تولید برق از دودکش خورشیدی

شمای کلی دودکش خورشیدی

در مرحله بعدی نیز باید به آب زیاد نیاز نداشته باشد. در همین‌جا باید گفت که تکنولوژی دودکش دارای این شرایط است. بررسی‌های اقتصادی نشان داده است که اگر این نیروگاه‌ها در مقیاس بزرگ (بزرگ‌تر یا مساوی ۱۰۰ مگاوات) ساخته شوند، قیمت برق تولیدی آن‌ها قابل مقایسه با برق نیروگاه‌های متداول است. این موضوع کافی است که بتوان انرژی خورشیدی را در مقیاس‌های بزرگ نیز به خدمت گرفت.

بر این اساس می‌توان انتظار داشت که دودکش‌های خورشیدی بتوانند در زمینه تولید برق برای مناطق پرآفتاب نقش مهمی را ایفا کنند. باید توجه داشت که تکنولوژی دودکش خورشیدی در واقع از سه عنصر اصلی تشکیل شده است که اولی جمع‌‌کننده هوا و عنصر بعدی برج یا همان دودکش و قسمت آخر نیز توربین‌های باد آن است و همه عناصر آن برای قرن‌ها است که به‌صورت شناخته شده درآمده‌اند و ترکیب آنها نیز برای تولید برق در سال ۱۹۳۱ توسط گونتر مورد بحث قرار گرفته است.

تاریخچه:

به گزارش "برق نیوز" در سال‌های ۴ـ۱۹۸۳ نیز نتایج آزمایشات و بحث‌های نمونه‌ای از دودکش خورشیدی که در منطقه مانزانارس در کشور اسپانیا ساخته شده بود، ارایه شد. در سال ۱۹۹۰ شلایش و همکاران در مورد قابل تعمیم بودن نتایج بدست آمده از این نمونه دودکش بحثی را ارایه کردند. در سال ۱۹۹۵ شلایش مجدداً این بحث را مورد بازبینی قرار داد. در ادامه در سال ۱۹۹۷ کریتز طرحی را برای قرار دادن کیسه‌های پر از آب در زیر سقف جمع‌آوری کننده حرارت ارایه کرد تا از این طریق انرژی حرارتی ذخیره‌سازی شود. گانون و همکاران در سال ۲۰۰۰ یک تجزیه و تحلیل برای سیکل ترمودینامیکی ارایه کردند و به‌علاوه در سال ۲۰۰۳ نیز مشخصات توربین را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. در همین سال روپریت و همکاران نتایج حاصل از محاسبات دینامیک سیالاتی و نیز طراحی توربین برای یک توربین خورشیدی ۲۰۰ مگاواتی را منتشر ساختند. در سال ۲۰۰۳ دوس سانتوز و همکاران تحلیل‌های حرارتی و فنی حاصل از محاسبات حل شده به کمک کامپیوتر را ارایه کردند. در حال حاضر در استرالیا طرح نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت ۲۰۰ مگاوات در مرحله طراحی و اجرا است. باید گفت که استرالیا مکان مناسبی برای این فناوری است چون شدت تابش خورشید در این کشور زیاد است. در ثانی زمین‌های صاف و بدون پستی و بلندی در آن زیاد است و دیگر این‌که تقاضا برای برق از رشد بالایی برخوردار است و نهایتاً این‌که دولت این کشور خود را به افزایش استفاده از انرژی‌های تجدید‌پذیر ملزم کرده است و از این‌رو به ۹۵۰۰ گیگاوات ساعت برق در سال از منابع تجدیدپذیر جدید نیاز دارد.

