بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
امکان سنجی بهینه سازی یک نمونه نیروگاه دودکش خورشیدی
چکيده
دودکش خورشيدي ساخته شده در شهر کرمـان يـک نيروگـاه الکتريکـي در مقياس کوچک است . دودکش اين نيروگاه ٦٠ متر ارتفاع و ٣ متر قطـر دارد و کلکتور آن مربعي و به ضلع ٤٠ متر ميباشد. براي رسيدن به توان نـامي ايـن نيروگاه ، به بررسي پارامترهاي مؤثر در بهينه سازي آن پرداخته شده است . در اين راستا پيشنهاداتي بـراي حـداکثر اسـتفاده از انـرژي خورشـيدي و انـرژي جنبشي، ارائه و بررسي شده است که از ميان آنها، پيشنهاداتي که اثر مثبت و قابل توجه در افزايش توان خروجي دارند، به عنوان راهکارهاي عملي شناخته ميشوند. محاسبه توان ماکزيمم نيز از اهداف اين پروژه ميباشد.
واژه هاي کليدي: دودکش خورشيدي، کلکتور، انتقال حرارت جابجايي
مقدمه
در حال حاضر بيش از ٨١ درصد کل انرژي مصرفي در ايران را سوختهاي فسيلي تأمين مي کنند که علاوه بر پايان پذير بودن آنها، باعث توليد گازهاي سمي، بارش باران هاي اسيدي و آلودگي محيط زيست و اثرات گلخانه اي ميگردد. لذا استفاده از انرژي خورشيدي که منبعي لايزال و سازگار با محيط زيست است ، ضروري به نظر ميرسد.
نيروگاه دودکش خورشيدي يک روش جديد براي توليد انرژي الکتريکي است که در ٢٠ ساله اخير گسترش يافته است . نيروگاهي بدون تکنولوژي پيچيده و در نهايت سادگي و با مواد اوليه ساده ، که احداث آن از عهده عمده کشورهاي جهان سوم برمي آيد. اجراي اين نيروگاهها احتياج به سطح وسيعي دارد که براي کشورهايي که سرزمينهاي بياباني دارند، مناسب ميباشد. اين نيروگاه اولين بار توسط پروفسور اشلايش در سال ١٩٧٠ مطرح و در سال ١٩٧٨ يک نمونه آزمايشي در مانزنارس اسپانيا ساخته شد. دودکش اين نيروگاه ٢٠٠ متر ارتفاع و ١٠ متر، قطر داشت و شعاع کلکتور آن ١٢٢ متر بود. بررسيهاي اوليه اين نيروگاه ٥٠ کيلو واتي توسط هاف ارائه شد. [١]
در يک بررسي که توسط پاسومارتي و شريف در خصوص عملکرد يک نمونه مدل آزمايشي انجام شده است ، ابتدا يک مدل رياضي براي مطالعه اثر پارامترهاي مختلف ارائه شده است و نتايج محاسبات با نتايج تجربي و مدل آزمايشگاهي مقايسه شده که تطابق خوبي ديده شده است .[٢]
نيروگاه دودکش خورشيدي مثل يک نيروگاه هيدروالکتريکي عمل ميکند که به جاي آب از هواي گرم استفاده ميکند. اين نيروگاه از اشعه دريافتي از خورشيد براي افزايش انرژي دروني هوايي که در سيستم جريان دارد استفاده ميکند، تا انرژي خورشيدي را به انرژي جنبشي تبديل کرده و انرژي جنبشي نيز بوسيلۀ توربين به انرژي الکتريکي تبديل شود.
تئوري اساسي دودکش خورشيدي
يک دودکش خورشيدي سه بخش عمده دارد: ١- کلکتور خورشيدي ٢- دودکش ٣-توربين .
محرک اوليه نيروگاه ، اختلاف دما ( که سبب اختلاف چگالي ميشود) ميان دماي محيط و دماي داخل دودکش است . دودکش مانند يک موتور گرمايي در نيروگاه دودکش خورشيدي است که جريان گرم توليد شده بوسيلۀ کلکتور را به جريان جابجايي( انرژي جنبشي) و افت فشار توربين ( انرژي پتانسيل ) تبديل ميکند. بدين گونه که اختلاف چگالي هوا که توسط افزايش دما ايجاد مي شود به عنوان نيروي راننده عمل مي کند.[٣]
نيروي بالابري از اين وضعيت ناشي ميشود که هواي گرم سبکتر از هواي سرد است . يعني يک اختلاف فشار کلي ميان خروجي کلکتور (پايه دودکش ) و محيط بيرون بوجود مي آيد.
