دودكش خورشيدی - راهكاری جديد براي توليد برق از انرژی خورشيدی

اساساً اگر بخواهيد انرژيهاي تجديد‌پذير از كاربرد وسيعي برخوردار شوند بايد كه تكنولوژي‌هاي ارايه شده ساده و قابل اعتماد بوده و براي كشورهاي كمتر توسعه يافته نيز مشكلات فني به همراه نداشته باشد و بتوان از منابع محدود مواد خام آنها نيز استفاده كرد. در مرحله بعدي نيز بايد به آب زياد نياز نداشته باشد. در همينجا بايد گفت كه تكنولوژي دودكش داراي اين شرايط است. بررسيهاي اقتصادي نشان داده است كه اگر اين نيروگاهها در مقياس بزرگ (بزرگتر يا مساوي 100 مگاوات) ساخته شوند، قيمت برق توليدي آنها قابل مقايسه با برق نيروگاههاي متداول است. اين موضوع كافي است كه بتوان انرژي خورشيدي را در مقياسهاي بزرگ نيز به خدمت گرفت. بر اين اساس مي‌توان انتظار داشت كه دودكشهاي خورشيدي بتوانند در زمينه توليد برق براي مناطق پرآفتاب نقش مهمي را ايفا كنند.
بايد توجه داشت كه تكنولوژي دودكش خورشيدي در واقع از سه عنصر اصلي تشكيل شده است كه اولي جمع‌‌كننده هوا و عنصر بعدي برج يا همان دودكش و قسمت آخر نيز توربينهاي باد آن است و همه عناصر آن براي قرنها است كه بصورت شناخته شده درآمده‌اند و تركيب آنها نيز براي توليد برق در سال 1931 توسط گونتر مورد بحث قرار گرفته است.

 در سال 84-1983 نيز نتايج آزمايشات و بحثهاي نمونه‌اي از دودكش خورشيدي كه در منطقه مانزانارس در كشور اسپانيا ساخته شده بود، ارايه شد. در سال 1990 شلايش و همكاران در مورد قابل تعميم بودن نتايج بدست آمده از اين نمونه دودكش بحثي را ارايه كردند. در سال 1995 شلايش مجدداً اين بحث را مورد بازبيني قرار داد. در ادامه در سال 1997 كريتز طرحي را براي قرار دادن كيسه‌هاي پر از آب در زير سقف جمع‌آوري كننده حرارت ارايه كرد تا از اين طريق انرژي حرارتي ذخيره‌سازي شود. گانون و همكاران در سال 2000 يك تجزيه و تحليل براي سيكل ترموديناميكي ارايه كردند و بعلاوه در سال 2003 نيز مشخصات توربين را مورد تجزيه و تحليل قرار دادند. در همين سال روپريت و همكاران نتايج حاصل از محاسبات ديناميك سيالاتي و نيز طراحي توربين براي يك دوربين خورشيدي 200 مگاواتي را منتشر ساختند. در سال 2003 دوز سانتوز و همكاران تحليلهاي حرارتي و فني حاصل از محاسبات حل شده به كمك كامپيوتر را ارايه كردند.
در حال حاضر در استراليا طرح نيروگاه دودكش خورشيدي با ظرفيت 200 مگاوات در مرحله طراحي و اجرا است http://www.enviromission. Com.au. بايد گفت كه استراليا مكان مناسبي براي اين فناوري است چون شدت تابش خورشيد در اين كشور زياد است. در ثاني زمينهاي صاف و بدون پستي و بلندي در آن زياد است و ديگر اينكه تقاضا براي برق از رشد بالايي برخوردار است ونهايتاً اينكه دولت اين كشور خود را به افزايش استفاده از انرژيهاي تجديد‌پذير ملزم كرده است و از اين رو به 9500 گيگاوات ساعت برق در سال از منابع تجديد پذير جديد نياز دارد.

