یکی از بهترین روشها جهت دستیابی به راههایی جهت کاستن از میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای، استفاده از انرژی های تجدید‌پذیر است و در این راستا می توان فناوری «دودکش خورشیدی» را معرفی کرد.

دودکش های خورشیدی یکی از انواع نیروگاههای تبدیل انرژی خورشید به برق می باشد.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.

اگر بخواهیم انرژیهای تجدید‌پذیر از کاربرد وسیعی برخوردار شوند باید که تکنولوژی‌های ارایه شده ساده و قابل اعتماد بوده و برای کشورهای کمتر توسعه یافته نیز مشکلات فنی به همراه نداشته باشد و بتوان از منابع محدود مواد خام آنها نیز استفاده کرد. در مرحله بعدی نیز باید به آب زیاد نیاز نداشته باشد. فناوری دودکش دارای این شرایط است.

بررسیهای اقتصادی نشان داده است که اگر این نیروگاهها در مقیاس بزرگ (بزرگتر یا مساوی ۱۰۰ مگاوات) ساخته شوند، قیمت برق تولیدی آنها قابل مقایسه با برق نیروگاههای متداول است. این موضوع کافی است که بتوان انرژی خورشیدی را در مقیاسهای بزرگ نیز به خدمت گرفت. بر این اساس می‌توان انتظار داشت که دودکشهای خورشیدی بتوانند در زمینه تولید برق برای مناطق پرآفتاب نقش مهمی را ایفا کنند. فناوری 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 باد آن است.

درواقع استفاده از برج نیرو یا دودکش های خورشیدی روشی دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید می‌باشد. در این سیستم از خاصیت دودکش‌ها استفاده می‌شود به این صورت که با استفاده از یک برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانه‌های خورشیدی که در اطراف آن است هوای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدی در یک گرمخانه تولید می‌شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه‌ها قرار دارد، هدایت می‌شود. این هوای گرم بعلت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و باعث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده‌است می‌گردد و بوسیله این ژنراتور برق تولید می‌شود. یک نمونه از این سیستم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر می‌رسد.

تاریخچه:

در سال‌های ۴ـ۱۹۸۳ نیز نتایج آزمایشات و بحث‌های نمونه‌ای از دودکش خورشیدی که در منطقه مانزانارس در کشور اسپانیا ساخته شده بود، ارایه شد. در سال ۱۹۹۰شلایش و همکاران در مورد قابل تعمیم بودن نتایج بدست آمده از این نمونه دودکش بحثی را ارایه کردند. در سال ۱۹۹۵ شلایش 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 جمع‌آوری کننده حرارت ارایه کرد تا از این طریق انرژی حرارتی ذخیره‌سازی شود. گانون و همکاران در سال ۲۰۰۰ یک تجزیه و تحلیل برای سیکل ترمودینامیکی ارایه کردند و به‌علاوه 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 توربین خورشیدی ۲۰۰ مگاواتی را منتشر ساختند. در سال ۲۰۰۳ دوس سانتوز و همکاران تحلیل‌های حرارتی و فنی حاصل از محاسبات حل شده به کمک کامپیوتر را ارایه کردند. در حال حاضر در استرالیا طرح نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت ۲۰۰مگاوات در مرحله طراحی و اجرا است. باید گفت که استرالیا مکان مناسبی برای این فناوری است چون شدت تابش خورشید در این کشور زیاد است. در ثانی زمین‌های صاف و بدون پستی و بلندی در آن زیاد است و دیگر این‌که تقاضا برای برق از رشد بالایی برخوردار است و نهایتاً این‌که دولت این کشور خود را به افزایش استفاده از انرژی‌های تجدید‌پذیر ملزم کرده است و از این‌رو به ۹۵۰۰گیگاوات ساعت برق در سال از منابع تجدیدپذیر جدید نیاز دارد.

مزایا و معایب

اگر کمبود جا یک محدودیت بحساب نمی‌آمداین سیستم‌ها می‌توانستند تا ۸۰٪ بار گرمایی را در نواحی بسیار آفتاب‌خیز و تا ۵۰٪ همین بار را در نواحی که شرایط هوا نا مساعد تر است تامیین نمایند.

همراه با انرژی معمولی پشتیبان جهت تأمین بقیه بار اما قیمت انرژی گرمایی کمتر از انرژی برقی است و بنابراین یک بازار تجاری هیچگاه برای این نوع انرژی شکل نگرفته است.

