Exam text content

SMG-4500 Tuulivoima Teemu Rovio ja Jorma Lehtonen
Tentti 17. maaliskuuta 2009

Laskimen, laskutikun, puutarhatontun tms. käyttö sallittu
EI tietokoneita EIKÄ kirjallisuutta

Huom! Tehtävät 1-3 yhdelle konseptille, tehtävät 4 ja 5 toiselle.

 

1. Ovatko seuraavat väi
a) Föhn-tuuli on kylmää, koska nouseva ilma jäähtyy adiabaattisesti ja menettää kosteutta.
b) Suoravetoiset generaattorit ovat suositumpia merellä, koska ne ovat kevyempiä, mikä alentaa
perustuskustannuksia.
c) Vakiotehokertoimella toimivan, sakkaussäätöisen turbiinin momentti on verrannollinen
tuulennopeuden neliöön.

2. Tee lyhyesti selkoa alla olevista asioista.
a) Savonius-turbiini
b) Betzin laki
c) Kuppianemometri

3. Merituulivoimalan nimellistoimintapiste on (S MW,15 m/s). Kuinka kauas se näkyy? (Ilman tiheys
on 128 kg/m")

4. Miten tuulivoima voi:
a) hidastaa ilmastonmuutosta

b) voimistaa ilmastonmuutosta?

5. Kuvaile tuulivoiman vaikutuksia sähköverkon kannalta verkon eri jännitetasoilla?
SMG-4300 — Aurinkosähkö ja Tuulivoima

tentti 17.3.2008 Rovio & Korpela

 

Huomioitavia juttuja:

o

[v]

Kirjoittakaa jokaiseen konseptiin nimenne ja opiskelijanumeronne.

Palauttakaa tehtävät 1, 2 ja 3 yhdellä konseptilla, ja palauttakaa vastaavasti tehtävät 4,
5 ja 6 yhdellä konseptilla.

Tehtävät 1, 2 ja 3 koskevat aurinkosähköä ja tehtävät 4, 5 ja 6 tuulivoimaa.

Vastaa lyhyesti mutta perustellusti seuraaviin kysymyksiin. (2 p./kohta)

(a)

Mikä on tyhjennysalueen rakenne ja tehtävä piistä valmistetussa aurinkokennossa?

(b)
Mikä yhteys energia-aukon suuruudella ja sähkömagneettisen säteilyn aallonpituudella on
puolijohteesta valmistetun aurinkokennon toiminnan kannalta?

(c)
Mikä on oleellinen ero vapaiden varauksenkuljettajien syntymekanismissa perinteisten
puolijohdeaurinkokennojen ja väriaineaurinkokennojen välillä?

Miten ja miksi säteilytehotiheyden ja kennon lämpötilan muutokset vaikuttavat piisiä
valmistetun aurinkokennon oikosulkuvirtaan ja tyhjäkäyntijännitteeseen? (6 p.)

Ovatko seuraavat väittämät totta (T) vai epätotta (E)? Oikeasta vastauksesta palkitaan yhdellä

pluspisteellä, väi auksesta rang n-yhd

nen tuottaa nolla pistet

a) Aurinkovakio tarkoittaa auringon säteilytehotiheyttä (W/m) maan kiertoradalla.

b) Monikiteinen pii koostuu rakeista. Yhden rakeen sisällä on yhdenmukainen kiderakenne.

e) Piistä valmistetun aurinkokennon tyhjäkäyntijännite ei riipu lämpötilasta.

d) Aurinkosähköä käytetään paljon hajautetussa energiantuotannossa esimerkiksi Saksassa.
Suomessa aurinkosähkön hyödyntäminen kaatuu erityisesti säteilytehotiheysolosuhteisiin,
mikä tarkoittaa sitä, että Saksassa on aurinkoenergiaa paljon enemmän tarjolla kuin
Suomessa.

e) Ilmamassa tarkoittaa auringonsäteilyn ilmakehässä kulkeman matkan suhdetta ilmakehän

  

 
      

 

lä miinuspisteellä. Vastaama

 

 

paksuuteen. N
f) Aurinkokennon maksimiteho voidaan ilmoittaa tyhjäkäyntijännitteen. ja oikosulkuvirran
avulla, kun tiedetään aurinkokennon täytekerroin. v N
O /
NN (p

KÄÄNNÄ!
 

SMCG-4300 Aurinkosähkö ja tuulivoima - > SN
Tentti 17. maaliskuuta 2008

Vastaukset kysymyksiin 1-3 ja 4-6 eri konsepteille!
Teemu Rovio

4. Ovatko seuraavat väittämät oikein vai väärin? Perustele!

a) Tuulivoimalan elinkaarianalyysi paljastaa, ettei tuulivoimasta koidu lainkaan hiili-
dioksidipäästöjä ilmakehään.

b) Aerodynaaminen voima koostuu nosteesta, joka on tuulennopeudelle kohtisuora,
ja vastuksesta, joka on tuulennopeuden suuntainen.

c) Tuulivoimalan turbiinin momentti on verrannollinen turbiinin halkaisijan kolman-
teen potenssiin.