اصول كار:
هوا در زير يك سقف شفاف كه تشعشع خورشيدي را عبور مي‌دهد، گرم مي‌شود. بايد توجه داشت كه وجود اين سقف و زمين زير آن بعنوان يك كلكتور يا جمع‌كننده خورشيدي عمل مي‌كند. در وسط اين سقف شفاف يك دودكش يا برج عمودي وجود دارد كه هواي زيادي از پايين آن وارد مي‌شود. بايد محل اتصال سقف شفاف و اين برج بصورتي باشد كه منفذي نداشته باشد و اصطلاحاً «هوا بند» شده باشد. بر همگان روشن است كه هواي گرم چون سبكتر از هواي سرد است به سمت بالاي برج حركت مي‌كند. اين حركت باعث ايجاد مكش در پايين برج مي‌شود تا هواي گرم بيشتري را به درون بكشد و هواي سرد پيراموني به زير سقف شفاف وارد شود. براي اينكه بتوان اين فناوري را بصورت 24 ساعته مورد استفاده قرارداد مي‌توان از لوله‌ها يا كيسه‌هاي پرشده از آب در زير سقف استفاده كرد. اين موضوع بسيار ساده انجام مي‌شود يعني در طول روز آب حرارت را جذب كرده وگرم مي‌شود و در طول شب اين حرارت را آزاد مي‌كند. قابل ذكر است كه بايد اين لوله‌ها را فقط براي يكبار با آب پر كرده و به آب اضافي نيازي نيست. بنابراين اساس كار بدين صورت است كه تشعشع خورشيدي در اين برج باعث ايجاد يك مكش به سمت بالا مي‌شود كه انرژي حاصل از اين مكش توسط چند مرحله توربين تعبيه شده در برج به انرژي مكانيكي تبديل شده و سپس به برق تبديل مي‌شود.

توان خروجي:
به زبان ساده مي‌توان توان خروجي برجهاي خورشيدي را بصورت حاصل‌ضرب انرژي خورشيدي ورودي (Qsolar) در راندمان مربوط به جمع‌‌كننده، برج و توربين بيان كرد:
در ادامه سعي مي‌شود پارامترهاي قابل محاسبه مشخص شوند ودر اين راستا بايد گفت كه Qsolar را مي‌توان بصورت حاصلضرب تشعشع افقي (Gh) درمساحت كلكتور (Acoll) نوشت.
در داخل برج جريان گرمايي ناشي از كلكتور به انرژي سينتيك (بصورت كنوكسيون) و انرژي پتانسيل (افت فشار در توربين) تبديل مي‌شود. بنابراين متوجه مي‌شويم كه اختلاف دانسيته هوا كه ناشي از افزايش دما در كلكتور است، بعنوان يك نيروي محركه عمل مي‌كند. هواي سبكتر موجود در برج در قسمت تحتاني و در قسمت فوقاني برج به هواي اطراف متصل است و از اين رو باعث ايجاد يك حركت روبه بالا مي‌شود. در يك چنين حالتي يك اختلاف فشار بين قسمت پايين برج (خروجي كلكتور) و محيط اطراف ايجاد مي‌شود كه فرمول آن بصورت زير است:
بر اين اساس با افزايش ارتفاع برج، ΔPtot افزايش خواهد يافت.
البته اين اختلاف فشار را مي‌توان (با فرض قابل صرفنظر كردن اتلافهاي اصطكاكي) به اختلاف استاتيك و ديناميك تقسيم كرد:
قابل ذكر است كه اختلاف فشار استاتيك در توربين افت مي‌كند و اختلاف فشار ديناميك بيانگر انرژي سينتيك جريان هوا است.
مي‌توان بين توان موجود دراين جريان و اختلاف فشار كل و جريان حجمي هوا وقتي كه ΔPs=0، رابطه‌اي نوشت:
راندمان برج را بصورت زير بيان مي‌كنند:
در عمل افت فشار استاتيك وديناميك ناشي از توربين است. در حالتي كه توربين وجود نداشته باشد مي‌توان به حداكثر سرعت جريان دست يافت و تمام اختلاف فشار موجود به انرژي سينتيك تبديل مي‌شود:
بر اساس تخمين Boussinesq حداكثر سرعت قابل دسترسي براي جريان جابجايي آزاد بصورت زير است:
كه دراين فرمول ΔT همان افزايش دما بين محيط و خروجي كلكتور (ورودي دودكش) است. معادل زير بيانگر راندمان برج و پارامترهاي موثر در آن است:
بر اساس اين نمايش ساده شده در بين پارامترهاي دخيل در دودكش خورشيدي، مهمترين عامل در راندمان برج، ارتفاع آن است. مثلاً براي برجي به ارتفاع 1000 متر اختلاف بين محاسبات دقيق و محاسبه تقريبي ارايه شده، قابل صرفنظر كردن است.
با دقت در معادلات (1)، (2) و (3) مي‌توان دريافت كه توان خروجي يك دودكش خورشيدي متناسب باسطح كلكتور و ارتفاع برج است.
مشخص شد كه توان توليد برق يك دودكش خورشيدي متناسب با حجم حاصل از ارتفاع برج و سطح كلكتور است يعني مي‌توان با يك برج بلند و سطح كم و يا يك برج كوتاه با سطح وسيع به يك ميزان برق توليد كرد. البته اگر اتلاف اصطكاكي وارد معادلات شود ديگر موضوع فوق صادق نيست. با اين وجود تا زماني كه قطر كلكتور بيش از حد زياد نشود مي‌توان از قاعده سرانگشتي فوق استفاده كرد.

