Exam text content

DEE-53000 — Energian varastointi ja uudet energialähteet

Tentti 18.10.2013 Risto Mikkonen

 

Oman ohjelmoitavan laskimen käyttö sallittu.

OSA! Valitse oikea vaihtoehto seuraavista kysymyksistä.

1 Maailman ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on lähestymässä arvoa, joka on

a) 300 ppm

b) 350 ppm
o) 400 ppm
d) 450 ppm
25 Mikä seuraavista ei pidä paikkaansa puhuttaessa fossiilisista polttoaineista
a) Öljyn osuus Suomen sähkön hankinnasta on alle 1 %.
b) Kivihiilellä tuotetun sähköenergian hyötysuhde on noin 37 %.
c) Iso-Britannia on yksi Euroopan neljästä suurimmasta maakaasun tuottajasta.

G) Suomella on mittava maakaasun varastointikapasiteetti.

E Suomessa eri teollisuuden aloista suurimmat sähkön kuluttajat ovat metsäteollisuus,
metalliteollisuus ja

a) elintarviketeollisuus
(6) kemian teollisuus
c) tekstiiliteollisuus
d) sähkötekninen teollisuus
4. Carnot'n koneen, jonka alemman säiliön lämpötila on 7 *C, hyötysuhde on 40 %. Hyöty-

suhde halutaan nostaa 50 %:iin. Ylemmän säiliön lämpötilaa on tällöin nostettava

a) 73 astetta
b) 83 astetta
() 93 astetta
d) 103 astetta

5. Suomessa koko vuoden käynnissä olevan tuulivoimalan keskimääräinen kapasiteettiker-
roin on noin

a) 15%
b) 21%
c) 33%
10.

d) 45%

Mikä seuraavista toteamuksista ei pidä paikkaansa, jos tuulivoimalassa käytetään kesto-
magneettigeneraattoria?

a) Resistiiviset häviöt ovat alhaiset.
b)- Vaihteistoa ei välttämättä tarvita.
G] Tasasuuntaajaa tai verkkovaihtosuuntaajaa ei välttämättä tarvita.
d) Kestomagneettimateriaalina käytetään useimmiten korkean tehotiheyden omaavia
neodyymirautaboori- eli ns. neomagneetteja.

Mitä fuusiotutkimuksessa käytetty ns. O-luku ilmaisee?

a) plasmakammiossa tarvittavan fuusiopolttoaineen määrää

b) fuusiopalon kestoaikaa
(0) tuotetun fuusiotehon ja tarvittavan ulkoisen kuumennuksen suhdetta
d) inertiakoossapitoon perustuvan fuusioreaktorin teholähdeluokkaa

Suurin osa fuusioreaktoriin käytetyistä materiaaleista voidaan jälleenkäsitellä ja kierrät-
tää noin

a) 10 vuoden kuluttua.

€) 100 vuoden kuluttua.

c) 1000 vuoden kuluttua.
d) 10000 vuoden kuluttua.

Mikä seuraavista ei pidä paikkaansa puhuttaessa väriaineaurinkokennoista?

a) hyötysuhde 1-2 %

b) ei pn-liitosta

(5 ideaalisessa tilanteessa puolijohteen valenssivyöllä ei ole aukkoja
d) yhtenä vahvuutena halpa hinta

Mikä seuraavista toteamuksista ei pidä paikkaansa puhuttaessa aurinkoenergian
hyödynnettävyydestä?

a) Auringonsäteily synnyttää puolijohteeseen vapaita varauksenkuljettajia, vaikka pn-
liitos puuttuu.

b) Amorfisen piikennon hyötysuhde on kiteistä piikennoa alhaisempi.

c) Väriaineaurinkokenno ei tarvitse pn-liitosta

A Lasi läpäisee pitkäaaltoista IR-säteilyä, jota auringosta tuleva lämpö pääosin edustaa.
 

11.

12.

13.

14.

155

16.

Millä seuraavista polttokennotyypeistä on korkein toimintalämpötila?
a) Alkaalikenno

b) Fosforihappokenno

c) Sulakarbonaattikenno

n Kiinteäoksidikenno

Mikä seuraavista toteamuksista ei pidä paikkaansa vauhtipyöristä puhuttaessa?

a) Pyörimisnopeus voi olla jopa 50 000 rpm.
b) Hyötysuhde on mahdollista nostaa jopa 90 %:n tasolle.
c) Varasto voidaan purkaa aivan tyhjäksi.

a) Elinikä samaa luokkaa kuin akuilla.

Mikä on ns. metallihydridi?

a) Vauhtipyörän laakeroinnin toteuttaminen korkean lämpötilan suprajohteilla.
b) Pitkän toiminta-ajan omaava akkutyyppi.

