تولید برق بدون صرف انرژی

نگاهی به مزیت های اقتصادی و زیست محیطی دودکش های خورشیدی

اساساً اگر بخواهید انرژی‌های تجدیدپذیر از کاربرد وسیعی برخوردار شوند، باید تکنولوژی‌های ارائه‌شده ساده و قابل اعتماد بوده و برای کشورهای کمترتوسعه‌یافته نیز مشکلات فنی نداشته و قابل پیاده‌سازی باشد. در مرحله بعدی نیز نباید به آب زیاد نیاز داشته باشد. در همین جا باید گفت تکنولوژی دودکش دارای این شرط است. بررسی‌های اقتصادی نشان داده است اگر این نیروگاه‌ها در مقیاس بزرگ (بزرگ‌تر یا مساوی ۱۰۰ مگاوات) ساخته شوند، قیمت برق تولیدی آنها قابل مقایسه با برق نیروگاه‌های متداول کنونی است. این موضوع کافی است که بتوان انرژی خورشیدی را در مقیاس‌های بزرگ نیز به خدمت گرفت. لذا دودکش‌های خورشیدی می‌توانند در زمینه تولید برق برای مناطق پرآفتاب نقش مهمی ایفا کنند. نیروگاه دودکش خورشیدی عبارت است از یک برج توخالی که در آن در اثر اختلاف دانسیته، هوا از پایین به سمت بالا در حرکت است و این حرکت هوا باعث چرخاندن پره توربین‌هایی می‌شود که در داخل این برج تعبیه شده و برق تولید می‌شود. به این برج‌ها «دودکش خورشیدی» یا «شومینه خورشیدی» گفته می‌شود.

باید توجه داشت 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 بادی آن است. بحث استفاده از دودکش خورشیدی برای تولید برق در سال ۱۹۳۱ توسط «گونتر» مورد بحث قرار گرفته است. بعدها در سال ۱۹۸۴- ۱۹۸۳ نیز نتایج آزمایش‌ها و بحث‌های تئوریک نمونه‌ای از دودکش خورشیدی که در منطقه مانزانارس در کشور اسپانیا ساخته شده بود، ارائه شد. در سال ۱۹۹۰ «اشلایش» و همکاران در مورد قابل تعمیم بودن نتایج به دست‌آمده از این نمونه دودکش بحثی را ارائه کردند. در سال ۱۹۹۵ «اشلایش» 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 جمع‌آور‌ی‌کننده حرارت ارائه کرد تا از این طریق انرژی حرارتی ذخیره‌سازی شود. «گانون» و همکاران در سال ۲۰۰۰ تجزیه و تحلیلی را برای سیکل ترمودینامیکی ارائه کردند و به علاوه 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 دودکش خورشیدی ۲۰۰ مگاواتی را منتشر ساختند. در سال ۲۰۰۳ «دوس سانتوس» و همکاران تحلیل‌های حرارتی و فنی حاصل از محاسبات حل‌شده به کمک کامپیوتر را ارائه کردند. در حال حاضر در استرالیا طرح نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت ۲۰۰ مگاوات در مرحله اجراست.

استرالیا یکی از مکان‌های مناسب برای این فناوری است زیرا اولاً شدت تابش خورشید در این کشور زیاد است، ثانیاً زمین‌های صاف و بدون پستی و بلندی در آن کشور زیاد است، ثالثاً رشد تقاضای برق در آنجا بالاست و نهایتاً اینکه دولت این کشور خود را به افزایش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر ملزم کرده است. البته شرکتی که متولی ساخت این نیروگاه در استرالیاست، توانسته یک شرکت را در آریزونای امریکا به ثبت برساند تا در آنجا نیز مشغول فعالیت مشابه شود. به علاوه بررسی‌هایی برای اجرای طرح‌های مشابه در چین، آفریقای جنوبی، هند، امارات متحده عربی و... در حال انجام است.