تا زمانیکه قیمت انرژی پایین باقی بماند گردآورندهٔ مدور و خطی با شارژ فوتونی بسیار زیاد تنها در کاربردهای سم‌زدایی ممکن است بکار آیند. بررسی اقتصادی نشان داده است که اگر این نیروگاه هادر مقیاس بزرگ (بزرگتر یا مساوی ۱۰۰ مگاوات) ساخته شوند قیمت برق تولیدی آنها قابل مقایسه با برق نیروگاه‌های متداول است.

برق تولیدی از دودکش‌های خورشیدی جزو انرژی‌های تجدید پذیر محسوب می‌شود. این دودکش‌ها انرژی خورشیدی را به انرژی حرارتی در یک فضای محبوس تبدیل می‌کند که سپس از این انرژی برق تولید می‌شود. این دودکش‌ها دارای تجمیع کننده نور شفاف و یک دودکش با ارتفاعی حدود ۲۰۰ متر می‌باشند. این دودکش زمانی برای تولید برق مقرون بصرفه است که ارتفاع دودکش زیاد باشد. کشور استرالیا در این زمینه در جهان پیشروست و دودکشی با ارتفاع ۱۰۰۰ متر ساخته است.

اصول کاردودکش خورشیدی

درواقع هوا در زیر یک سقف شفاف که تشعشع خورشیدی را عبور می‌دهد، گرم می‌شود. باید توجه داشت که وجود این سقف و زمین زیر آن بعنوان 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 بصورتی باشد که منفذی نداشته باشد و اصطلاحاً «هوا بند» شده باشد.

بر همگان روشن است که هوای گرم چون سبکتر از هوای سرد است به سمت بالای برج حرکت می‌کند. این حرکت باعث ایجاد مکش در پایین برج می‌شود تا هوای گرم بیشتری را به درون بکشد و هوای سرد پیرامونی به زیر سقف شفاف وارد شود. برای اینکه بتوان این فناوری را بصورت ۲۴ ساعته مورد استفاده قرارداد می‌توان از لوله‌ها یا کیسه‌های پرشده از آب در زیر سقف استفاده کرد. این موضوع بسیار ساده انجام می‌شود یعنی در طول روز آب حرارت را جذب کرده وگرم می‌شود و در طول شب این حرارت را آزاد می‌کند. قابل ذکر است که باید این لوله‌ها را فقط برای یکبار با آب پر کرده و به آب اضافی نیازی نیست.

بنابراین اساس کار بدین 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

به زبان ساده می‌توان توان خروجی برجهای خورشیدی را بصورت حاصل‌ضرب انرژی خورشیدی ورودی (Qsolar) در راندمان مربوط به جمع‌‌کننده، برج و توربین بیان کرد. 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 و یا یک برج کوتاه با سطح وسیع به یک میزان برق تولید کرد. البته اگر اتلاف اصطکاکی وارد شود دیگر موضوع فوق صادق نیست. با این وجود تا زمانی که قطر کلکتور بیش از حد زیاد نشود می‌توان از قاعده سرانگشتی فوق استفاده کرد.

کلکتور

هوای گرم مورد نیاز برای دودکش خورشیدی توسط پدیده گلخانه‌ای در یک 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 بصورت عمودی با کمترین اصطکاک انجام پذیرد. این پوشش باعث می‌شود که امواج تشعشع خورشید وارد شده و تشعشعهای با طول موج بالا مجدداً از زمین گرم بازتاب کند. 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.

ذخیره‌سازی

اگر به یک ظرفیت اضافی برای ذخیره‌سازی حرارت نیاز باشد، می‌توان از لوله‌های سیاه رنگ که با آب پر شده‌اند و بر روی زمین در داخل کلکتور قرار داده شده‌‌اند، بهره جست. این لوله‌ها را باید فقط یکبار با آب پر کرده و دو طرف آنها را بست و بنابراین تبخیر نیز رخ نخواهد داد. حجم آب درون لوله‌ها بنحوی انتخاب می‌شود که بسته به توان خروجی نیروگاه لایه‌ای با ضخامت ۲۰-۵سانتیمتری تشکیل شود.

در شب زمانی‌که هوای داخل کلکتور شروع به سرد شدن می‌کند، آب داخل لوله‌ها نیز حرارت ذخیره شده 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.

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 و یا یک برج کوتاه با سطح وسیع به یک میزان برق تولید کرد

برج

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

توربین‌ها

با بکارگیری 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 در 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 نقطه نظر بهره‌وری بیشتر از انرژی، هدف سیستم کنترل توربین بحداکثر رساندن این حاصلضرب در تمام شرایط عملیاتی است.