ON Vedyn varastointiteknologia.

d) Paineilman varastointisäiliö.

Matalan lämpötilan polttokennoissa kennon aktivointihäviöiden pienentämiseksi

N Kennon elektrodeilla käytetään katalyytteja.

b) Vedyn ja hapen konsentraatiota tulee kasvattaa.

c) Yksittäisten kennojen väliin konstruoidaan hyvin sähköä johtavia virtauslevyjä.
d) Kennoja tulee enemmän kosteuttaa.

Miksi lämpösähköelementtien uskotaan kehittyvän merkittävästi nanotekniikan avulla?

a) Nanomittakaavan rakenteet mahdollistavat sähkönjohtavuuden kasvattamisen siten,
että aineen lämmönjohtavuus pysyy ennallaan.
Nanomittakaavan rakenteet mahdollistavat lämmönjohtavuuden pienentämisen si-
ten, että aineen sähkönjohtavuus pysyy ennallaan.

c) Nanomittakaavan rakenteet mahdollistavat lämmönjohtavuuden kasvattamisen si-
ten, että aineen sähkönjohtavuus pysyy ennallaan.

d) Nanomittakaavan rakenteilla aineen sähkön- ja lämmönjohtavuutta pystytään kas-
vattamaan samanaikaisesti.

Lämpösähkömateriaalin laatulukua voidaan kasvattaa
 

17.

18.

19.

20.

a) pienentämällä materiaalin sähkönjohtavuutta

GN pienentämällä materiaalin lämmönjohtavuutta

c) pienentämällä Seebeckin kerrointa

d) pienentämällä kuuman ja kylmän pään välistä absoluuttista keskiarvolämpötilaa

Mitä seuraavista ei pelkästään voida suoraan patentoida?

a) Menetelmä

b) Laite
Tietokoneohjelma

d) Tuote

Suprajohtavuuden ns. Meissner-ilmiö tarkoittaa

a) Resistiivisyyden arvon pienentymistä nollaan.

b) Cooperin elektroniparien muodostumista.

c) Suprajohtavan tilan muuttumista normaalitilaan.

(A) Ulkoinen magneettikenttä ei pääse vapaasti tunkeutumaan suprajohtavaan materi-
aaliin.

Suprajohtavuuden kolme kriittistä parametria ovat lämpötila, magneettivuon tiheys ja
Gh — virrantiheys

b) paine
o) resistiivisyys
d) sähkökentän voimakkuus

Mikä seuraavista ei ole oikein puhuttaessa ns. SMES-järjestelmästä (Superconducting
Magnetic Energy Storage)?

GD Energiatiheys on kertaluokan suurempi kuin lyijyakulla.
b) Varasto voidaan tarvittaessa purkaa hyvin nopeasti.
c) Lataus-purkaus -hyötysuhde saadaan yli 90 %:n tasolle.
d) Pääsovelluskohde tänä päivänä on sähkön laadun parantaminen.

 
OSA II

1. Tarkastellaan kolmea tuulivoimalaa. Voimala 1 pyörii koko vuoden keskimääräisellä tuu-
len nopeudella vav. Voimala 2 pyörii puolet ajasta kaksinkertaisella (2 x vay) tuulen no-
peudella, puolet ko. voimala ei pyöri lainkaan. Voimala 3 pyörii kolmasosan ajasta kol-
minkertaisella nopeudella, muulloin ko. voimala ei pyöri lainkaan. Määritä voimaloiden
vuotuisten energioiden suhde Wo:W4 ja W3:W1.

2. Kn hyötysuhde on 75 %, pyörimisnopeus 18 000 rpm sekä hitausmomentti 50
kgm?. Vastaava energia tulisi varastoida suprajohtavaan sähkömagneettiseen energia-
varastoon, jonka hyötysuhde on 92 %. Suprajohtavan käämin induktanssi on 1 H. Mikä
on käämin virta?

3. Paineilmavaraston yhteydessä ilmaa voidaan pitää ideaalikaasuna, jolloin pätee ideaali-
kaasun tilayhtälö

pV=nkT

missä n edustaa ilman määrää mooleina, R on yleinen kaasuvakio, p paine ja V tilavuus.
Varastoinnin aikana kaasun tilamuutos on adiabaattinen, jolloin edelleen

pV! = vakio
Ilmalla adiabaattivakio y = 1.4. Mihin lämpötilaan ilma varastoinnin yhteydessä lämpe-

nee, mikäli varaston paine nousee 70-kertaiseksi? Mitä tämä käytännössä tarkoittaa?
Ilman lämpötila on alkujaan 300 K.