● اصول کار

همان طور که گفته شد، هوا در زیر یک سقف شفاف که تشعشع خورشیدی را عبور می‌دهد، گرم می‌شود. باید توجه داشت وجود این سقف و زمین زیر آن به عنوان 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 به صورتی باشد که منفذ و نشتی نداشته باشد. در اثر اختلاف دانسیته ناشی از گرم شدن هوای زیر کلکتور و هوای بیرون، گردش سیال صورت گرفته و هوای گرم به سمت بالا حرکت می‌کند و جای آن را هوای محیط پر می‌کند. برای اینکه بتوان این فناوری را به صورت ۲۴ساعته مورد استفاده قرار داد می‌توان از لوله‌ها یا کیسه‌های پر شده 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 یک بار با آب پر کرد و به آب اضافی نیازی نیست. بنابراین اساس کار به این 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.

● توان خروجی

بر اساس معادلات حاکم بر موضوع، مهم‌ترین عمل در راندمان برج، ارتفاع آن است (مثلاً برای برجی به ارتفاع هزار متر اختلاف بین محاسبات دقیق و محاسبه تقریبی ارائه‌شده قابل صرف نظر کردن است). ضمناً با بررسی این معادلات حاکم می‌توان دریافت توان خروجی یک دودکش خورشیدی متناسب با سطح کلکتور و ارتفاع برج است. نتیجتاً 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 یا یک برج کوتاه با سطح وسیع به یک میزان برق تولید کرد.

● اجزای دودکش خورشیدی

۱) کلکتور: هوای گرم مورد نیاز برای دودکش خورشیدی توسط پدیده گلخانه‌ای در 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 به صورت عمودی با کمترین اصطکاک انجام پذیرد. این پوشش باعث می‌شود امواج تشعشع خورشید وارد شده و تشعشع‌های با طول موج بالا مجدداً از زمین گرم بازتاب کنند. زمین زیر این سقف شیشه‌ای یا پلاستیکی، گرم شده و حرارت خود را به هوایی که از بیرون وارد این ناحیه شده است و به سمت برج حرکت می‌کند، پس می‌دهد.

۲) 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 هوا به سمت بالا تقریباً متناسب با افزایش دمای هوا در کلکتور و ارتفاع برج است. در یک دودکش خورشیدی چند مگاواتی، کلکتور باعث می‌شود دمای هوا بین ۳۵- ۳۰ درجه سانتیگراد افزایش یابد و این به معنی سرعتی معادل ۱۵ متر بر ثانیه است که باعث حرکت شتابدار هوا نخواهد شد بنابراین برای انجام عملیات تعمیر و نگهداری می‌توان به راحتی وارد آن شد و ریسک سرعت بالای هوا وجود ندارد.

۳) 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 برقابی هستند که با استفاده از توربین‌های محفظه‌دار، فشار استاتیک را به انرژی دورانی تبدیل می‌کنند. سرعت هوا 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 نظر بهره‌وری بیشتر از انرژی، هدف سیستم کنترل توربین به حداکثر رساندن این حاصلضرب در تمام شرایط عملیاتی است.

۴) سیستم ذخیره‌سازی: اگر به یک ظرفیت اضافی برای ذخیره‌سازی حرارت نیاز باشد، می‌توان از لوله‌های سیاه‌رنگ که با آب پر شده‌اند و بر روی زمین در داخل کلکتور قرار داده شده‌اند، بهره جست. این لوله‌ها را باید فقط یک بار با آب پر کرده و دو طرف آنها را بست بنابراین تبخیر نیز رخ نخواهد داد. حجم آب درون لوله‌ها به نحوی انتخاب می‌شود که بسته به توان خروجی نیروگاه، لایه‌ای با ضخامت ۲۰- ۵ سانتیمتری تشکیل شود. در شب زمانی که هوای داخل کلکتور شروع به سرد شدن می‌کند آب داخل لوله‌ها نیز حرارت ذخیره‌شده 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.