کلکتور، چند متر بالاي سطح زمين تکيه داده ميشود و بوسيلۀ شيشۀ شفاف پوشيده ميشود و کار اصلي آن اين است که اشـعه خورشـيدي را بـراي گـرم کردن هواي داخل آن جمع ميکند و نيروي شناوري، هواي گرم را بـه داخـل دودکش که در وسط کلکتور قرار دارد، ميراند. توربين نيز در مـسير جريـان هوا نصب شده که انرژي الکتريکي توليد مي کند.[٣]
سقف کلکتور از ماده اي است که اشعه خورشيد با طـول مـوج هـايي کوتـاه را عبور ميدهد و اشعه گرمايي با طول موج بلند را منعکس ميکنـد. يـک مـاده نيمه شفاف شبيه شيشه ، که نسبت به طول موجهاي بلند غير قابل نفوذ باشد.
ارتفاع دودکش و ميزان ميانگين اختلاف چگالي درون و بيرون دودکش ، بزرگي نيروي هيدرواستاتيکي آنرا مشخص ميکند. اختلاف فشار کلي ميتواند به اختلاف فشار استاتيکي و ديناميکي تقسيم شود ( البته با صرفنظر از افت اصطکاکي ).
اختلاف فشار استاتيکي در توربين افت ميکند و اختلاف فشار ديناميکي به عنوان انرژي جنبشي و ايجاد شتاب در حرکت هوا توصيف مي شود.[٣]
با استفاده از معادله ممنتوم و استفاده از معادله (١) داريم :
و در نهايت با در نظر گرفتن فرايند فشار ثابت در کلکتور و استفاده از مقدار ميانگين معادله (١) فرمول سرعت در داخل دودکش برابر است با:
ي به انرژي مکانيکي در نظر گرفته شده است . که عبارتند از ١-بازدهي در تبديل ميزان تابش خورشيدي به انرژي گرمايي . ٢- نسبت قدرت جريان هوا به قدرت حرارتي ٣- بازدهي تبديل قدرت جريان هوا به قدرت محوري توربين .
در سال ١٩٧٦ مؤسسه بين المللي استاندارد اتمسفر آمريکـا نمـودار تغييـرات فشار و حجم مخصوص بر حسب ارتفاع از سطح دريا را طبق شکل ارائه کرد.
طبق نمودار خط OA براي جو استاندارد اتمسفر، و خط O'C بـراي هـواي جو در دماي ٤٥ درجه سلسيوس بيان شده است . طبق نمودار، افزايش دمـاي جو باعث ايجاد انرژي قابل دسترس نسبت به شـرايط محـيط مـي شـود. کـه تمامي اين انرژي ناشي از عدم تعادل با محيط ، قابليت تبـديل بـه سـرعت در دودکش را دارد.
البته از روي نمودار واضح است که اين انرژي قابل دسترس با افـزايش ارتفـاع دودکش نيز، زياد مي شود که افزايش ارتفاع با محدوديتهاي ساخت و عوامـل ديگري روبرو است .
براي بدست آوردن ماکزيمم کار خروجـي از هـواي گـرم کلکتـور کـه همـان اگزرژي يا رسيدن تا تعادل به محيط ميباشد، ميتوان از فرمول زير اسـتفاده کرد.
اين مطلب در نمودار h-s مولير بيان شده است . اين نمودار مـيتوانـد فراينـد ترموديناميکي هواي خروجي از کلکتور تا رسيدن آن بـه شـرايط محـيط کـه همان رسيدن هوا به تعادل مکـانيکي و گرمـايي اسـت تـشريح کنـد. در ايـن نمودار c حالت هواي خروجي کلکتور بوده و o تعادل گرمايي و مکانيکي هوا با محيط را بيان مي کند.
