مقاله دودکش خورشیدی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

دودکش خورشيدي
چکيده:
اساساً اگر بخواهيم انرژيهاي تجديدپذير از کاربرد وسيعي برخوردار شوند بايد که تکنولوژيهاي ارائه شده ساده و قابل اعتماد بوده و براي کشورهاي کمتر توسعه يافته نيز مشکلات فني به همراه نداشته باشد و بتوان از منابع محدود مواد خام آنها نيز استفاده کرد. در مرحله بعدي نيز بايد به آب زياد نياز نداشته باشد. در همين جا بايد گفت که تکنولوژي دودکش خورشيدي داراي اين شرايط است . بررسيهاي اقتصادي نشان داده است که اگر اين نيروگاهها در مقياس بزرگ (بزرگتر يا مساوي ١٠٠ مگاوات) ساخته شوند، قيمت برق توليدي آنها قابل مقايسه با برق نيروگاههاي متداول است . در اين مقاله به بررسي تکنولوژي دودکش خورشيدي و روابط حاکم بر آن پرداخته مي شود.
کلمات کليدي: انرژي تجديدپذير، دودکش خورشيدي، نيروگاه، کاهش مصرف انرژي

مقدمه :
در حال حاضر در استراليا طرح نيروگاه دودکش خورشيدي با ظرفيت ٢٠٠ مگاوات در مرحله طراحي و اجرا است ، بايد گفت که استراليا مکان مناسبي براي اين فناوري است چون شدت تابش خورشيد در اين کشور زياد است . در ثاني زمين هاي صاف و بدون پستي و بلندي در آن زياد است و ديگر اين که تقاضا براي برق از رشد بالايي برخوردار است و نهايتاً اين که دولت اين کشور خود را به افزايش استفاده از انرژيهاي تجديدپذير ملزم کرده است و از اين رو به ٩٥٠٠ گيگاوات ساعت برق در سال از منابع تجديد پذير جديد نياز دارد.
اصول کار دودکش خورشيدي
دودکش خورشيدي از سه قسمت اصلي و يک قسمت جانبي تشکيل شده است .
قسمت هاي اصلي شامل :
 دودکش
 کلکتور
 توربين
و قسمت جانبي که همان سيستم ذخيره سازي يا تيوبهاي آب ١ ميباشند.
هوا در زير يک سقف شفاف که پرتوهاي خورشيدي را عبور ميدهد، گرم ميشود. بايد توجه داشت که وجود اين سقف و زمين زير آن به عنوان يک کلکتور يا جمع کننده پرتوهاي خورشيدي عمل ميکند. در وسط اين سقف شفاف يک دودکش عمودي وجود دارد که هواي زيادي از پايين آن وارد ميشود. بايد محل اتصال سقف شفاف و اين دودکش به صورتي باشد که منفذي نداشته باشد و اصطلاحاً «هوا بند» شده باشد. بر همگان روشن است که هواي گرم چون سبک تر از هواي سرد است به سمت بالاي دودکش حرکت ميکند. اين حرکت باعث ايجاد مکش در پايين دودکش ميشود تا هواي گرم بيشتري را به درون بکشد و هواي سرد پيراموني به زير سقف شفاف وارد شود. براي اين که بتوان اين فناوري را به صورت ٢٤ ساعته مورد استفاده قرارداد ميتوان از لوله ها يا کيسه هاي پرشده از آب در زير سقف استفاده کرد. اين موضوع بسيار ساده انجام ميشود يعني در طول روز آب حرارت را جذب کرده و گرم ميشود و در طول شب اين حرارت را آزاد ميکند. قابل ذکر است که بايد اين لوله ها را فقط براي يک بار با آب پر کرده و به آب اضافي نيازي نيست . بنابراين اساس کار بدين صورت است که تشعشع خورشيدي در اين دودکش باعث ايجاد يک مکش به سمت بالا ميشود که انرژي حاصل از اين مکش توسط چند مرحله توربين تعبيه شده در دودکش به انرژي مکانيکي تبديل شده و سپس به برق تبديل ميشود.