● مدل آزمایشی

برای ساخت یک مدل آزمایشی، تحقیقات تئوریک مفصلی انجام شده که آزمایش‌های تونل، باد وسیعی را به همراه داشت و نهایتاً در سال ۱۹۸۱ منجر به ساخت واحدی با توان تولید ۵۰ کیلووات برق در منطقه مانزانارس در ۱۵۰ کیلومتری جنوب مادرید در کشور اسپانیا شد. مدل ساخته‌شده در اسپانیا در سال ۱۹۸۲ تکمیل شد و هدف اصلی از ساخت آن نیز گردآوری اطلاعات بود. بین اواسط ۱۹۸۶ تا اوایل ۱۹۸۹ این واحد به طور مرتب هر روز مورد استفاده قرار ‌گرفت و برق تولیدی آن نیز به شبکه برق سراسری متصل شد. طی این دوره ۳۲ماهه این واحد به صورت کاملاً اتوماتیک راهبری شد. در سال ۱۹۸۷ در این منطقه حدود ۳۰۶۷ ساعت تابش با شدت تابش W/m۲ ۱۵۰ 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 به صورت 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.

● کاهش آلودگی هوای تهران

یکی از دلایل آلودگی هوای تهران و کلانشهرها پدیده وارونگی است. اصطلاح وارونگی هوا برای حالت غیرعادی در جو است که در آن میزان افت دما منفی است یعنی دما به ازای افزایش ارتفاع از سطح زمین به جای کاهش افزایش می‌یابد. شرایط جوی مختلفی منجر به حالت وارونگی می‌شود. در این حالت لایه‌ای از هوای گرم، هوای سردتر از خود را می‌پوشاند و چون هوای سرد سنگین‌تر است و نمی‌تواند صعود کند هرگونه آلودگی که در زیر وارونگی تخلیه شود، محبوس می‌ماند و پخش و پراکنده نخواهد شد. وارونگی دما ممکن است در هر ارتفاعی از سطح زمین روی دهد. بدون شک امروزه تولید برق یکی از نیازهای اساسی بشر است و نمی‌توان نیروگاه‌های کشور را فقط به دلیل آنکه اثرات سوء زیست‌محیطی دارند، تعطیل کرد. اما همت اساسی بر کاهش آلودگی‌ها یا حتی رفع اثراتی است که در اثر تولید بر جای می‌ماند. دودکش خورشیدی را نیز می‌توان به عنوان یکی از این راه‌حل‌ها به حساب آورد چراکه با دودکش خورشیدی نه تنها از آلایندگی نیروگاه‌های حرارتی برای تولید برق جلوگیری کرده‌ایم و برق تولیدی از خود دودکش خورشیدی را مورد استفاده قرار می‌دهیم، بلکه مانع از بروز پدیده‌ وارونگی نیز می‌شویم. در دودکش خورشیدی ما هیچ‌گونه سوختی را مصرف نمی‌کنیم که بخواهد ایجاد دود و آلودگی کند. در واقع از انرژی طبیعی استفاده می‌شود. همان طور که گفته شد در مواقعی که پدیده وارونگی رخ می‌دهد راه‌حل چندانی جز تعطیلی برخی منابع تولیدکننده آلودگی نداریم و مهم‌ترین و در واقع بیشترین تولیدکننده آلودگی، نیروگاه‌ها هستند. تهران بیش از دوسوم روزهای سال با پدیده وارونگی جوی مواجه است و این حالت بیشتر در پاییز و زمستان روی می‌دهد. طبق آماری که در طول پنج سال از ایستگاه مهرآباد گرفته شده است، بیشترین میزان ارتفاع وارونگی دما در فصل پاییز ۴۱۹ متر، در فصل زمستان ۴۰۴ متر، در بهار ۳۵۴ متر و در تابستان ۳۸۴ متر بوده است.