اصول‌کار:

هوا در زیر یک سقف شفاف که تشعشع خورشیدی را عبور می‌دهد، گرم می‌شود. باید توجه داشت که وجود این سقف و زمین زیر آن به‌عنوان یک کلکتور یا جمع‌کننده خورشیدی عمل می‌کند. در وسط این سقف شفاف یک دودکش یا برج عمودی وجود دارد که هوای زیادی از پایین آن وارد می‌شود. باید محل اتصال سقف شفاف و این برج به‌صورتی باشد که منفذی نداشته باشد و اصطلاحاً «هوا بند» شده باشد. بر همگان روشن است که هوای گرم چون سبک‌تر از هوای سرد است به سمت بالای برج حرکت می‌کند. این حرکت باعث ایجاد مکش در پایین برج می‌شود تا هوای گرم بیش‌تری را به درون بکشد و هوای سرد پیرامونی به زیر سقف شفاف وارد شود. برای این‌که بتوان این فناوری را به‌صورت ۲۴ ساعته مورد استفاده قرارداد می‌توان از لوله‌ها یا کیسه‌های پرشده از آب در زیر سقف استفاده کرد. این موضوع بسیار ساده انجام می‌شود یعنی در طول روز آب حرارت را جذب کرده و گرم می‌شود و در طول شب این حرارت را آزاد می‌کند. قابل ذکر است که باید این لوله‌ها را فقط برای یک‌بار با آب پر کرده و به آب اضافی نیازی نیست. بنابراین اساس کار بدین صورت است که تشعشع خورشیدی در این برج باعث ایجاد یک مکش به سمت بالا می‌شود که انرژی حاصل از این مکش توسط چند مرحله توربین تعبیه شده در برج به انرژی مکانیکی تبدیل شده و سپس به برق تبدیل می‌شود.

توان‌خروجی:

به زبان ساده می‌توان توان خروجی برج‌های خورشیدی را به‌صورت حاصل‌ضرب انرژی خورشیدی ورودی (Qsolar) در راندمان مربوط به جمع‌‌کننده، برج و توربین بیان کرد. در ادامه سعی می‌شود پارامترهای قابل محاسبه مشخص شوند و در این راستا باید گفت که Qsolar را می‌توان به‌صورت حاصل‌ضرب تشعشع افقی (Gh) در مساحت کلکتور (Acoll) نوشت. در داخل برج جریان گرمایی ناشی از کلکتور به انرژی سینتیک (به‌صورت کنوکسیون) و انرژی پتانسیل (افت فشار در توربین) تبدیل می‌شود. بنابراین متوجه می‌شویم که اختلاف دانسیته هوا که ناشی از افزایش دما در کلکتور است، به‌عنوان یک نیروی محرکه عمل می‌کند. هوای سبک‌تر موجود در برج در قسمت تحتانی و در قسمت فوقانی برج به هوای اطراف متصل است و از این‌رو باعث ایجاد یک حرکت روبه بالا می‌شود. در چنین حالتی یک اختلاف فشار بین قسمت پایین برج (خروجی کلکتور) و محیط اطراف ایجاد می‌شود که فرمول آن به‌صورت زیر است. بر این اساس با افزایش ارتفاع برج، ΔPtot افزایش خواهد یافت. البته این اختلاف فشار را می‌توان (با فرض قابل صرف‌نظر کردن اتلاف‌های اصطکاکی) به اختلاف استاتیک و دینامیک تقسیم کرد.

قابل ذکر است که اختلاف فشار استاتیک در توربین افت می‌کند و اختلاف فشار دینامیک بیان‌گر انرژی سینتیک جریان هوا است.

می‌توان بین توان موجود دراین جریان و اختلاف فشار کل و جریان حجمی هوا وقتی که ΔPs=0، رابطه‌ای نوشت.

راندمان‌برج:

در عمل افت فشار استاتیک و دینامیک ناشی از توربین است. در حالتی که توربین وجود نداشته باشد می‌توان به حداکثر سرعت جریان دست یافت و تمام اختلاف فشار موجود به انرژی سینتیک تبدیل می‌شود.