5.

a) Miksi tuuliturbiinia täytyy säätää?

b) Selitä lyhyesti, mitä merkitsee sakkaus. a

c) Miten tuuliturbiinin sakkaussäätö toimii? p s

6. Tuulivoimalan investointikustannukset ovat 3 miljoonaa euroa. Se on lainöitettu
viiden prosentin korolla 20 vuodeksi. Käyttökustannuskerroin on 2%. Tuulivoimala
tuottaa vuodessa 7227 MWh sähköenergiaa.

a) Mikä on sähkön tuottajahinta?

b) Montako prosenttia sähkön tuottajahinta laskee, jos sähköntuotanto kasvaa kym-
menen prosenttia?

c) Montako prosenttia (a-kohdan) sähkön tuottajahinta nousee, jos käyttökustan-
nukset nousevat kymmenen prosenttia?

d) Mikä täytyy tuuliturbiinin halkaisijan vähintään olla, jotta se pystyy tuottamaan
tuulennopeudella 12 m/s 3 MW tehoa?

Apu: Älä sotke prosenttia prosenttiyksikköön.

Ilman tiheys on 1.28 kg/m?.
SMG-4300 — Aurinkosähkö ja Tuulivoima

tentti 28.1.2008 Rovio & Korpela

 

Huomioitavia juttuja:

Kirjoittakaa jokaiseen kenseptiin nimenne ja opiskelijanumeronne.

Palauttakaa tehtävät 1, 2 ja 3 samalla konseptilla.

Palauttakaa tehtävät 4, 5 ja 6 samalia konsepti!lä, joka on kuitenkin eri konsepti kuin
se, jolla tehtävät 1, 2 ja 3 sijaitsevat.

Tehtävät 1, 2 ja 3 koskevat aurinkosähköä ja tehtävät 4, 5 ja 6 tuulivoimaa.

Selitä lyhyesti seuraavat aurinkosähköön liittyvät käsitteet. (1 p./kohta)
(a) aurinkovakio (b) ilmamassa (c) aurinkokennon täytekerroin
(d) fosforidiffuusio (e) CZ-menetelmä — (f) tyhjennysalue

Kurssimateriaalina käytettävän Jukka Kitusen diplomityön toisen luvun alussa on seuraava
teksti:

"Kaikkien puolijohdetekniikkaan perustuvien aurinkokennojen toiminnan taustalla on
valosähköinen ilmiö, joka on pohjimmiltaan valon fotonien ja aineen elektronien välistä
vuorovaikutusta. Erittäin yksinkertaistetusti selitettynä osa aurinkokennoon osuvien fotonien
energiasta siirtyy kennomateriaalin elektroneille ja kennon rakenteen ansiosta tämä energia
saadaan hyödynnettyä sähkövirtana ja jännitteenä."

(a)

Miten valon fotonien ja aineen elektronien välinen vuorovaikutus selitetään kiteisessä piissä
elektronin energiavyömallien avulla? Yritä lisäksi omin sanoin kertoa, mitä luonnonilmiötä
energiavvömalleilla tässä yhtevdessä mallinnetaan. Eli. mitä kiteisessä niissä oikeasti
tapahtuu, kun se altistetaan valolle? (2 p.)

 

(b)

Mikä on se "kennon rakenne", jota oheisessa lainauksessa tarkoitetaan, ja miten tämä rakenne
vaikuttaa elektroneihin kiteisestä piistä valmistetussa aurinkokennossa? Yritä siis selittää
mahdollisimman ymmärrettävästi, miksi j: mihin suuntaan elektronit liikkuvat valolle
altistetussa aurinkokennossa. (2 p.)

(c)

Piistä valmistetun aurinkokennon oikosulkuvirta ei riipu merkittävästi kennon lämpötilasta.
Lievä riippuvuus oikosulkuvirralla ja lämpötilalla kuitenkin on. Selitä, miten ja miksi
piiaurinkokennon oikosulkuvirta muuttuu, kun kennon lämpötila kasvaa. (2 p.)

(a)
Mitä aurinkokennon hyötysuhde tarkoittaa, ja mitkä tekijät siihen vaikuttavat? (3 p.)

(b)

Selitä pääpiirteittäin nykykäsitys väriaineaur-nkokennojen toimintaperiaatteesta. Selvitä myös
kennon rakennetta siinä määrin, mitä toimintaperiaatteen ymmärtäminen vaatii. Pyri
vastaamaan siten, että toimintaperiaate selviaä vastauksestasi asiaa tuntemattomalle. (3 p.)

KÄÄNNÄ!
SMG-4300 Aurinkosähkö ja tuulivoima
Tentti 28. tammikuuta 2008

Vastaukset kysymyksiin 1-3 ja 4-6 eri konsepteille!
Teemu Rovio

4. Ovatko seuraavat väittämät oikein vai väärin? Perustele!
a) Maa-merituuli puhaltaa päivällä mereltä maalle.

b) Suoravetoiset generaattorit ovat suositumpia merellä, koska ne ovat kevyempiä,
mikä alentaa perustuskustannuksia.

c) Vakiotehokertoimella toimivan, sakkaussäätöisen turbiinin momentti on verran-
nollinen tuulennopeuden neliöön.

