ja lämpötila

Tutkituin fuusioreaktio perustuu

a) deuteriumiin ja tritiumiin
b) plutoniumiin ja kadmiumiin
c) uraaniin ja telluuriin

d) eliumiin ja indiumiin

Stellaattori liittyy fuusioteknologiaan. Se on

 

a) plasman kuumentamiseen tarkoitettu järjestelmä
b) plasman hallitsemiseen tarkoitettu magneetti

o) uusiopolttoaineen syöttöjärjestelmä

d) plasmakammion ensiseinämä

Mikä seuraavista ei liity termodynaamisiin aurinko-sähkö -järjestelmiin
a) parabolinen kouru

b) parabolinen malja

o) hydridikenno

d) heliostaattijärjestelmä

Pystyakselisen tuuliturbiinin yksi pääetu on

a) hyötysuhteen paraneminen
b) laakeroinnin yksinkertaisuus
c) huoltoa vaativat komponentit voidaan sijoittaa maan pinnalle

d) napakorkeus voi olla yli 50 metriä

Tuulivoimasta hyödynnetyn maksimaalisen tehon yläraja, ns. Betzin luku on noin

a) 35%
b) = 50%
0) 60%

d) 80 %
10.

11.

19

13.

14.

15.

16

Ns. OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) laitos perustuu

a) makean ja suolaisen veden osmoottiseen paine-eroon

b) merivedestä valmistettuun vetyyn

o) meriveden eri syvyyksillä vallitsevaan lämpötilaeroon

4) aaltojen kineettisen ja potentiaalienergian hyödyntämiseen

 
  

Vuorovesienergian tehokkaassa hyödyntämisessä veden amplitudi on ainakin/"
a) 1m K

b) 3m = vi

0) 5m / N
d) 8m

Geotermisen energian yksi luokitus on ns. kuuma, kuiva kallio, mikä tarkoittaa

a) sulan magman hyödyntämistä

b) epätavallisen korkeaa lämpötilagradienttia

o) luonnonpaineistettuja lämpövarastoja

d) läpäisemätöntä kalliota

Vedyn nesteytyksen Carnot”n hyötysuhde on noin

a) 15%

b) 7%

9) 20%

d) 35%

Mikä seuraavista vetyyn liittyvistä väittämistä ei pidä paikkaansa
a) palamistuote on vettä

b) vedyn valmistus vaatii paljon energiaa

c) polttoarvo painoyksikköä kohti on alhainen

d) syttymispitoisuus ilmassa on 4-75 %

Carnot'n koneen, jonka alemman säiliön lämpötila on 7 *C, hyötysuhde on 40 %. Hyötysuh-
de halutaan nostaa 50 %:iin. Ylemmän säiliön lämpötilaa on tällöin nostettava

a) 73 astetta

b) 83 astetta

e) 93 astetta

d) 103 astetta

Paineilmavaraston haittapuolena pumppuvoimalaitokseen nähden on
a) pieni energiatiheys

b) erillisen polttokammion tarve varastoa purettaessa

c) pitkä aktivointiaika

d) suuri koko

Komposiittirakenteiseen vauhtipyörään nähden normaalin lyijyakun tiheys on
a) likimain yhtäsuuri

b) noin 80 %

6) noin 50 %

d) noin 10 %
17.

18

19:

20.

Polttokennojärjestelmä eroaa keskeisesti akustosta, koska
a) kennojännite on poikkeuksellisen korkea

b) reaktioaineet tuodaan kennostoon jatkuvatoimisesti ulkoa

0) reaktioaineiden kemiallista energiaa ei muunneta suoraan matalajännitteiseksi tasa-
virraksi

d) kennoja ei voida kytkeä sarjaan

a) paine
b) resistiivisyys
c) virrantiheys

 

d) sähkökentän voimakkuus

Ns. korkean lämpötilan suprajohteiden optimaalinen lämpötila Cnergiasovellutuksissa on
tänä päivänä i NA

