رفتار دینامیکی نیروگاه دودکش خورشیدی

به گزارش ایسنا، امیر عارفیان دانش‌آموخته دکترای مهندسی مکانیک (تبدیل انرژی) دانشگاه صنعتی امیرکبیر و مجری طرح «مدل‌سازی تحلیلی و تجربی رفتار دینامیکی نیروگاه دودکش خورشیدی با سامانه انباره گرمایی» گفت: افزایش روزافزون نیاز به انرژی الکتریکی در سطح ملی و بین‌المللی از یک‌سو و محدودیت‌ها و مخاطرات تولید توان الکتریکی از فناوری‌های سنتی سوخت‌های فسیلی از سوی دیگر، توسعه استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و در رأس آن‌ها انرژی خورشیدی و بادی را الزام‌آور ساخته است.

وی افزود: فناوری نیروگاهی دودکش خورشیدی (Solar Chimney Power Plant) یکی از فناوری‌های امیدبخش و قابل‌اعتماد از توان گرمایی خورشیدی (Solar thermal power) است. در این نیروگاه، بخشی از انرژی حرارتی تابش خورشید که به سطوح جمع‌کننده یا گلخانه خورشیدی رسیده است، به هوای درون آن داده شده و با کاهش چگالی هوا نسبت به هوای محیط پیرامون، نیروی شناوری ایجاد می‌شود. تأثیر این نیروی شناوری در امتداد دودکش که در مرکز جمع‌کننده قرار دارد منجر به ایجاد جریان جابجایی طبیعی و بالارونده می‌شود. بخشی از انرژی جنبشی جریان هوای بالارونده در مجموعه توربین هوایی و مولد نصب شده در پایه دودکش به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

وی گفت: نیروگاه دودکش خورشیدی در پیکربندی پایه و شناخته‌شده آن دارای فناوری سطح بالایی نبوده و تمامی زیرسامانه‌ها و اجزای آن قابلیت بومی‌سازی و ساخت داخل را دارا است.

وی با بیان اینکه با اجرای این پژوهش و به‌کارگیری نتایج آن در خصوص استفاده از انباره‌های گرمایی طبیعی و مصنوعی برای این نوع نیروگاه، علاوه بر عواید فنی و زیست‌محیطی، هزینه تراز شده انرژی (LCOE) به‌طور محسوس کاهش می‌یابد، خاطرنشان کرد: پژوهش حاضر گام مهمی در راستای تجاری‌سازی و استفاده بزرگ‌مقیاس از این فناوری برداشته است.

وی افزود: هزینه تراز شده انرژی در نیروگاه دودکش خورشیدی بهینه‌شده با راهکاری‌های موردبحث در این پژوهش، در رقابت با سایر فناوری‌های تولید توان رایج نظیر واحدهای توربین گاز در پیکربندی سیکل ساده و سیکل ترکیبی است.

عارفیان افزود: این در حالی است که هزینه تراز شده انرژی در پیکربندی پایه و معمول این فناوری حداقل سه برابر فناوری‌های رایج است. علاوه بر توجیه‌پذیری فنی و اقتصادی، راهکار استفاده از انباره گرمایی خاک مرطوب منتج از فعالیت‌های این پژوهش، در مقایسه با انباره گرمایی آبی که موردتوجه طیف وسیعی از پژوهشگران پیشین بوده است، نوآوری ممتاز و منحصربه‌فردی را برای توسعه استفاده از انباره‌های گرمایی چه در سطح طراحی، چه در سطح تأمین مواد و تجهیزات و چه در سطح اجرا در بزرگ‌مقیاس به همراه داشته است.

به گفته دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر، ارزیابی کیفی و کمی حضور و عملکرد انواع انباره‌های گرمایی در نیروگاه دودکش خورشیدی، تعریف و ارزیابی کمی و کیفی پارامتر جدید «شاخص کیفیت تولید توان (Quality factor of Power Generation)» در نیروگاه دودکش خورشیدی و مقایسه آن با سایر فناوری‌های تولید توان، تدوین کمی منحنی‌های مشخصه عملکرد نیروگاه برای اولین بار و تحلیل ظرفیت ذخیره‌سازی و عمق نفوذ حرارت در انباره گرمایی ازجمله فعالیت‌های این پژوهش است که به ارتقای مرزهای دانشی در زمینه این فناوری منجر شده است.