طبق نمودار، نقطه O''' جايي است که هواي خروجي کلکتور به فشار محيط رسيده و در نتيجه در تعادل مکانيکي با محيط بيرون است ، اما هنوز به تعادل گرمايي نرسيده است . در واقع نقطه O''' هواي دودکش در لحظه خروج را نشان ميدهد. اما Co''' ماکزيمم کار قابل دسترس يا اگزرژي است . فرآيند O'''O يک فرآيند فشار محيط ثابت همراه با انتقال حرارت ، و فرآيند O''O يک فرآيند دماي محيط ثابت ميباشد. اگر ما فرآيند O'''O'' را در يک سيکل در نظر بگيريم فقط از ميتوان کار گرفت که در اين صورت کار خروجي برابر ''hc−ho خواهد بود. اما بخاطر نوع فرآيند در بالاي دودکش ، که يک فرآيند تخليه است فقط قسمتي از اگزرژي قابل تبديل به کار ميباشد. چرا که در فرآيند تخليه هر چند تعادل مکانيکي وجود دارد اما از ناتعادلي گرمايي نيز نميتوان کار مفيد بدست آورد و تمامي اين گرما به هدر مي رود.
حال با توجه به شکل بالا و طبق قانون اول ترموديناميک در ميدان گرانش براي فرايند آدياباتيک Co''' کار مفيد خروجي برابر است با:
طبق فرمول (٥) حداکثر انرژي قابل دسترس برابر سـطحي از نمـودار شـکل است که مابين سطح زمين و ارتفاع سر دودکش ميباشد. [١٠] براي مثال در کرمان که ارتفاع آن از سطح دريا ١٧٠٠ متر است ، محدوده انتگرال بـالا بايـد از ١٧٠٠ تا ارتفاع سر دودکش محاسبه شود.
مدلسازي و الگوريتم حل
مدلسازي گرمايي کلکتور بدين صورت است که از کف زمين تا جريان هواي بالاي کلکتور بصورت مقاومتهاي گرمايي مدلسازي شده اند. به علت گراديـان شديد دما در راستاي ارتفاع کلکتور، جريان سيال در اين راستا را به پنج گـره مساوي تقسيم بندي کرده ، و براي هر گره يک حجم کنتـرل ديفرانـسيلي در نظر گرفته و براي هر گره معادله تعادل انرژي را مي نويسيم .
مطابق شکل بالا براي حجم کنترل ديفرانسيلي ميتوان نوشت :
و در نهايت حرارت مفيد منتقل شده به سيال که باعث حرکت آن ميشود برابر است با:
حال سطح زمين را نيز به عنوان يک جسم نيمه بينهايت که مي تواند در خود انرژي ذخيره کند در نظر ميگيريم .
در هر مقطع با محاسبه سرعت و رينولدز، ضرايب انتقال حرارت جابجايي و نيز با داشتن دماهاي کف و سقف ، ضرايب انتقال حرارت تشعشعي محاسبه مي شود.
اما الگوريتم بکار گرفته شده براي حل معادله انرژي در داخل کلکتور بدين شرح مي باشد:
دماي محيط بصورت دماي ورودي به حجم کنترل ديفرانسيلي وارد شده و دماي مياني اين حجم کنترل به عنوان دماي سيال بر حسب دماي ورودي نوشته شده و با نوشتن معادله تعادل گرمايي براي تمامي گره ها و تشکيل ماتريس آن و حل آن به روش حل دستگاه معادله غير خطي نيوتن ، تمامي دماهاي مجهول محاسبه و در مرحله بعدي با محاسبه اختلاف دماي سيال ، دماي ورودي جديد حجم ديفرانسيلي مشخص و بدين ترتيب دوباره مراحل قبلي تکرار شده تا دماي نهايي در زير دودکش محاسبه شود. تمامي اين محاسبات براي يک دبي ورودي، انجام شده و پس از محاسبه اختلاف دماي نهايي، سرعت جديد توسط اختلاف فشار دودکش ، ناشي از اختلاف دما، محاسبه و با تکرار، جوابها به يک سرعت خاص همگرا مي شود.
براي محاسبه ضرايب انتقال حرارت فرمولهاي زير بکار برده ميشود.
