بخشی از مقاله
تولید همزمان توان و آب شیرین در دودکش خورشیدي
چکیده
در این مقاله مدل ترکیبی جدیدي از دودکش خورشیدي و آب شیرین کن جهت تولید همزمان توان و آب شیرین معرفی شده است .دودکش خورشیدي از یک کلکتور(جمع کننده هوا) و دودکشی که در مرکز آن قرار دارد، وتوربینی که در پایه دودکش قرار دارد، تشکیل شده است. با استفاده از دو پدیده گلخانه ایی و دودکشی ، باعث جریان هوا و به حرکت در آمدن توربین می شود. تولید آب شیرین در این مدل، بر مبناي گرمایش هوا ، رطوبت زنی هوا و رطوبت گیري از آن انجام می شود. این فرایند بسیار شبیه به فرایند آب شیرین کن هاي خد1 با سیکل باز و گرمایش هوا می باشد. مدل ترکیبی دودکش خورشیدي از کلکتور، بخش رطوبت زنی، توربین، دودکش، بخش رطوبت گیري تشکیل شده است. تمام انرژي مورد نیاز این مدل از انرژي خورشیدي می باشد و با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران بسیار مناسب جهت استفاده است. در این مقاله رطوبت زنی بعد از عبور هوا از کلکتور، قبل و بعد از توربین مورد بررسی قرار گرفته است . در ادامه نتایج بدست آمده از شبیه سازي کامپیوتري، تولید توان و آب شیرین، براي دودکش خورشیدي با مساحت کلکتور4600
متر مربع و ارتفاع دودکش 194.6 متر ارایه می شود.
واژههاي کلیدي: دودکش خورشیدي، آب شیرین کن، تولید توان، رطوبت زنی، رطوبت گیري
-1 مقدمه
تولید الکتریسیته و آب شیرین همواره دو موضوع مورد توجه بشر بوده است. با توجه به اینکه تولید الکتریسیته با استفاده از سوخت هاي فسیلی موجب انتشار آلایندگی ها در اتمسفر واثرات گلخانه ایی می شود، جایگزینی انرژي هاي تجدید پذیر می تواند در راه حل مناسبی جهت کاهش اثرات مخرب آن باشد.
با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران، شدت تابش انرژي خورشیدي در بسیاري از مناطق کشور بسیار مناسب می باشد و استفاده از انرزي خورشیدي می تواند گزینه مناسبی باشد. از طرفی ساکنین بسیاري از مناطق بیابانی دجار کمبود منابع آب شیرین می باشند. ساخت واحدي جهت تولید توان و آب شیرین در این مناطق می تواند طرحی مناسب و اقتصادي باشد.
دودکش خورشیدي، بعنوان تکنولوژي ساده جهت تولید توان در مقیاس بزرگ و کوجک، سال ها مورد توجه بشر بوده است. دودکش خورشیدي از سه عنصر اصلی کلکتور، دودکش و توربین تشکیل شده است. کلکتور در واقع مجموعه، یک پوشش پلاستیکی و یا شیشه ایی مدورکه در چند متري سطح زمین نصب شده است و زمین، می باشد. دودکش بصورت عمودي در مرکز این سطح قرار دارد . هوا با عبور از زیر سطح پلاستیکی گرم می شودو به سمت بالا حرکت می کند. دودکش با ایجاد مکش باعث به جریان درآمدن هوا می شود. جریان هوا در مسیر خود باعث به حرکت در آمدن توربینی می شود که در پایه دودکش قرار دارد و انرژي جنبشی هوا به انرژي مکانیکی و سپس الکتریسیته تبدیل می شود. توان تولید شده در دودکش خورشیدي به افزایش دماي هوا در کلکتور بستگی دارد. طرح شماتیکی از دودکش خورشیدي در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 طرح شماتیک دودکش خورشیدي
دودکش خورشیدي اولین بار توسط پروفسوراشلایش (لاططهئلاطح حپ) در سال 1968 معرفی شد.[1] اولین بار مدلی از دودکش خورشیدي با ظرفیت 50 کیلووات در مانزارانس اسپایا ساخته شد و به مدت 8 سال مورد بهره برداري قرار گرفت. این مدل
دودکشی به ارتفاع 194.6 متر و کلکتوري به مساحت 4500متر مربع دارد.[2] از آن پس تحقیقات بسیاري در مورد ساخت دودکش خورشیدي در مقیاس هاي بزرگ وتجاري انجام گرفته است. دودکش خورشیدي بازده بسیار پایینی دارد ولی با توجه به ساخت ساده و پایین بودن هزینه نگهداري و عمر طولانی، بسیار اقتصادي است. همچنین از فضاي زیر سقف کلکتور می توان بعنوان گلخانه و محلی براي کاشت محصولات کشاورزي ، استفاده نمود.
آب شیرین کن هاي خد، روش نسبتا جدیدي جهت تولید آب شیرین با ظرفیت کم می باشند. تا کنون چندین پایلوت در کشورهاي اردن[3]، مالزي[4] و تونس [5]ساخته شده است وتحقیقاتی براي بهبود عملکرد و راندمان آن انجام شده است.