وی ادامه داد: کاهش نوسانات و وقفه‌های تولید توان و اجابت طیف وسیعی از سناریوهای تقاضای بار در شبکه‌های محلی و سراسری تولید توان الکتریکی، مهم‌ترین ویژگی بهبودیافته منتج از پژوهش حاضر برای نیروگاه دودکش خورشیدی بوده است.

وی با بیان این‌که هدایت و راهنمایی این پژوهش توسط دکتر رضا حسینی ابرده، استاد و عضو هیئت‌علمی دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام شده است، گفت: اجرای پژوهش حاضر مبتنی بر مدل‌سازی نیمه-تحلیلی رفتار دینامیکی و در بستر زمان نیروگاه دودکش خورشیدی بوده است. در این مدل‌سازی با توسعه روابط حاکم بر سامانه ازجمله پایستگی جرم، تکانه و انرژی ارتباط بین ورودی‌ها شامل توابع زمانی تابش خورشید، دمای محیطی، باد عرضی و همچنین پارامترهای ثابت هندسی و خواص مواد با خروجی‌های سامانه شامل اختلاف دمای ایجادشده در جمع‌کننده خورشیدی، سرعت هوای بالارونده و توان خروجی از توربین-مولد برقرار شده است. دستگاه معادلات دیفرانسیل-جبری (DAE) کاملاً غیرخطی و جفت شده منتج از این مدل‌سازی با 251 معادله-251 مجهول حل شده است.

عارفیان افزود: همچنین به‌منظور اعتبارسنجی نتایج مدل‌سازی نیمه-تحلیلی، یک پایلوت کوچک‌مقیاس از نیروگاه دودکش خورشیدی (با ارتفاع دودکش 8 متر و شعاع جمع‌کننده 4 متر) ساخته شده و پس از تجهیز به ابزار اندازه‌گیری شامل تابش‌سنج، دماسنج، سرعت‌سنج و غیره در شرایط محیط واقعی مورد آزمون قرار گرفته است. داده‌های تجربی پایلوت نیروگاه دودکش خورشیدی امیرکبیر علاوه بر اعتبارسنجی نتایج مدل‌سازی نظری، به‌منظور ارزیابی عملی راهکارهای بهبود عملکرد و همچنین تدوین بانک اطلاعات عملکرد تجربی نمونه پایلوت این نیروگاه مورداستفاده قرار گرفته است.

این محقق با اشاره به کاربرد پروژه گفت: کاربرد اصلی این پروژه در صنعت نیروگاهی (متوسط مقیاس و بزرگ‌مقیاس) و نیروگاه‌های انرژی‌های تجدیرپذیر است.

وی افزود: بااین‌حال سامانه دودکش خورشیدی و انباره‌های گرمایی در مقیاس کوچک قابل کاربرد در صنعت تأسیسات و تهویه مطبوع خانگی، تجاری و صنعتی هستند. همچنین از این فناوری می‌توان در صنایع غذایی و به‌طور خاص خشک‌کن‌های خورشیدی غیرفعال (Passive) استفاده کرد.

وی با اشاره به ویژگی‌های طرح گفت: نیروگاه دودکش خورشیدی به‌عنوان یکی از جدیدترین فناوری‌های انرژی خورشیدی، می‌تواند مناسب‌ترین گزینه برای رقابت با نیروگاه‌های تولید توان رایج ازنظر اقتصادی و صیانت از محیط‌زیست در عدم مصرف آب و عدم تولید آلاینده باشد.

وی تاکید کرد: بر این اساس و با توجه به پتانسیل بالقوه کشور ایران ازنظر اقلیم، تابش خورشیدی و اراضی مناسب و در دسترس، سیاست‏های بالادستی کشور و همچنین رویکرد جهانی نسبت به تولید توان در منطقه غرب آسیا و شمال آفریقا، در پژوهش حاضر به مطالعه و بهبود رفتار زمانی این نوع نیروگاه پرداخته شده است.