ضريب انتقال حرارت جريان باد روي شيشه و ضريب انتقال حرارت تشعشعي بين شيشه و آسمان مطابق روابط زير ميباشند:
ضريب انتقال حرارت به زمين برابر است با:
که در اين فرمول زمين به عنوان يک جذب کننده که از زمـان شـروع تـابش خورشيد شروع به جذب انرژي و انتقال گرما به سيال ميکند، در نظر گرفتـه ميشود. براي محاسبه ضريب انتقال حرارت جابجايي در داخل کلکتور مقـدار ناسلت را براي جريان اجباري محاسبه ميکنيم .
براي جريان جابجايي آزاد نيز:
بهينه سازي دودکش خورشيدي
بهينه سازي دودکش خورشيدي در غالب ارائه طرحهايي در راستاي افـزايش توان خروجي تعريف ميشود. عوامل مؤثر و قابل بررسي عبارتند از: بررسي اثر استفاده از گايد يا پره ساکن قبل از پره هاي متحرک توربين ، اثر استفاده از چند توربين کنار هم به جاي يک توربين در دودکش ، افزايش تعداد پره هاي يک توربين در ميزان توان خروجي، طرح عايق کاري ديواره دودکش و محاسبه ميزان هدر رفتن انرژي از آن ، تأثير افت فشار ناشي از انحراف هواي افقي به هواي عمودي، ميزان تأثير افت اصطکاکي ديواره دودکش در سرعت و توان خروجي، افزايش رطوبت نسبي در کلکتور و اثر آن در مقدار انرژي قابل دسترس ، استفاده از سقف کلکتور با شيشه دو جداره و مقايسه آن با شيشه تک جداره ، اثر ارتفاع کلکتور و اثر وجود جريان آزاد يا اجباري در آن ، اثر شعاع کلکتور در ميزان اختلاف دما، اثر جنس کف کلکتور در ميزان اختلاف دماي سيال ، اثر ايجاد گلوگاه در دودکش ونصب توربين در آن مقطع ، که از طرحهاي موجود طرحهايي که اثر مثبت در ميزان توان خروجي دارند، به عنوان راهکارهاي علمي شناخته ميشوند.
بحث و بررسي نتايج
در اين پروژه ، که تنها عامل ايجاد سرعت و اختلاف فشار در دودکش ، فقط اختلاف دما با محيط بيرون مي باشد. بنابراين کلکتور به عنوان يکي از مهمترين اعضاي دودکش خورشيدي مدلسازي و به طور کامل تحليل عددي ميشود تا افزايش دماي واقعي سيال محاسبه شود. پروفيل دماي کف و سقف کلکتور و پروفيل دماي سيال به صورت زير است .
براي بررسي اثر شيشه دو جداره ، با اضافه کردن کردن يک مقاومت تشعشعي به مجموعه مقاومتها ميتوان از تلفات حرارتي به محيط بيرون بطور قابل ملاحظه اي جلوگيري کرد. مطابق شکل ٥ اين اثر باعث افزايش دماي سيال به ميزان ١٤ درصد نسبت به شيشه يک جداره مي شود.
اما براي بررسي اثر جريان آزاد يا اجباري در کلکتور، بايد به ميزان سرعت جريان در کلکتور توجه کرد. که اين امر مستقيما به ارتفاع کلکتور مربوط مي شود. افزايش ارتفاع کلکتور باعث مي شود که براي يک دبي ثابت ، هوا براي مدت زمان بيشتري زير کلکتور ميماند که باعث افزايش انتقال حرارت به آن ميشود. اما ميدانيم که انتقال حرارت به سيال از طريق جابجايي از روي يک سطح داغ صورت ميگيرد که هر چه سرعت جريان بيشتر باشد و يا به عبارتي ديگر براي جريان جابجايي اجباري، ضريب انتقال حرارت جابجايي بيشتر و با ملاحظه شيشه دو جداره ، ضريب انتقال حرارت شيشه يا همان تلفات نيز کم مي باشد. بنابراين براي شيشه دو جداره ، کاهش ارتفاع کلکتور به طور قابل ملاحظه اي باعث افزايش انتقال حرارت به سيال مي شود. ضمن اينکه با انتخاب قطر مناسب براي کلکتور ميتوان مدت زمان ماندگاري هوا در زير کلکتور را تنظيم کرد
