اساساً اگر بخواهید انرژیهای تجدیدآپذیر از کاربرد وسیعی برخوردار شوند باید که تکنولوژیآهای ارایه شده ساده و قابل اعتماد بوده و برای کشورهای کمتر توسعه یافته نیز مشکلات فنی به همراه نداشته باشد و بتوان از منابع محدود مواد خام آنها نیز استفاده کرد. 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 100 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 میآتوان 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 جمعآآکننده هوا و عنصر بعدی برج یا همان دودکش و قسمت آخر نیز توربینهای باد آن است و همه عناصر آن برای قرنها است که بصورت شناخته شده درآمدهآاند و ترکیب آنها نیز برای تولید برق در سال 1931 توسط گونتر مورد بحث قرار گرفته است.
در سال 84-1983 نیز نتایج آزمایشات و بحثهای نمونهآای از دودکش خورشیدی که در منطقه مانزانارس در کشور اسپانیا ساخته شده بود، ارایه شد. در سال 1990 شلایش و همکاران در مورد قابل تعمیم بودن نتایج بدست آمده از این نمونه دودکش بحثی را ارایه کردند. در سال 1995 شلایش مجدداً این بحث را مورد بازبینی قرار داد. در ادامه در سال 1997 کریتز طرحی را برای قرار دادن کیسهآهای پر از آب در زیر سقف جمعآآوری کننده حرارت ارایه کرد تا از این طریق انرژی حرارتی ذخیرهآسازی شود. گانون و همکاران در سال 2000 یک تجزیه و تحلیل برای سیکل ترمودینامیکی ارایه کردند و بعلاوه در سال 2003 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 دوربین خورشیدی 200 مگاواتی را منتشر ساختند. در سال 2003 دوز 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 200 مگاوات در مرحله طراحی و اجرا است http://www.enviromission. Com.au. 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 ونهایتاً اینکه دولت این کشور خود را به افزایش استفاده از انرژیهای تجدیدآپذیر ملزم کرده است و از این رو به 9500 گیگاوات ساعت برق در سال از منابع تجدید پذیر جدید نیاز دارد.
اصول کار:
هوا در زیر یک سقف شفاف که تشعشع خورشیدی را عبور میآدهد، گرم میآشود. باید توجه داشت که وجود این سقف و زمین زیر آن بعنوان یک کلکتور یا جمعآکننده خورشیدی عمل میآکند. در وسط این سقف شفاف یک دودکش یا برج عمودی وجود دارد که هوای زیادی از پایین آن وارد میآشود. باید محل اتصال سقف شفاف و این برج بصورتی 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 میآکند. این حرکت باعث ایجاد مکش در پایین برج میآشود تا هوای گرم بیشتری را به درون بکشد و هوای سرد پیرامونی به زیر سقف شفاف وارد شود. برای اینکه بتوان این فناوری را بصورت 24 ساعته مورد استفاده قرارداد میآتوان از لولهآها یا کیسهآهای پرشده از آب در زیر سقف استفاده کرد. این موضوع بسیار ساده انجام میآشود یعنی در طول روز آب حرارت را جذب کرده وگرم میآشود و در طول شب این حرارت را آزاد میآکند. قابل ذکر است که باید این لولهآها 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 میآشود که انرژی حاصل از این مکش توسط چند مرحله توربین تعبیه شده در برج به انرژی مکانیکی تبدیل شده و سپس به برق تبدیل میآشود.
توان خروجی:
به زبان ساده میآتوان توان خروجی برجهای خورشیدی را بصورت حاصلآضرب انرژی خورشیدی ورودی (Qsolar) در راندمان مربوط به جمعآآکننده، برج و توربین بیان کرد:
در ادامه سعی میآشود پارامترهای قابل محاسبه مشخص شوند ودر این راستا باید گفت که Qsolar را میآتوان بصورت حاصلضرب تشعشع افقی (Gh) درمساحت کلکتور (Acoll) نوشت.