 

a) — 5-10K
b) — 20-30K
0) = 50-60K
d) = 70-80K

Mikä seuraavista väittämistä ei ole oikein puhuttaessa sähkömagneettisesta energian varas-
toinnista

a) käämi on hyvin nopeasti ladattavissa vaihtosähköllä
b) pääsovelluskohde on sähkön laadun parantaminen
c) suurissa järjestelmissä magneettikentän leviäminen ympäristöön on huomioitava

d) varasto voidaan tarvittaessa purkaa hyvin nopeasti
SMG-4050 — Energian varatointi ja uudet energialähteet

Tentti 20.10.2009 Risto Mikkonen

 

Laskimen käytttö sallittu.

OSAT

L

Osoita, että ns. OTEC-järjestelmässä sähköenergian tuottamisen hyötysuhde on muutamia

prosenttiyksiköitä.

2N Tuulivoimaloita myyvä yritys markkinoi voimalaa, joka koostuu kaksilapaisesta, halkaisijal-
taan 20 metriä omaavasta turbiinista. Yritys toteaa voimalan tehoksi 600 kW tuulen nopeu-
della 15 m/s. Ilman tiheys on 1.18 kg/m”. Miten kommentoit yrityksen markkinointia?

3. Suprajohtavan energiavaraston hyötysuhde on 92 %. Käämin induktanssi on 1 H ja käämiin
syötetään 2 kA:n virta. Vastaava energia tulisi varastoida vauhtipyörään, jonka hyötysuhde
on 75 %. Mikä on pyörän pyörimisnopeus, jos vauhtipyörän hitausmomentti on 50 kgm?.

OSA II

1. Tee selkoa polttokennon rakenteesta, toimintaperiaatteesta sekä eri polttokennotyypeistä.
Miksi polttokennon hyötysuhdetta ei voida arvioida Carnot?n hyötysuhteen kautta?

2. Selitä, miksi Peltier-ilmiön hyödyntämisessä tapahtuu aina sekä jäähtymistä että lämpene-
mistä

35 Tee selkoa magneettiseen ja inertiakoossapitoon perustuvista fuusioreaktoreista. Selitä edel-

leen plasman kuumentamiseen kehitetyistä tekniikoista.
OSA III Valitse oikea vaihtoehto seuraaviin väittämiin

1. Seuraavat neljä kasvihuonekaasua voidaan suhteellisen haittavaikutuksen mukaisesti asettaa
järjestykseen (haitallisin ensin)
A) — CO), CH4, NO, CFC
B) CFC,CH4CO2 NO
C) N,0,CFC,CH4, CO,
D) CFC,N;O,CH4, CO?

2. Mikä on suuruusluokka sille säteilytehotiheydelle, joka tulee auringosta maan kiertoradalle
(aurinkovakio)?
A) — 1 W/m?
B) 1kW/m?
C) 1MW/m
D) 1GW/m?
3. Aurinkokennot sisältävät pn-liitoksen, koska

A) Auringonsäteily ei synnytä puolijohteeseen vapaita varauksia, jos pn-liitos puuttuu.

B) pn-liitoksen sähkökenttä aiheuttaa auringonsäteilyn synnyttämiä varauksia erottele-
van voiman.

(e) pn-liitos laskee aurinkokennon valmistuskustannuksia.

D) pn-liitos tarvitaan, jotta aurinkokennosta saadaan mekaanisesti riittävän vahva.