كلكتور:
هواي گرم مورد نياز براي دودكش خورشيدي توسط پديده گلخانه‌اي در يك محوطه‌اي كه با پلاستيك يا شيشه پوشانده شده و حدوداً چند متري از زمين فاصله دارد، ايجاد مي‌شود. البته با نزديك شدن به پايه برج، ارتفاع ناحيه پوشانده شده نيز افزايش مي‌يابد تا تغيير مسير حركت جريان هوا بصورت عمودي با كمترين اصطكاك انجام پذيرد. اين پوشش باعث مي‌شود كه امواج تشعشع خورشيد وارد شده و تشعشعهاي با طول موج بالا مجدداً از زمين گرم بازتاب كند. زمين زير اين سقف شيشه‌اي يا پلاستيكي، گرم شده و حرارت خود را به هوايي كه از بيرون وارد اين ناحيه شده است و به سمت برج حركت مي‌كند، پس مي‌دهد.

ذخيره‌سازي:
اگر به يك ظرفيت اضافي براي ذخيره‌سازي حرارت نياز باشد، مي‌توان از لوله‌هاي سياه رنگ كه با آب پر شده‌اند و بر روي زمين در داخل كلكتور قرار داده شده‌‌اند، بهره جست. اين لوله‌ها را بايد فقط يكبار با آب پر كرده و دو طرف آنها را بست و بنابراين تبخير نيز رخ نخواهد داد. حجم آب درون لوله‌ها بنحوي انتخاب مي‌شود كه بسته به توان خروجي نيروگاه لايه‌اي با ضخامت 20-5 سانتيمتري تشكيل شود.
در شب زماني‌كه هواي داخل كلكتور شروع به سرد شدن مي‌كند، آب داخل لوله‌ها نيز حرارت ذخيره شده در طول روز را آزاد مي‌كند. ذخيره حرارت به كمك آب بسيار موثرتر از ذخيره در خاك به تنهايي است چون همانطور كه مي‌دانيد انتقال حرارت بين لوله و آب بسيار بيشتر از انتقال حرارت بين سطح خاك و لايه‌هاي زيرين است و اين از آن بابت است كه ظرفيت حرارتي آب پنج برابر ظرفيت حرارتي خاك است.