در داخل برج جریان گرمایی ناشی از کلکتور به انرژی سینتیک (بصورت کنوکسیون) و انرژی پتانسیل (افت فشار در توربین) تبدیل میآشود. بنابراین متوجه میآشویم که اختلاف دانسیته هوا که ناشی از افزایش دما در کلکتور است، بعنوان یک نیروی محرکه عمل میآکند. هوای سبکتر موجود در برج در قسمت تحتانی و در قسمت فوقانی برج به هوای اطراف متصل است و از این رو باعث ایجاد یک حرکت روبه بالا میآشود. در یک چنین حالتی یک اختلاف فشار بین قسمت پایین برج (خروجی کلکتور) و محیط اطراف ایجاد میآشود که فرمول آن بصورت زیر است:
بر این اساس با افزایش ارتفاع برج، ΔPtot افزایش خواهد یافت.
البته این اختلاف فشار را میآتوان (با فرض قابل صرفنظر کردن اتلافهای اصطکاکی) به اختلاف استاتیک و دینامیک تقسیم کرد:
قابل ذکر است که اختلاف فشار استاتیک در توربین افت میآکند و اختلاف فشار دینامیک بیانگر انرژی سینتیک جریان هوا است.
میآتوان بین توان موجود دراین جریان و اختلاف فشار کل و جریان حجمی هوا وقتی که ΔPs=0، رابطهآای نوشت:
راندمان برج را بصورت زیر بیان میآکنند:
در عمل افت فشار استاتیک ودینامیک ناشی از توربین است. در حالتی که توربین وجود نداشته باشد میآتوان به حداکثر سرعت جریان دست یافت و تمام اختلاف فشار موجود به انرژی سینتیک تبدیل میآشود:
بر اساس تخمین Boussinesq حداکثر سرعت قابل دسترسی برای جریان جابجایی آزاد بصورت زیر است:
که دراین فرمول ΔT همان افزایش دما بین محیط و خروجی کلکتور (ورودی دودکش) است. معادل زیر بیانگر راندمان برج و پارامترهای موثر در آن است:
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 1000 متر اختلاف بین محاسبات دقیق و محاسبه تقریبی ارایه شده، قابل صرفنظر کردن است.
با دقت در معادلات (1)، (2) و (3) میآتوان دریافت که توان خروجی یک دودکش خورشیدی متناسب باسطح 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 میآتوان 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 میآتوان از قاعده سرانگشتی فوق استفاده کرد.
کلکتور:
هوای گرم مورد نیاز برای دودکش خورشیدی توسط پدیده گلخانهآای در یک محوطهآای که با پلاستیک یا شیشه پوشانده شده و حدوداً چند متری از زمین فاصله دارد، ایجاد میآشود. البته با نزدیک شدن به پایه برج، ارتفاع ناحیه پوشانده شده نیز افزایش میآیابد تا تغییر مسیر حرکت جریان هوا بصورت عمودی با کمترین اصطکاک انجام پذیرد. این پوشش باعث میآشود که امواج تشعشع خورشید وارد شده و تشعشعهای با طول موج بالا مجدداً از زمین گرم بازتاب کند. زمین زیر این سقف شیشهآای یا پلاستیکی، گرم شده و حرارت خود را به هوایی که از بیرون وارد این ناحیه شده است و به سمت برج حرکت میآکند، پس میآدهد.
ذخیرهآسازی:
اگر به یک ظرفیت اضافی برای ذخیرهآسازی حرارت نیاز باشد، میآتوان از لولهآهای سیاه رنگ که با آب پر شدهآاند و بر روی زمین در داخل کلکتور قرار داده شدهآآاند، بهره جست. این لولهآها را باید فقط یکبار با آب پر کرده و دو طرف آنها را بست و بنابراین تبخیر نیز رخ نخواهد داد. حجم آب درون لولهآها بنحوی انتخاب میآشود که بسته به توان خروجی نیروگاه لایهآای با ضخامت 20-5 سانتیمتری تشکیل شود.
در شب زمانیآکه هوای داخل کلکتور شروع به سرد شدن میآکند، آب داخل لولهآها نیز حرارت ذخیره شده در طول روز را آزاد میآکند. ذخیره حرارت به کمک آب بسیار موثرتر از ذخیره در خاک به تنهایی است چون همانطور که میآدانید انتقال حرارت بین لوله و آب بسیار بیشتر از انتقال حرارت بین سطح خاک و لایهآهای زیرین است و این از آن بابت است که ظرفیت حرارتی آب پنج برابر ظرفیت حرارتی خاک است.