بر اساس این نمایش ساده شده در بین پارامترهای دخیل در دودکش خورشیدی، مهم‌ترین عامل در راندمان برج، ارتفاع آن است. مثلاً برای برجی به ارتفاع ۱۰۰۰ متر اختلاف بین محاسبات دقیق و محاسبه تقریبی ارایه شده، قابل صرفنظر کردن است. با دقت در معادلات می‌توان دریافت که توان خروجی یک دودکش خورشیدی متناسب با سطح کلکتور و ارتفاع برج است. مشخص شد که توان تولید برق یک دودکش خورشیدی متناسب با حجم حاصل از ارتفاع برج و سطح کلکتور است یعنی می‌توان با یک برج بلند و سطح کم و یا یک برج کوتاه با سطح وسیع به یک میزان برق تولید کرد. البته اگر اتلاف اصطکاکی وارد معادلات شود دیگر موضوع فوق صادق نیست. با این وجود تا زمانی که قطر کلکتور بیش از حد زیاد نشود می‌توان از قاعده سرانگشتی فوق استفاده کرد.

کلکتور:

هوای گرم مورد نیاز برای دودکش خورشیدی توسط پدیده گلخانه‌ای در یک محوطه‌ای که با پلاستیک یا شیشه پوشانده شده و حدوداً چند متری از زمین فاصله دارد، ایجاد می‌شود. البته با نزدیک شدن به پایه برج، ارتفاع ناحیه پوشانده شده نیز افزایش می‌یابد تا تغییر مسیر حرکت جریان هوا به‌صورت عمودی با کم‌ترین اصطکاک انجام پذیرد. این پوشش باعث می‌شود که امواج تشعشع خورشید وارد شده و تشعشعهای با طول موج بالا مجدداً از زمین گرم بازتاب کند. زمین زیر این سقف شیشه‌ای یا پلاستیکی، گرم شده و حرارت خود را به هوایی که از بیرون وارد این ناحیه شده است و به‌سمت برج حرکت می‌کند، پس می‌دهد.

ذخیره‌سازی:

اگر به یک ظرفیت اضافی برای ذخیره‌سازی حرارت نیاز باشد، می‌توان از لوله‌های سیاه رنگ که با آب پر شده‌اند و بر روی زمین در داخل کلکتور قرار داده شده‌‌اند، بهره جست. این لوله‌ها را باید فقط یک‌بار با آب پر کرده و دو طرف آنها را بست و بنابراین تبخیر نیز رخ نخواهد داد. حجم آب درون لوله‌ها به‌نحوی انتخاب می‌شود که بسته به توان خروجی نیروگاه لایه‌ای با ضخامت ۵-۲۰ سانتیمتری تشکیل شود. در شب زمانی‌که هوای داخل کلکتور شروع به سرد شدن می‌کند، آب داخل لوله‌ها نیز حرارت ذخیره شده در طول روز را آزاد می‌کند. ذخیره حرارت به کمک آب بسیار موثرتر از ذخیره در خاک به تنهایی است چون همان‌طور که می‌دانید انتقال حرارت بین لوله و آب بسیار بیش‌تر از انتقال حرارت بین سطح خاک و لایه‌های زیرین است و این از آن بابت است که ظرفیت حرارتی آب پنج برابر ظرفیت حرارتی خاک است.

برج: 

برج به خودی خود نقش موتور حرارتی نیروگاه را بازی می‌کند و همانند یک لوله تحت فشار است که به دلیل دارا بودن نسبت مناسب سطح به حجم از اتلاف اصطکاکی کمی برخوردار است. در این برج سرعت مکش به سمت بالای هوا تقریباً متناسب با افزایش دمای هوا (ΔT) در کلکتور و ارتفاع برج است. در یک دودکش خورشیدی چند مگاواتی، کلکتور باعث می‌شود که دمای هوا بین ۳۰-۳۵ درجه سانتیگراد افزایش یابد و این به‌معنی سرعتی معادل ۱۵ متر بر ثانیه است که باعث حرکت شتاب‌دار هوا نخواهد شد و بنابراین برای انجام عملیات تعمیر و نگهداری می‌توان به‌راحتی وارد آن شد و ریسک سرعت بالای هوا وجود ندارد.