در ایران نیز پروژه اي جهت ساخت واحد آزمایشگاهی آب شیرین کن خورشیدي خد در حال اجرا می باشد.[6]
فرایند خد براساس این اصل استوار است که هواي گرم قابلیت حمل میزان قابل توجهی بخارآب را دارا است. انرژي مورد نیاز در این واحد می تواند بطور کامل با انرزي خورشید تامین شود. آب شیرین کن هاي خد براساس نحوه استفاده از منبع حرارتی به دو دسته کل واحدخد با گرمایش آب و گرمایش هوا تقسیم می شود. در شکل 2 نماي کلی از واحد خد با گرمایش هوا نشان داده شده است.
شکل-2 فرایند آب شیرین کن خورشیدي خد با گرمایش هوا
تاکنون چندین طرح براي ترکیب دودکش خورشیدي و آب شیرین کن ها معرفی شده است. در سال 2006 ، ترکیب دودکش خورشیدي با سیکلون جهت جمع آوري رطوبت موجود در اتمسفر، معرفی شد.[7] در سال 2010 نیز،طرحی معرفی شد که با استفاده از قرار دادن سقف کلکتور برروي سطح استخر بزرگی، هواي درجریان مرطوب شده و سپس در کندانسور رطوبت آن گرفته شود.[8] در این طرح احتیلج به استخر بسیار بزرگ و همچنین کلکتور با مساحت بالا نیاز است تا دماي هوا به مقدار مطلوبی بالا رود. ساخت این استخر بسیار هزینه بر و زمان بر خواهد بود. در طرح دیگري در سال 2011، ایده ترکیب دودکش با آب شیرین کن هاي خورشیدي داده شد.[9]
آب شیرین کن هاي خد ،بدلیل اینکه به دماي بالایی نیاز ندارند می توانند به خوبی با دودکش خورشیدي ترکیب شوند. در این مدل نیاز به ساخت استخر و یا تعداد زیادي آب شیرین کن خورشیدي نمی باشد و همچنین از فضاي زیر سقف کلکتور با توجه به در دسترس بودن آب شیرین می توان بعنوان گلخانه استفاده نمود.. رطوبت زنی در این مدل قبل و بعد از توربین مورد بررسی قرار می گیرد . شکل 3 دو طرح مورد بررسی در این مقاله را نشان می دهد. در مدل ترکیبی معرفی شده،
هوا پس از عبور از کلکتور گرم شده و توانایی جذب رطوبت در آن افزایش می یابد.و بعد از عبور از بخش رطوبت زنی و توربین در دودکش بالا می رود و سپس در بخش رطوبت زدایی یا کندانسور رطوبت آن گرفته می شود.
رطوبت زنی به هوا در این مدل باعث کاهش دماي هوا می گردد. این موضوع از عوامل محدود کننده در میزان رطوبت زنی به هوااست. دماي هوا در دودکش خورشیدي بعد از عبور از توربین افت خواهد داشت، به همین دلیل اگر رطوبت زنی بعد از توربین انجام شود، قابلیت جذب رطوبت کاهش خواهد یافت. از طرفی عبور هواي مرطوب برروي پره هاي توربین تاثیرات نامطلوبی می تواند داشته باشد، که براي جلوگیري از بروز مشکل باید از توربین هایی باپره هاي مقاوم در برابر رطوبت استفاده شود.رطوبت زنی پس از توربین این مزیت را دارد که هواي خشک از روي توربین عبور می کند و همچنین تمام افزایش دما در کلکتور صرف تولید توان خواهد شد. عیب این مورد در پاشش آب جذب نشده توسط هوا برروي توربین است.
شکل -3 مدل ترکیبی دودکش خورشیدي الف- رطوبت زنی بعد از توربین ب- رطوبت زنی پس از توربین
در دودکش خورشیدي می توان از یک یا چند توربین عمود محورو یا افق محور استفاده نمود. انتخاب مدل توربین و محل قرارگیري آن، باطراحی و سایز دودکش تغییر کند. هنگامی که رطوبت زنی پس از توربین انجام می شود جهت جلوگیري از پاشش آب برروي توربین می توان از توربین هاي افق محور، در دهانه ورود به دودکش استفاده نمود.
از عوامل تاثیر گذار برروي عملکرد دودکش شرایط محیطی می باشد. دراین مقاله فشار هوا 101325 پاسکال و دماي محیط20 درجه سانتی گراد در سطح زمین در نظرگرفته شده است.
-2 عملکرد سیستم ترکیبی
در این بخش عملکرد دودکش خورشیدي و همچنین مدل ترکیبی آن بررسی می شود و روابط حاکم براین دو مدل ارایه می شود
در این مقاله محاسبات براي دودکشی با شعاع کلکتور 120 متر، ارتفاع دودکش 194.6 ، قطر دودکش 10.8 متـر انجـام می شود. جنس سقف کلکتور از شیشه در نظر گرفته شده است .شدت اشعه خورشید نیز 800 در نظر گرفته شده است.