برج:
برج به خودی خودنقش موتور حرارتی نیروگاه را بازی میآکند 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 میآشود که دمای هوا بین 35-30 درجه سانتیگراد افزایش یابد و این به معنی سرعتی معادل m/sec15 است که باعث حرکت شتابدار هوا نخواهد شد و بنابراین برای انجام عملیات تعمیر و نگهداری میآتوان براحتی وارد آن شد و ریسک سرعت بالای هوا وجود ندارد.
توربینآها:
با بکارگیری توربینها، انرژی موجود در جریان هوا به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل میآشود. توربینهای موجود در دودکش خورشیدی شبیه توربینهای بادی نیستند و بیشتر شبیه توربینهای نیروگاههای برقابی هستند که با استفاده از توربینهای محفظهآدار، فشار استاتیک را به انرژی دورانی تبدیل میآکنند. 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 بهرهآوری بیشتر از انرژی، هدف سیستم کنترل توربین بحداکثر رساندن این حاصلضرب در تمام شرایط عملیاتی است.
مدل آزمایشی:
برای ساخت یک مدل ازمایشی، تحقیقات تئوریک مفصلی انجام شده که آزمایشات تونل باد وسیعی را بهمراه داشت و نهایتاً در سال 1981 منجر به ساخت واحدی با توان تولید 50 کیلووات برق در منطقه مانزانارس (Manzanares) در 150 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، اندازهآگیری 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 ورقهآهای پلاستیکی و نیز شیشهآ مورد توجه قرار گرفتند تا مشخص شود در درازمدت کدامیک از آنها بهتر بوده و صرفه اقتصادی دارد. باید توجه داشت که شیشه میآتواند سالیان سال در مقابل طوفان و باد مقاومت کرده وآسیب نبیند و در مقابل بارانهای فصلی نیز نوعی خاصیت خود تمیز کنندگی بروز میآدهد.
در عوض لایهآهای پلاستیکی را باید درون یک قاب قرار داد و وسط آنها نیز اصطلاحاً به سمت زمین شکم میآدهد. هرچند هزینه اولیه سرمایهآگذاری ورقهآهای پلاستیکی کمتر است ولی در مانزانارس با گذشت زمان این لایهآها شکننده شدند و آسیب دیدند. البته با پیشرفت در ساخت لایهآهای مقاوم در برابر دما و اشعه ماوراء بنفش میآتوان به استفاده از پلاستیکها نیز امیداور بود.
مدل ساخته شده در اسپانیا در سال 1982 تکمیل گشت و هدف اصلی از ساخت آن نیز گردآوری اطلاعات بود. بین اواسط 1986 تا اوایل 1989 این واحد بطور مرتب هر روز مورد استفاده قرار گرفت و برق تولیدی آن نیز به شبکه برق سراسری متصل شد. طی این دوره 32 ماهه این واحد بصورت کاملاً اتوماتیک راهبری شد. در سال 1987 در این منطقه حدود 3067 ساعت با شدت تابش w/m2 150 وجود داشته است.
یکی از مطالب قابل توجه در راهبری این مدل آزمایشی آن بود که اسپانیاییآها در زیر قسمت کلکتور اقدام به کشاورزی کردند تا این امکان را نیز در طرح خود مورد بررسی قرار دهند و اصطلاحاً از زمین بصورت 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 بدست آمده بیانگر آن بوده است که این فناوری از قابلیت کافی جهت استفاده در مقیاسهای بزرگتر را دارا است. بر پایه این نتایج یک سری تحقیقات توسط موسسات و دانشگاههای مختلف انجام شد تا وضعیت آن را شبیه سازی و مدلسازی کند تا بتوان نتایج این سیستم در مقیاس بزرگتر را پیشگویی کرده و قابل بررسی کرد.