4. Fuusioreaktioissa käytetty ns. O-luku ilmaisee
A) — kuumennetun plasman lämpötilaluokan
B) reaktiossa syntyneiden neutronien lukumäärän
C) reaktiossa syntyneen fuusiotehon ja plasman kuumentamiseen vaaditun tehon suh-
suhteen

D) fuusipolttoaineena käytetyn deuteriumin ja tritiumin suhteen

5. Fuusiojärjestelmiin suunniteltu ns. stellaattori tarkoittaa
A) reaktorikammion pinnoitejärjestelmää
B) fuusiopolttoaineen syöttöjärjestelmää

(6)) käämikonfiguraatiota, jonka avulla plasmaan ei tarvitse syöttää sähkövirtaa
 

10.

i

D) plasman kuumentamiseen tarvittavaa neutronisuihkujärjestelmää

Pystyakselisen tuulivoimalan etu vaaka-akseliseen voimalaan nähden on
A) voimalan napakorkeus on suurempi

B) generaattori voidaan sijoittaa maan pinnalle

0) hyötysuhde saadaan hieman korkeammaksi

D) yksittäisen voimalan teholuokkaa on mahdollista kasvattaa

Sähköauton kokonaishyötysuhde on polttomoottoriautoon verrattuna noin
A) sama

B) kaksinkertainen

C) nelinkertainen

D) viisinkertainen

Geotermisella energialla tuotetun sähköenergian hyötysuhde on lähinnä
A) amorfisen aurinkokennon hyötysuhdetta

B) tuulivoimalla tuotetun sähkön hyötysuhdetta

C) hiilivoimalan hyötysuhdetta

D) polttokennon hyötysuhdetta

Hajautetussa energiantuotanossa voimalan yksikkökoko on tyypillisesti alle
A) — 0.1MW

B) 1MW
O) 10 MW
D) 100 MW

Paineilmavaraston haittapuolena pumppuvoimalaitokseen nähden on
A) pieni energiatiheys

B) erillisen polttokammion tarve varastoa purettaessa

(0)) pitkä aktivointiaika

D) suuri koko

Mikä seuraavista ei pidä paikkaansa vauhtipyöristä puhuttaessa?

A) pyörimisnopeus voi olla jopa 50 000 rpm
12.

13

14.

15.

B) hyötysuhde on mahdollista nostaa jopa 90 %:iin
(e)) normaaliin lyijyakkuun nähden energiatiheys voi olla jopa viisinkertainen

D) yksikkökoko varastoidun energian osalta voi olla jopa 1 MWh

Matalan lämpötilan polttokennoissa kennon aktivointihäviöiden pienentämiseksi

A) vedyn ja hapen konsentraatioita tulee kasvattaa

B) yksittäisten kennojen väliin konstruoidaan hyvin sähköä johtavia virtauslevyjä
0) kennon elektrodeilla käytetään katalyytteja

D) — kennoja tulee enemmän kosteuttaa

Suprajohtavuuden kolme kriittistä suuretta ovat lämpötila, magneettivuon tiheys ja
A) paine

B) resistiivisyys

C) sähkökentän voimakkuus

D) virrantiheys

Mikä seuraavista suprajohtavuuden sovellutuksista ei pidä paikkaansa?

A) SMES järjestelmän tämän päivän sovelluskohde liittyy sähkön laadun parantamiseen

B) Sähkökoneissa suprajohtavuuden pääetu liityy laitteen koon ja painon pienentämi-
seen

C) Suprajohtavan virranrajoittimen toiminta perustuu ns. Meissner-ilmiöön.

D) Tehonsiirtokaapeleissa voidaan hyödyntää korkean lämpötilan suprajohteita vielä

nestetypen lämpötilassa.

Lämpösähkömateriaalien laatulukua voidaan kasvattaa
A) Pienentämällä materiaalin sähkönjohtavuutta
B) Pienentämällä materiaalin lämmönjohtavuutta
C) Pienentämällä Seebeckin kerrointa

D) — Pienentämällä kuuman ja kylmän pään välistä absoluuttista keskiarvolämpötilaa
SMG-4050 — Energian varatointi ja uudet energialähteet
Tentti 11.10.2007

 

 

OSAI

1. TTY:llä rakennetaan 10 m?:n monikerrosaurinkokenno hintaan 8200 €. Kennojen hyötysuh-
de on 40 %. Kehitteillä on edelleen pinta-alan A omaava orgaaninen aurinkokenno hintaan
2500 €, jossa hyötysuhde on 0.02 %. Kuinka suuri viimeksi mainitun kennon pinta-ala on,
jos molemmissa tapauksissa aurinkosähkön wattihinta on yhtä suuri edellyttäen, että aurin-

gon säteilyintensiteetti on molemmissa tapauksissa sama?