با افزایش قیمت سوختهای فسیلی معادلات به نفع فناوریهای مرتبط با انرژیهای تجدید‌پذیر تغییر خواهد کرد. 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 براحتی آن را ساخت.

ساختمان وابسته به محیط زیست

ساختمان اداری مؤسسه علوم تحقیقات گارستون در بریتانیا از دودکش‌های خورشیدی به عنوان بخشی از سیستم تهویه خود بهره برده است. این دفاتر قصد داشتند مصرف انرژی و تولید گازهای گل‌خانه‌ای را تا ۳۰٪ کاهش دهند و شرایط محیطی راحت را بدون به کار گیری تهویه مطبوع حفظ کنند. این دودکش‌ها توسط Feilden Clegg Bradley طراحی شد. ویژگی‌های اصلی این ساختمان، تهویه غیرفعال خورشیدی، سایه خورشیدی، استفاده از قطعه‌های بتنی تو خالی که در کف قرار داده شده است، می‌باشند. تهویه و سیستم‌های گرمایشی ساختمان، توسط سیستم مدیریت ساختمان(BMS)کنترل می‌شود. این در حالی است که میزان استفاده هر کاربر برای تنظیم شرایط محیطی ساکنان ارائه شده است. در ساختمان ۵ محور عمودی به عنوان بخش تهویه و استراتژی خنک سازی به کاربرده شده است. اجزای تشکیل دهنده این ناودان‌ها، دیواره با قالب شیشه‌ای رو به جنوب، بلوک، فولاد ضد زنگ و خروجی‌ها که چند متر بالاتر از سطح بام قرار گرفته‌اند.

دودکش‌ها به قطعه‌های بتنی تو خالی که در کف قرار دارد متصل می‌شوند و از طریق تهویه شبانه خنک می‌شوند. لوله‌های جاسازی شده در کف می‌توانند خنک سازی اضافی را با به کار گیری آب زیر زمینی فراهم کنند. در روزهایی که باد گرم می‌وزد، هوا در فضای تو خالی قطعات بتنی کف جریان می‌یابد و تهویه به طور طبیعی از طریق دودکش‌های فولادی ضد زنگ انجام می‌شود، در نتیجه جریان هوا در تمام ساختمان افزایش می‌یابد.

حرکت هوا در سر تا سر دودکش، تأثیر دودکش را افزایش می‌دهد. در روزهای گرم، ساختمان غالباً به تأثیر دود کش متکی است، این در حالی است که هوا از سمت سایه دار شمال گرفته می‌شود. همچنین قرار دادن فن‌های ضعیف در بالای دودکش‌ها می‌تواند برای افزایش جریان هوا به کار برده شوند. سیستم‌های تهویه قادرند هوای خنک شب را بین فضای خالی کف ذخیره و در روز بعد از آن استفاده کنند. پوشش منحنی سقف، نما خمیده، سبب می‌شود سطح بیشتری در معرض هوا قرار بگیرد که این خود باعث کارایی بهتر دودکش‌ها می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که این دودکش‌ها تهویه خنک سازی را درروزهای گرم و معتدل افزایش می‌دهند و همچنین می‌توانن پتانسیل خنک سازی شب هنگام را نیزداشته باشند.

غیرفعال‌سازی جریان رو به پایین برج خنک‌کننده

تکنولوژی دودکش خورشیدی همانند برج خنک‌کننده تبخیری، یک جریان رو به پایین است. در مناطق گرم و خشک، این رویکرد به شکلی پایدار ممکن است برای تهویه مطبوع مناسب باشد. تبخیر رطوبت از لنت‌های بالای ساختمانی که توسط مردم مالی در Toguna ساخته شده، در احساس خنکی افرادی که در زیر زمین استراحت می‌کردند دخیل بود. ساختمان مربوط به زنان دور از مرکز شهر بود و به صورت دودکش‌های خورشیدی معمولی تر کار می‌کرد. قاعده کلی تبخیر آب از بالای برج به دو صورت امکان‌پذیر می‌باشد:

۱. با به کارگیری پدهای خنک‌کننده تبخیری

۲. با پاشیدن آب

تبخیر، هوای ورودی را خنک می‌کند و باعث جریان رو به پایین هوای خنک می‌شود و این خود باعث کاهش دمای درون ساختمان می‌شود. جریان هوا به کمک دودکش خورشیدی در ساختمان افزایش می‌یابد و همچنین باعث خروج هوای گرم از درون ساختمان می‌شود. این موضوع برای بازدید کنندگان پارک ملی zion استفاده شده است. مرکز بازدیدکننده‌ها، توسط طراحان ساختمان‌های با عملکرد بالا در لابراتوار انرژی ملی طراحی شد. (NREL)اصل جریان رو به پایین برج خنک‌کننده برای تولید انرژی خورشیدی نیز بیان شده است.