تحولات آینده:
همانطور که در ابتدای مقاله اشاره شد در آینده نزدیک قرار است یک نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت 200 مگاوات در استرالیا ساخته شود که ارتفاع برج آن 1000 متر خواهد بود. بر اساس اطلاعات بدست آمده کشور آفریقای جنوبی نیز در نظر دارد با کمک سازمانهای بینآالمللی و نیز نهادهای سازمان ملل متحد یک نیروگاه با برجی به ارتفاع 1500 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 برجهای مرتفع کاری سخت بنظر میآرسد ولی نباید از نظر دور ساخت که برج مرتفع شهر تورنتو کانادا در حال حاضر دارای 600 متر ارتفاع است و ژاپنیها در نظر دارند آسمانخراشهایی با ارتفاع 2000 متر در مناطقی بسازند که امکان زمین لرزه آنها نیز زیاد است و نهایتاً آنکه ساخت برج میلاد در کشورمان ایران نیز تاییدی بر این مدعاست که امروزه ساخت یک چنین سازهآهایی دور از دسترسی نیست و ضمناً ما در ساخت سازهآ سدهای آبی نشان دادهآایم که براحتی میآتوانیم سازهآهای عظیم بتنی را برپا سازیم.
جهت اطلاع بیشتر در جدول 2 اندازهآهای مختلف فناوری دودکش خورشیدی برای ظرفیتهای مختلف تولید برق ذکر شده است.
نباید از نظر دور داشت که با افزایش قیمت سوختهای فسیلی معادلات به نفع فناوریهای مرتبط با انرژیهای تجدیدآپذیر 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 میآشود که با کارگران ارزان و نسبتاً غیرماهر میآتوان براحتی آن را ساخت.
نتیجهآگیری:
با توجه به اجرایی شدن معاهده زیستآمحیطی کیوتو پس از پیوستن روسیه و عضویت ایران در این معاهده، بنظر میآرسد که باید به دنبال راههایی جهت کاستن از میزان انتشار گازهای گلخانهآای بود.
یکی از بهترین روشها جهت حصول به این هدف، استفاده از انرژیهای تجدیدآپذیر 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. بعلاوه نباید رشد بالای تقاضا برای برق در کشوری مانند ایران را نیز از یاد برد.
در ضمن میآتوان اینگونه طرحها را با استفاده از اعتبارات تعیین شده در معاهده کیوتو که اصطلاحاً CDM
(Clean Development Mechanism)
خوانده میآشوند و حتی اعتبارات دیگر سازمانهای بینآالمللی پیگیری کرد چون بسیاری از سازمانها و کشورها حاضرند جهت استفاده از نتایج و نیز توسعه اینگونه فناوریها،آکمکهایی را به کشورهای داوطلب اعطا کنند
باید توجه داشت که تکنولوژی دودکش خورشیدی در واقع از سه عنصر اصلی تشکیل شده است که اولی جمعآآکننده هوا و عنصر بعدی برج یا همان دودکش و قسمت آخر نیز توربینهای باد آن است و همه عناصر آن برای قرنها است که بصورت شناخته شده درآمدهآاند و ترکیب آنها نیز برای تولید برق در سال 1931 توسط گونتر مورد بحث قرار گرفته است.
در سال 84-1983 نیز نتایج آزمایشات و بحثهای نمونهآای از دودکش خورشیدی که در منطقه مانزانارس در کشور اسپانیا ساخته شده بود، ارایه شد. در سال 1990 شلایش و همکاران در مورد قابل تعمیم بودن نتایج بدست آمده از این نمونه دودکش بحثی را ارایه کردند. در سال 1995 شلایش مجدداً این بحث را مورد بازبینی قرار داد. در ادامه در سال 1997 کریتز طرحی را برای قرار دادن کیسهآهای پر از آب در زیر سقف جمعآآوری کننده حرارت ارایه کرد تا از این طریق انرژی حرارتی ذخیرهآسازی شود. گانون و همکاران در سال 2000 یک تجزیه و تحلیل برای سیکل ترمودینامیکی ارایه کردند و بعلاوه در سال 2003 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 دوربین خورشیدی 200 مگاواتی را منتشر ساختند. در سال 2003 دوز 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 200 مگاوات در مرحله طراحی و اجرا است http://www.enviromission. Com.au. 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 ونهایتاً اینکه دولت این کشور خود را به افزایش استفاده از انرژیهای تجدیدآپذیر ملزم کرده است و از این رو به 9500 گیگاوات ساعت برق در سال از منابع تجدید پذیر جدید نیاز دارد.