پایلوت‌های آزمایشگاهی کوچک‌مقیاس از پیکربندی پایه نیروگاه دودکش خورشیدی در سطح جهان و در داخل کشور و با اهداف از پیش تعیین‌شده مختلف، طراحی، ساخته و به اجرا رسیده است. بااین‌حال پایلوت نیروگاه دودکش خورشیدی ثابت دانشگاه صنعتی امیرکبیر از حیث مقیاس و پارامترهای موردمطالعه و بهبود عملکرد جایگاه ویژه دارد. همچنین پایلوت یکپارچه نیروگاه دودکش خورشیدی شناور امیرکبیر برای اولین بار در سطح جهان طراحی، اجرا و به بهره‌برداری رسیده و طرح مذکور با شماره اختراع 81592 در اداره کل مالکیت صنعتی سازمان ثبت‌اسناد و املاک کشور به ثبت رسیده است.

اولین نیروگاه متوسط مقیاس بهره‌برداری شده از این فناوری مربوط به مانزانارس اسپانیا بوده که در دهه 1980 میلادی به مدت هشت سال موردمطالعه قرار گرفته است. همچنین در حال حاضر یک نیروگاه متوسط مقیاس 200 کیلوواتی در ووهای چین مورد بهره‌برداری قرار دارد. نیروگاه‌های تجاری بزرگ‌مقیاس در کشورهایی نظیر ایالات‌متحده، چین، استرالیا، آفریقای جنوبی و غیره در دست طراحی و برنامه‌ریزی جهت احداث هستند.

وی با اشاره به مزیت‌های رقابتی طرح گفت: این فناوری دارای مزیت‌های مطلق و نسبی فناوری است توسعه و به‌کارگیری آن را در مقایسه با سایر نیروگاه‌های سنتی فسیلی و حتی نیروگاه‌های تجدیدپذیر را ممتاز می‌کند.

وی با بیان اینکه هزینه زمین و محل احداث این نوع نیروگاه‌ها کمینه و یا رایگان است، گفت: سوخت این نیروگاه رایگان بوده و در اغلب نقاط جهان در دسترس است. همچنین این نیروگاه نیازمند هیچ‌گونه آب مصرفی در چرخه اصلی یا به‌عنوان سیال خنک‌کاری نبوده و در مقایسه با نیروگاه‌های تجدیدپذیر و خورشیدی دیگر نیز مزیت نسبی دارد. این موضوع با توجه به تشدید بحران آبی در منطقه غرب و جنوب غرب آسیا حائز اهمیت است.

محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر گفت: از جنبه اقتصادی هزینه تراز شده انرژی در پیکربندی بهینه این نوع نیروگاه‌ها از سایر نیروگاه‌های تجدیدپذیر کمتر بوده و با سایر فناوری‌های سنتی فسیلی رقابت می‌کند.

عارفیان گفت: کشور ایران به‌عنوان یکی از غنی‌ترین کشورها از حیث تابش خورشید و با توجه به خاص بودن اقلیم و ناهمواری‌های سرزمینی به‌عنوان یکی از قطب‌های مستعد توسعه و بهره‌برداری از این نوع نیروگاه‌ها امکان‌سنجی شده است.

طبق اعلام روابط عمومی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، وی با اشاره به کاربردهای پروژه گفت: نیروگاه‌های متوسط مقیاس و بزرگ‌مقیاس دودکش خورشیدی اعم از ثابت، شناور و یا شیب‌دار (ساخته شده بر روی ناهمواری‌های آفتاب‌گیر سرزمینی)، سامانه‌های تهویه طبیعی ساختمانی‌های مسکونی، تجاری و صنعتی، سامانه‌های خشک‌کن خورشیدی کوچک‌مقیاس و متوسط مقیاس صنعتی از کاربردهای این پروژه هستند.