توربین‌ها:

با به‌کارگیری توربین‌ها، انرژی موجود در جریان هوا به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل می‌شود. توربین‌های موجود در دودکش خورشیدی شبیه توربین‌های بادی نیستند و بیش‌تر شبیه توربین‌های نیروگاه‌های برق‌آبی هستند که با استفاده از توربین‌های محفظه‌دار، فشار استاتیک را به انرژی دورانی تبدیل می‌کنند. سرعت هوا در قبل و بعد از توربین تقریباً یکسان است.. توان قابل حصول در این سیستم متناسب با حاصل‌ضرب جریان حجم هوا در واحد زمان و اختلاف فشار در توربین است. از نقطه نظر بهره‌وری بیشتر از انرژی، هدف سیستم کنترل توربین به حداکثر رساندن این حاصل‌ضرب در تمام شرایط عملیاتی است.

مدل‌آزمایشی: 

برای ساخت یک مدل ازمایشی، تحقیقات تئوریک مفصلی انجام شده که آزمایش‌های تونل باد وسیعی را به‌همراه داشت و نهایتاً در سال ۱۹۸۱ منجر به ساخت واحدی با توان تولید ۵۰ کیلووات برق در منطقه مانزانارس (Manzanares) در ۱۵۰ کیلومتری جنوب مادرید در کشور اسپانیا شد و این واحد از کمک مالی وزارت تحقیق و فناوری آلمان برخوردار بود.

هدف از این طرح تحقیقاتی، تطبیق، اندازه‌گیری محلی، مقایسه پارامترهای تئوریک و عملی و بررسی تاثیر اجزاء مختلف دودکش خورشیدی بر راندمان و نیز توان تولیدی این فناوری تحت شرایط واقعی و نیز شرایط خاص آب و هوایی بود.

پوشش سقف قسمت کلکتور نه تنها باید شفاف یا حداقل نیمه شفاف باشد بلکه باید محکم بوده و از قیمت قابل قبولی برخوردار باشد. برای این پوشش نوعی از ورقه‌های پلاستیکی و نیز شیشه‌ مورد توجه قرار گرفتند تا مشخص شود در درازمدت کدامیک از آن‌ها بهتر بوده و صرفه اقتصادی دارد. باید توجه داشت که شیشه می‌تواند سالیان سال در مقابل طوفان و باد مقاومت کرده وآسیب نبیند و در مقابل باران‌های فصلی نیز نوعی خاصیت خود تمیز کنندگی بروز می‌دهد. در عوض لایه‌های پلاستیکی را باید درون یک قاب قرار داد و وسط آنها نیز اصطلاحاً به سمت زمین شکم می‌دهد. هرچند هزینه اولیه سرمایه‌گذاری ورقه‌های پلاستیکی کمتر است ولی در مانزانارس با گذشت زمان این لایه‌ها شکننده شدند و آسیب دیدند. البته با پیشرفت در ساخت لایه‌های مقاوم در برابر دما و اشعه ماوراء بنفش می‌توان به استفاده از پلاستیک‌ها نیز امیداور بود. مدل ساخته شده در اسپانیا در سال ۱۹۸۲ تکمیل گشت و هدف اصلی از ساخت آن نیز گردآوری اطلاعات بود. بین اواسط ۱۹۸۶ تا اوایل ۱۹۸۹ این واحد به‌طور مرتب هر روز مورد استفاده قرار گرفت و برق تولیدی آن نیز به شبکه برق سراسری متصل شد. طی این دوره ۳۲ ماهه این واحد به‌صورت کاملاً اتوماتیک راهبری شد. در سال ۱۹۸۷ در این منطقه حدود ۳۰۶۷ ساعت با شدت تابش ۱۵۰وات بر مترمربع وجود داشته است. یکی از مطالب قابل توجه در راهبری این مدل آزمایشی آن بود که اسپانیایی‌ها در زیر قسمت کلکتور اقدام به کشاورزی کردند تا این امکان را نیز در طرح خود مورد بررسی قرار دهند و اصطلاحاً از زمین به‌صورت بهینه استفاده کنند. نتیجه این قسمت از تحقیق آن بود که توانستند گیاه مورد نظر خود را پرورش دهند و تاثیر آن را بر رطوبت هوای زیر سقف و دیگر پارامترهای مربوطه مورد ارزیابی قرار دهند. تمامی نتایج به‌دست آمده بیانگر آن بوده است که این فناوری از قابلیت کافی جهت استفاده در مقیاس‌های بزرگ‌تر را دارا است. بر پایه این نتایج یک‌سری تحقیقات توسط موسسات و دانشگاه‌های مختلف انجام شد تا وضعیت آن را شبیه‌سازی و مدل‌سازی کند تا بتوان نتایج این سیستم در مقیاس بزرگ‌تر را پیشگویی کرده و قابل بررسی کرد.