5. — Tee lyhyesti selkoa alla olevista. asioista.

a) Savonius-roottori
b) Sakkaus
c) Kuumalanka-anturi

 

6.

a) Vuonna 2005 ”Meri-Pori 9” -tuulivoimalayksikkö tuotti 7035 MWh sähköenergiaa.
Kyseisen tuulivoimalan nimikilpiteho on 2 MW. Arvioi tämän voimalan tuottaman
tuulisähkön tuottajahintaa parhaasi mukaan.

b) Tuulen nopeus on 12 m/s. Turbiinin teho on 3 MW. Kuinka korkea tornin pitää
vähintään olla?

Ilman tiheys on 1.28 kg/m".
SMG-4300 — Aurinkosähkö ja Tuulivoima

tentti 1.2.2007 Rovio & Korpela

Huomioitavia juttuja:

Kirjoittakaa jokaiseen konseptiin nimenne ja opiskelijanumeronne.

Palauttakaa tehtävät 1, 2 ja 3 samalla konseptilla.

Palauttakaa tehtävät 4, 5 ja 6 samalla konseptilla, joka on kuitenkin eri konsepti kuin
se, jolla tehtävät 1, 2 ja 3 sijaitsevat.

Tehtävät 1, 2 ja 3 koskevat aurinkosähköä ja tehtävät 4, 5 ja 6 tuulivoimaa.

Selitä lyhyesti seuraavat käsitteet. (1 p/kohta)
(a) aurinkovakio (b) ilmamassa (c) aurinkokennon täytekerroin
(d) aurinkokennon hyötysuhde (e) CZ-menetelmä — (f) aurinkolammikko

Piistä valmistetun aurinkokennon toimintaperiaate. Pyri selittämään mahdollisimman yksityis-
kohtaisesti, miksi ja miten auringon säteilyenergia muuttuu aurinkokennossa sähköenergiaksi.

Tarkastellaan 36 piiaurinkokennon sarjaankytkennästä koostuvaa aurinkopaneelia, jonka virta
(D) — jännite (V) -käyrä noudattaa lauseketta

elf]

jossa I ja Vo ovat paneelin oikosulkuvirta ja tyhjäkäyntijännite. Kun paneelin kennojen
lämpötila on 47 *C ja säteilyteho on 1000 W/m", oikosulkuvirta ja tyhjäkäyntijännite ovat:

Ic = 8.0 A ja Vo =21.7 V.

Oheinen kuva esittää auringon säteilytehotiheyttä ajan funktiona. Kun tarkastellaan tilannetta
ajanhetkellä 3800 s, säteilytehotiheys on noin 1000 W/m?. Tällöin paneelin kennojen
lämpötila on 47 *C. Tämän jälkeen aurinko menee noin minuutiksi pilveen, mikä näkyy
säteilytehotiheyden hetkellisenä pienenemisenä oheisessa kuvassa. Laske paneelista saatava
maksimiteho ajanhetkellä 3850 s, kun oletetaan, että paneelin kennojen lämpötila on
kyseiseen ajanhetkeen mennessä laskenut arvoon 42 €. Voit olettaa, ettei paneelin tyhjä-
käyntijännite riipu säteilytehotiheydestä, eikä paneelin oikosulkuvirta riipu lämpötilasta.

1200

 

1000

 

800

 

[=

 

Wm?

400

 

 

200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oiit : - li
3700 3750 3800 3850 3900 3950 4000 Kao
aika (s) KÄÄNNÄ!
SMG-4300 Aurinkosähkö ja tuulivoima
Tentti 1. helmikuuta 2007

Vastaukset kysymyksiin 1-3 ja 4-6 eri konsepteille!

Teemu Rovio

4. Ovatko seuraavat väittämät oikein vai väärin? Perustele!

a) Pienessä tuulivoimalassa tuotettu sähkö on halvempaa, koska pieni voimala mak-
saa vähemmän.

 

b) Vakiotehokertoimella toimivan, sakkaussäätöisen turbiinin momentti on verran-

nollinen tuulennopeuden neliöön.

c) Pelkästä keskituulennopeudesta ei pysty päättelemään tuulivoimalan vuosituo-
tantoa.

5. Tee lyhyesti selkoa seuraavista käsitteistä:
a) kuumalanka-anturi

b) liukurengaskone

c) lapakulmasäätö

6.

a) Yhden megawatin voimalan lainanhoitokustannukset ovat 72 000 euroa vuodessa
ja käyttökustannukset 20 000 euroa vuodessa. Sähkön myyntihinta on 40 euroa me-
gawattitunnilta. Kuinka suuri voimalan kapasiteettikertoimen pitää vähintään olla,
jotta se tuottaisi voittoa?

b) Mikä täytyy tuuliturbiinin halkaisijan vähintään olla, jotta se pystyy tuottamaan
tuulennopeudella 10 m/s 300 W tehoa?

 

Ilman tiheys on 1.2 kg/m?.

Jov n Kakon