مدل‌آزمایشی

برای ساخت یک مدل ازمایشی، تحقیقات تئوریک مفصلی انجام شده که آزمایش‌های تونل باد وسیعی را به‌همراه داشت و نهایتاً در سال ۱۹۸۱ منجر به ساخت واحدی با توان تولید ۵۰ کیلووات برق در منطقه مانزانارس (Manzanares) در ۱۵۰کیلومتری جنوب مادرید در کشور اسپانیا شد و این واحد از کمک مالی وزارت تحقیق و فناوری آلمان برخوردار بود.

هدف از این طرح تحقیقاتی، تطبیق، اندازه‌گیری محلی، مقایسه پارامترهای تئوریک و عملی و بررسی تاثیر اجزاء مختلف دودکش خورشیدی بر راندمان و نیز توان تولیدی این فناوری تحت شرایط واقعی و نیز شرایط خاص آب و هوایی بود.

پوشش سقف قسمت کلکتور نه تنها باید شفاف یا حداقل نیمه شفاف باشد بلکه باید محکم بوده و از قیمت قابل قبولی برخوردار باشد. برای این پوشش نوعی از ورقه‌های پلاستیکی و نیز شیشه‌ مورد توجه قرار گرفتند تا مشخص شود در درازمدت کدامیک از آن‌ها بهتر بوده و صرفه اقتصادی دارد. باید توجه داشت که شیشه می‌تواند سالیان سال در مقابل طوفان و باد مقاومت کرده وآسیب نبیند و در مقابل باران‌های فصلی نیز نوعی خاصیت خود تمیز کنندگی بروز می‌دهد. در عوض لایه‌های پلاستیکی را باید درون یک قاب قرار داد و وسط آنها نیز اصطلاحاً به سمت زمین شکم می‌دهد. هرچند هزینه اولیه سرمایه‌گذاری ورقه‌های پلاستیکی کمتر است ولی در مانزانارس با گذشت زمان این لایه‌ها شکننده شدند و آسیب دیدند. البته با پیشرفت در ساخت لایه‌های مقاوم در برابر دما و اشعه ماوراء بنفش می‌توان به استفاده از پلاستیک‌ها نیز امیداور بود. مدل ساخته شده در اسپانیا در سال ۱۹۸۲تکمیل گشت و هدف اصلی از ساخت آن نیز گردآوری اطلاعات بود. بین اواسط ۱۹۸۶تا اوایل ۱۹۸۹ این واحد به‌طور مرتب هر روز مورد استفاده قرار گرفت و برق تولیدی آن نیز به شبکه برق سراسری متصل شد. طی این دوره ۳۲ماهه این واحد به‌صورت کاملاً اتوماتیک راهبری شد. در سال ۱۹۸۷ در این منطقه حدود ۳۰۶۷ساعت با شدت تابش ۱۵۰وات بر مترمربع 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 به‌صورت 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. تمامی نتایج به‌دست آمده بیانگر آن بوده است که این فناوری از قابلیت کافی جهت استفاده در مقیاس‌های بزرگ‌تر را دارا است. بر پایه این نتایج یک‌سری تحقیقات توسط موسسات و دانشگاه‌های مختلف انجام شد تا وضعیت آن را شبیه‌سازی و مدل‌سازی کند تا بتوان نتایج این سیستم در مقیاس بزرگ‌تر را پیشگویی کرده و قابل بررسی کرد.

تحولات‌آینده

همانطور که اشاره شد در آینده نزدیک قرار است یک نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت ۲۰۰مگاوات در استرالیا ساخته شود که ارتفاع برج آن ۱۰۰۰ متر خواهد بود. بر اساس اطلاعات به‌دست آمده 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. هر چند در ابتدا ساخت برج های مرتفع کاری سخت به‌نظر 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 دسترسی نیست و ضمناً ما در ساخت سازه‌ سدهای آبی نشان داده‌ایم که به‌راحتی می‌توانیم سازه‌های عظیم بتنی را برپا سازیم. نباید از نظر دور داشت که با افزایش قیمت سوخت‌های فسیلی معادلات به نفع فناوری‌های مرتبط با انرژی‌های تجدید‌پذیر تغییر خواهد کرد. 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 به‌راحتی آن‌را ساخت.