اساساً با به‌کارگیری چند دودکش خورشیدی متوسط در سطح شهر تهران، می‌توان نیروگاه‌های موجود در این شهر را در زمان آلودگی هوا بدون هیچ‌گونه نگرانی برای تامین برق خاموش کرد. در مورد تامین زمین مورد نیاز می‌توان به زمین فرودگاه قلعه‌مرغی اشاره داشت که علاوه بر وسیع‌ بودن، در مجاورت چند بزرگراه اصلی در تهران قرار دارد که به راحتی می‌تواند هوای اطراف آن مناطق را تهویه کند. ضمناً این سیستم را علاوه بر پادگان‌های مستقر در تهران می‌توان در پارک‌ها و دیگر مناطق باز مثل تپه‌های عباس‌آباد نیز برپا ساخت. به عنوان یکی از گزینه‌های موجود می‌توان برای حل مرتفع بودن دودکش این فناوری، قسمت کلکتور آن را در کوهپایه قرار داد و دودکش را روی بدنه کوه به سمت قله کوه‌های اطراف تهران بالا برد که این کار به دلیل اختلاف دمای زیاد بین کوهپایه و نقاط مرتفع کوه، دارای گرادیان دمای مناسب‌تری نیز هست. راهکار دیگر می‌تواند استقرار این فناوری در ساختمان‌های بلندی باشد که قرار است به صورت شخصی یا دولتی در تهران ساخته شود.

● تحولات آینده

همان طوری که در ابتدای مقاله اشاره شده در آینده نزدیک قرار است یک نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت ۲۰۰ مگاوات در استرالیا راه‌اندازی شود که ارتفاع برج آن هزار متر خواهد بود. بر اساس اطلاعات به دست‌آمده 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. هرچند در ابتدا ساخت برج‌های مرتفع کاری سخت به نظر 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 دسترس نیست و ضمناً ما در ساخت سازه سدهای آبی نشان داده‌ایم که به راحتی می‌توانیم سازه‌های عظیم بتنی را برپا سازیم.

نباید از نظر دور داشت که اولاً با افزایش قیمت سوخت‌های فسیلی معادلات به نفع فناوری‌های مرتبط با انرژی‌های تجدیدپذیر تغییر خواهد کرد و 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 به راحتی آن را ساخت. به مطالب فوق باید هزینه‌های اجتماعی سوخت‌های فسیلی را نیز افزود که در دودکش خورشیدی به دلیل عدم تولید آلاینده‌ها، قیمت تمام‌شده برق شدیداً کاهش خواهد یافت. این مقاله در بیست و پنجمین کنفرانس برق در تاریخ ۱۹-۱۷ آبان ۱۳۸۹ در پژوهشگاه نیرو ارائه شده است که علاقه‌مندان می‌توانند جهت کسب اطلاعات بیشتر به اصل مقاله مراجعه کنند.

● نتیجه‌گیری

علاوه بر کاهش آلودگی هوای شهرهای بزرگ می‌توان به تامین برق این شهرها با استفاده از فناوری دودکش خورشیدی امیدوار بود که هر دو این مشکلات در شهرهای بزرگ از جمله تهران کاملاً مشهود است و مثلاً در سالیان اخیر پیک مصرف برق به جز ساعات آغازین شب در بعدازظهرهای تابستان نیز مشهود است و این موضوع به گرایش مردم در استفاده از کولر گازی نسبت داده شده است. فناوری دودکش خورشیدی قادر است به راحتی پاسخگوی این پیک مصرف برق باشد چون در بعدازظهرهای گرم این سیستم بیشترین کارایی را خواهد داشت. ضمناً با توجه به اجرایی شدن معاهده زیست‌محیطی کیوتو به نظر می‌رسد 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. به علاوه 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 تعیین‌شده در معاهده کیوتو که اصطلاحاً CDM یا 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.

عبدالله مصطفایی- مسعود صادقیان