اصول کار:
هوا در زیر یک سقف شفاف که تشعشع خورشیدی را عبور میآدهد، گرم میآشود. باید توجه داشت که وجود این سقف و زمین زیر آن بعنوان یک کلکتور یا جمعآکننده خورشیدی عمل میآکند. در وسط این سقف شفاف یک دودکش یا برج عمودی وجود دارد که هوای زیادی از پایین آن وارد میآشود. باید محل اتصال سقف شفاف و این برج بصورتی 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 میآکند. این حرکت باعث ایجاد مکش در پایین برج میآشود تا هوای گرم بیشتری را به درون بکشد و هوای سرد پیرامونی به زیر سقف شفاف وارد شود. برای اینکه بتوان این فناوری را بصورت 24 ساعته مورد استفاده قرارداد میآتوان از لولهآها یا کیسهآهای پرشده از آب در زیر سقف استفاده کرد. این موضوع بسیار ساده انجام میآشود یعنی در طول روز آب حرارت را جذب کرده وگرم میآشود و در طول شب این حرارت را آزاد میآکند. قابل ذکر است که باید این لولهآها 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 میآشود که انرژی حاصل از این مکش توسط چند مرحله توربین تعبیه شده در برج به انرژی مکانیکی تبدیل شده و سپس به برق تبدیل میآشود.
توان خروجی:
به زبان ساده میآتوان توان خروجی برجهای خورشیدی را بصورت حاصلآضرب انرژی خورشیدی ورودی (Qsolar) در راندمان مربوط به جمعآآکننده، برج و توربین بیان کرد:
در ادامه سعی میآشود پارامترهای قابل محاسبه مشخص شوند ودر این راستا باید گفت که Qsolar را میآتوان بصورت حاصلضرب تشعشع افقی (Gh) درمساحت کلکتور (Acoll) نوشت.
در داخل برج جریان گرمایی ناشی از کلکتور به انرژی سینتیک (بصورت کنوکسیون) و انرژی پتانسیل (افت فشار در توربین) تبدیل میآشود. بنابراین متوجه میآشویم که اختلاف دانسیته هوا که ناشی از افزایش دما در کلکتور است، بعنوان یک نیروی محرکه عمل میآکند. هوای سبکتر موجود در برج در قسمت تحتانی و در قسمت فوقانی برج به هوای اطراف متصل است و از این رو باعث ایجاد یک حرکت روبه بالا میآشود. در یک چنین حالتی یک اختلاف فشار بین قسمت پایین برج (خروجی کلکتور) و محیط اطراف ایجاد میآشود که فرمول آن بصورت زیر است:
بر این اساس با افزایش ارتفاع برج، ΔPtot افزایش خواهد یافت.
البته این اختلاف فشار را میآتوان (با فرض قابل صرفنظر کردن اتلافهای اصطکاکی) به اختلاف استاتیک و دینامیک تقسیم کرد:
قابل ذکر است که اختلاف فشار استاتیک در توربین افت میآکند و اختلاف فشار دینامیک بیانگر انرژی سینتیک جریان هوا است.
میآتوان بین توان موجود دراین جریان و اختلاف فشار کل و جریان حجمی هوا وقتی که ΔPs=0، رابطهآای نوشت:
راندمان برج را بصورت زیر بیان میآکنند:
در عمل افت فشار استاتیک ودینامیک ناشی از توربین است. در حالتی که توربین وجود نداشته باشد میآتوان به حداکثر سرعت جریان دست یافت و تمام اختلاف فشار موجود به انرژی سینتیک تبدیل میآشود:
بر اساس تخمین Boussinesq حداکثر سرعت قابل دسترسی برای جریان جابجایی آزاد بصورت زیر است:
که دراین فرمول ΔT همان افزایش دما بین محیط و خروجی کلکتور (ورودی دودکش) است. معادل زیر بیانگر راندمان برج و پارامترهای موثر در آن است:
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 1000 متر اختلاف بین محاسبات دقیق و محاسبه تقریبی ارایه شده، قابل صرفنظر کردن است.
با دقت در معادلات (1)، (2) و (3) میآتوان دریافت که توان خروجی یک دودکش خورشیدی متناسب باسطح 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 میآتوان 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 میآتوان از قاعده سرانگشتی فوق استفاده کرد.