تحولات‌آینده:

همان‌طور که در ابتدای مقاله اشاره شد در آینده نزدیک قرار است یک نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت ۲۰۰ مگاوات در استرالیا ساخته شود که ارتفاع برج آن ۱۰۰۰ متر خواهد بود. بر اساس اطلاعات به‌دست آمده کشور آفریقای جنوبی نیز در نظر دارد با کمک سازمان‌های بین‌المللی و نیز نهادهای سازمان ملل متحد یک نیروگاه با برجی به ارتفاع ۱۵۰۰ متر احداث کند تا از آن برای رفع کمبود برق خود استفاده کند. در این ارتباط باید متذکر شد که دولت هند نیز برای اجرای این طرح در ایالت گجرات اعلام آمادگی کرده است. هر چند در ابتدا ساخت برج های مرتفع کاری سخت به‌نظر می‌رسد ولی نباید از نظر دور ساخت که برج مرتفع شهر تورنتو کانادا در حال حاضر دارای ۶۰۰ متر ارتفاع است و ژاپنی‌ها در نظر دارند آسمان‌خراش‌هایی با ارتفاع ۲۰۰۰ متر در مناطقی بسازند که امکان زمین‌‌لرزه آن‌ها نیز زیاد است و نهایتاً آن‌که ساخت برج میلاد در کشورمان ایران نیز تاییدی بر این مدعاست که امروزه ساخت یک چنین سازه‌هایی دور از دسترسی نیست و ضمناً ما در ساخت سازه‌ سدهای آبی نشان داده‌ایم که به‌راحتی می‌توانیم سازه‌های عظیم بتنی را برپا سازیم. نباید از نظر دور داشت که با افزایش قیمت سوخت‌های فسیلی معادلات به نفع فناوری‌های مرتبط با انرژی‌های تجدید‌پذیر تغییر خواهد کرد. در ثانی در کشورهایی که دست‌مزد نیروی کار پایین است، هزینه تولید برق با این روش کاهش خواهد یافت چون تقریباً نیمی از هزینه ساخت یک چنین نیروگاهی مربوط به هزینه ساخت کلکتور می‌شود که با کارگران ارزان و نسبتاً غیرماهر می‌توان به‌راحتی آن‌را ساخت.

نتیجه‌گیری: 

با توجه به اجرایی شدن معاهده زیست‌محیطی کیوتو پس از پیوستن روسیه و عضویت ایران در این معاهده، به‌نظر می‌رسد که باید به دنبال راه‌هایی جهت کاستن از میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای بود. یکی از بهترین روش‌ها جهت حصول به این هدف، استفاده از انرژی‌های تجدید‌پذیر است و در این راستا برای کشورهای در حال توسعه می‌توان فناوری «دودکش خورشیدی» را معرفی کرد. این معرفی از آن جهت است که قسمت عمده کار با نیروی نسبتاً غیرماهر قابل انجام است و این سیستم قادر است بدون نیاز به تعمیر و نگه‌داری خاص برای مدت مدیدی برق تولید کند و مناسب برای کشورهایی است که میزان تابش خورشید در آن‌ها زیاد است. به‌علاوه نباید رشد بالای تقاضا برای برق در کشوری مانند ایران را نیز از یاد برد. در ضمن می‌توان اینگونه طرح‌ها را با استفاده از اعتبارات تعیین شده در معاهده کیوتو که اصطلاحاً CDM (Clean Development Mechanism) خوانده می‌شوند و حتی اعتبارات دیگر سازمان‌های بین‌المللی پیگیری کرد چون بسیاری از سازمان‌ها و کشورها حاضرند جهت استفاده از نتایج و نیز توسعه این‌گونه فناوری‌ها، ‌کمک‌هایی را به کشورهای داوطلب اعطا کنند.