2. Tuulimittaukset tehdään usein 10 metrin korkeudella. Tuulen nopeutta ekstrapoloidaan usein
yhteydellä h/, missä % on korkeus maan pinnasta. Kuinka paljon pienempi voi roottorin

pyyhkäisypinta-ala olla 50 metrin korkeudella, mikäli saatu teho pysyy samana?

3. Suprajohtavan energiavaraston hyötysuhde on 92 %. Käämin induktanssi on 1 H ja käämiin
syötetään 2 kA:n virta. Vastaava energia tulisi varastoida vauhtipyörään, jonka hyötysuhde
on 75 %. Mikä on pyörän pyörimisnopeus, jos vauhtipyörän hitausmomentti on 50 kgm?.

OSA II Valitse oikea vaihtoehto seuraaviin väittämiin

1. Seuraavat neljä kasvihuonekaasua voidaan suhteellisen haittavaikutuksen mukaisesti asettaa
järjestykseen (haitallisin ensin)
A) = CO, CH, NO, CFC
B) CFC,CH4 CO, N;O
C) N,0,CFC,CH4, CO,
D) CFC,N,0,CH4 CO,

D Suomessa eri teollisuuden aloista suurimmat sähkön kuluttajat ovat metsäteollisuus, metalli-
teollisuus sekä
A) elintarviketeollisuus
B) kemian teollisuus
C) — rakentaminen

D) — tekstiiliteollisuus
Mikä seuraavista ei pidä paikkaansa puhuttaessa fossiilisista polttaayeisä WP

4)

B)
o)
D)

7

 

 
 

Kivihiilivarannot ovat maapallolla jakautuneet tasaisemmiä öljyyn ja maakaäsuun
verrattuna. ”

Maakaasua voidaan siirtää nesteytetyssä muodossa.

Rikkidioksidipäästöt ovat merkittävä hiilen käyttöä rajoittava tekijä.
Epäkonventionaaliset öljyvarannot (raskas öljy, öljyhiekka) on arvioitu suurimmiksi

taloudellisiin öljyvarantoihin nähden.

Termodynamiikan pääsäännön mukaisesti maailmankaikkeuden entropia pyrkii

A)
B)
0)
D)

maksimoitumaan
minimoitumaan
pysymään vakiona

vaihtumaan säännöllisesti kahden ääriarvon välillä

Mikä on suuruusluokka sille säteilytehotiheydelle, joka tulee auringosta maan kiertoradalle

(aurinkovakio)?
A) — 1W/m?
B) —1kW/m?
C) 1MW/m?
D) 1GW/m?

Aurinkokennot sisältävät pn-liitoksen, koska

A)
B)

0)
D)

Auringonsäteily ei synnytä puolijohteeseen vapaita varauksia, jos pn-liitos puuttuu.
pn-liitoksen sähkökenttä aiheuttaa auringonsäteilyn synnyttämiä varauksia erottele-
van voiman.

pn-liitos laskee aurinkokennon valmistuskustannuksia.

pn-liitos tarvitaan, jotta aurinkokennosta saadaan mekaanisesti riittävän vahva.

Fuusioreaktioissa käytetty ns. O-luku ilmaisee

A)
B)
0)

kuumennetun plasman lämpötilaluokan
reaktiossa syntyneiden neutronien lukumäärän
reaktiossa syntyneen fuusiotehon ja plasman kuumentamiseen vaaditun tehon suh-

suhteen