کلکتور:
هوای گرم مورد نیاز برای دودکش خورشیدی توسط پدیده گلخانهآای در یک محوطهآای که با پلاستیک یا شیشه پوشانده شده و حدوداً چند متری از زمین فاصله دارد، ایجاد میآشود. البته با نزدیک شدن به پایه برج، ارتفاع ناحیه پوشانده شده نیز افزایش میآیابد تا تغییر مسیر حرکت جریان هوا بصورت عمودی با کمترین اصطکاک انجام پذیرد. این پوشش باعث میآشود که امواج تشعشع خورشید وارد شده و تشعشعهای با طول موج بالا مجدداً از زمین گرم بازتاب کند. زمین زیر این سقف شیشهآای یا پلاستیکی، گرم شده و حرارت خود را به هوایی که از بیرون وارد این ناحیه شده است و به سمت برج حرکت میآکند، پس میآدهد.
ذخیرهآسازی:
اگر به یک ظرفیت اضافی برای ذخیرهآسازی حرارت نیاز باشد، میآتوان از لولهآهای سیاه رنگ که با آب پر شدهآاند و بر روی زمین در داخل کلکتور قرار داده شدهآآاند، بهره جست. این لولهآها را باید فقط یکبار با آب پر کرده و دو طرف آنها را بست و بنابراین تبخیر نیز رخ نخواهد داد. حجم آب درون لولهآها بنحوی انتخاب میآشود که بسته به توان خروجی نیروگاه لایهآای با ضخامت 20-5 سانتیمتری تشکیل شود.
در شب زمانیآکه هوای داخل کلکتور شروع به سرد شدن میآکند، آب داخل لولهآها نیز حرارت ذخیره شده در طول روز را آزاد میآکند. ذخیره حرارت به کمک آب بسیار موثرتر از ذخیره در خاک به تنهایی است چون همانطور که میآدانید انتقال حرارت بین لوله و آب بسیار بیشتر از انتقال حرارت بین سطح خاک و لایهآهای زیرین است و این از آن بابت است که ظرفیت حرارتی آب پنج برابر ظرفیت حرارتی خاک است.
برج:
برج به خودی خودنقش موتور حرارتی نیروگاه را بازی میآکند 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 میآشود که دمای هوا بین 35-30 درجه سانتیگراد افزایش یابد و این به معنی سرعتی معادل m/sec15 است که باعث حرکت شتابدار هوا نخواهد شد و بنابراین برای انجام عملیات تعمیر و نگهداری میآتوان براحتی وارد آن شد و ریسک سرعت بالای هوا وجود ندارد.
توربینآها:
با بکارگیری توربینها، انرژی موجود در جریان هوا به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل میآشود. توربینهای موجود در دودکش خورشیدی شبیه توربینهای بادی نیستند و بیشتر شبیه توربینهای نیروگاههای برقابی هستند که با استفاده از توربینهای محفظهآدار، فشار استاتیک را به انرژی دورانی تبدیل میآکنند. 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 بهرهآوری بیشتر از انرژی، هدف سیستم کنترل توربین بحداکثر رساندن این حاصلضرب در تمام شرایط عملیاتی است.
مدل آزمایشی:
برای ساخت یک مدل ازمایشی، تحقیقات تئوریک مفصلی انجام شده که آزمایشات تونل باد وسیعی را بهمراه داشت و نهایتاً در سال 1981 منجر به ساخت واحدی با توان تولید 50 کیلووات برق در منطقه مانزانارس (Manzanares) در 150 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، اندازهآگیری 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 ورقهآهای پلاستیکی و نیز شیشهآ مورد توجه قرار گرفتند تا مشخص شود در درازمدت کدامیک از آنها بهتر بوده و صرفه اقتصادی دارد. باید توجه داشت که شیشه میآتواند سالیان سال در مقابل طوفان و باد مقاومت کرده وآسیب نبیند و در مقابل بارانهای فصلی نیز نوعی خاصیت خود تمیز کنندگی بروز میآدهد.
در عوض لایهآهای پلاستیکی را باید درون یک قاب قرار داد و وسط آنها نیز اصطلاحاً به سمت زمین شکم میآدهد. هرچند هزینه اولیه سرمایهآگذاری ورقهآهای پلاستیکی کمتر است ولی در مانزانارس با گذشت زمان این لایهآها شکننده شدند و آسیب دیدند. البته با پیشرفت در ساخت لایهآهای مقاوم در برابر دما و اشعه ماوراء بنفش میآتوان به استفاده از پلاستیکها نیز امیداور بود.