طبق شکل ٢-١ هوا با دماي پايين از قسمت ورودي کلکتورها وارد فضاي زيرين سقف شيشه اي ميشود، در همين حال فضاي زيرين کلکتورها به دليل جذب حرارت گرم شده است بنابراين حرارت به هواي ورودي منتقل شده، دماي هوا بالا ميرود و از آن جايي که هواي گرم سبک است به علت اختلاف دانسيسته تمايل به بالا رفتن دارد بنابراين هوا راهي نداشته مگر اين که از داخل دودکش با فشار زياد خارج شود، در حين انجام اين عمل سرعت کافي جهت چرخش توربين ها فراهم ميشود.
توان خروجي
به زبان ساده ميتوان توان خروجي دودکش خورشيدي را به صورت حاصل ضرب انرژي خورشيدي ورودي (Q.solar) در راندمان مربوط به جمع کننده، دودکش و توربين بيان کرد :

طبق رابطه (٢-١) P مربوط به توان خروجي دودکش خورشيدي، ηcoll مربوط به راندمان کلکتور، ηTower مربوط به راندمان دودکش ، ηTurbine مربوط به راندمان توربين و ηSolar مربوط به راندمان خورشيدي ميباشد. بديهي است که هر چه نوع کلکتور، توربين ها و دودکش مرغوبتر و با کارايي بيشتر باشد توان خروجي نيز به طبع بالاتر خواهد بود و اين امر باعث ميشود که حتي با ورود انرژي خورشيدي ناچيز به سيستم ، سيستم داراي کارايي بالايي باشد و برق توليدي در حد معقولي حاصل شود.
در ادامه سعي ميشود پارامترهاي قابل محاسبه مشخص شوند و در اين راستا بايد گفت که توان خروجي دودکش خورشيدي (Q.solar) را ميتوان به صورت حاصل ضرب تشعشع افقي (Gn) درمساحت کلکتور ( Acoll ) نوشت .

از رابطه (٢-٢) در صورتي که ضريب تشعشع افقي را ثابت در نظر بگيريم ، اين امر مشخص ميشود که هر چه مساحت کلکتور و همچنين سطحي که تشعشع را جذب مينمايد بيشتر باشد انرژي ورودي خورشيدي نيز بيشتر خواهد بود.
در داخل دودکش جريان گرمايي ناشي از کلکتور به انرژي سينتيک (به صورت کنوکسيون) و انرژي پتانسيل (افت فشار در توربين ) تبديل ميشود. بنابراين متوجه ميشويم که اختلاف دانسيته هوا که ناشي از افزايش دما در کلکتور است ، به عنوان يک نيروي محرکه عمل ميکند. هواي سبک تر موجود در دودکش در قسمت تحتاني و در قسمت فوقاني دودکش به هواي اطراف متصل است و از اين رو باعث ايجاد يک حرکت روبه بالا ميشود. در يک چنين حالتي يک اختلاف فشار بين قسمت پايين دودکش (خروجي کلکتور) و محيط اطراف ايجاد ميشود که فرمول آن به صورت زير است :

بر اساس رابطه (٢-٣) با افزايش ارتفاع دودکش Htower، اختلاف فشار کلي (ΔPTot ) افزايش خواهد يافت و با افزايش فشار، سرعت نيز تحت تأثير خواهد گرفت و بر روي توان خروجي تأثير مثبتي خواهد داشت . در اين رابطه Pa معرف فشار هواي ورودي، PTower مربوط به توان دودکش خورشيدي و g معرف نيروي جاذبه و برابر ٩.٨١ ميباشد.
البته اين اختلاف فشار را ميتوان (با فرض قابل صرفه نظر کردن اتلافهاي اصطکاکي) به اختلاف استاتيک و ديناميک تقسيم کرد :

قابل ذکر است که اختلاف فشار استاتيک Ps∆ در توربين افت ميکند و اختلاف فشار ديناميک Pd∆ بيانگر انرژي سينتيک جريان هوا است . ميتوان بين توان موجود در اين جريان و اختلاف فشار کل PTot∆ و جريان حجمي هوا VTower.Max وقتي که ٠=ΔPs ، رابطه اي نوشت :