مدل ساخته شده در اسپانیا در سال 1982 تکمیل گشت و هدف اصلی از ساخت آن نیز گردآوری اطلاعات بود. بین اواسط 1986 تا اوایل 1989 این واحد بطور مرتب هر روز مورد استفاده قرار گرفت و برق تولیدی آن نیز به شبکه برق سراسری متصل شد. طی این دوره 32 ماهه این واحد بصورت کاملاً اتوماتیک راهبری شد. در سال 1987 در این منطقه حدود 3067 ساعت با شدت تابش w/m2 150 وجود داشته است.
یکی از مطالب قابل توجه در راهبری این مدل آزمایشی آن بود که اسپانیاییآها در زیر قسمت کلکتور اقدام به کشاورزی کردند تا این امکان را نیز در طرح خود مورد بررسی قرار دهند و اصطلاحاً از زمین بصورت 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 بدست آمده بیانگر آن بوده است که این فناوری از قابلیت کافی جهت استفاده در مقیاسهای بزرگتر را دارا است. بر پایه این نتایج یک سری تحقیقات توسط موسسات و دانشگاههای مختلف انجام شد تا وضعیت آن را شبیه سازی و مدلسازی کند تا بتوان نتایج این سیستم در مقیاس بزرگتر را پیشگویی کرده و قابل بررسی کرد.
تحولات آینده:
همانطور که در ابتدای مقاله اشاره شد در آینده نزدیک قرار است یک نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت 200 مگاوات در استرالیا ساخته شود که ارتفاع برج آن 1000 متر خواهد بود. بر اساس اطلاعات بدست آمده کشور آفریقای جنوبی نیز در نظر دارد با کمک سازمانهای بینآالمللی و نیز نهادهای سازمان ملل متحد یک نیروگاه با برجی به ارتفاع 1500 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 برجهای مرتفع کاری سخت بنظر میآرسد ولی نباید از نظر دور ساخت که برج مرتفع شهر تورنتو کانادا در حال حاضر دارای 600 متر ارتفاع است و ژاپنیها در نظر دارند آسمانخراشهایی با ارتفاع 2000 متر در مناطقی بسازند که امکان زمین لرزه آنها نیز زیاد است و نهایتاً آنکه ساخت برج میلاد در کشورمان ایران نیز تاییدی بر این مدعاست که امروزه ساخت یک چنین سازهآهایی دور از دسترسی نیست و ضمناً ما در ساخت سازهآ سدهای آبی نشان دادهآایم که براحتی میآتوانیم سازهآهای عظیم بتنی را برپا سازیم.
جهت اطلاع بیشتر در جدول 2 اندازهآهای مختلف فناوری دودکش خورشیدی برای ظرفیتهای مختلف تولید برق ذکر شده است.
نباید از نظر دور داشت که با افزایش قیمت سوختهای فسیلی معادلات به نفع فناوریهای مرتبط با انرژیهای تجدیدآپذیر 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 میآشود که با کارگران ارزان و نسبتاً غیرماهر میآتوان براحتی آن را ساخت.
نتیجهآگیری:
با توجه به اجرایی شدن معاهده زیستآمحیطی کیوتو پس از پیوستن روسیه و عضویت ایران در این معاهده، بنظر میآرسد که باید به دنبال راههایی جهت کاستن از میزان انتشار گازهای گلخانهآای بود.
یکی از بهترین روشها جهت حصول به این هدف، استفاده از انرژیهای تجدیدآپذیر 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. بعلاوه نباید رشد بالای تقاضا برای برق در کشوری مانند ایران را نیز از یاد برد.
در ضمن میآتوان اینگونه طرحها را با استفاده از اعتبارات تعیین شده در معاهده کیوتو که اصطلاحاً CDM
(Clean Development Mechanism)
خوانده میآشوند و حتی اعتبارات دیگر سازمانهای بینآالمللی پیگیری کرد چون بسیاری از سازمانها و کشورها حاضرند جهت استفاده از نتایج و نیز توسعه اینگونه فناوریها،آکمکهایی را به کشورهای داوطلب اعطا کنند
