چکیده امروزه نیروگاه های دودکش خورشیدی به دلیل قابلیت تامین توان های الکتریکی بالا مورد توجه متخصصین قرار گرفته و یکی از منابع تولید توان -در مقیاس های ملی - در آینده نزدیک خواهند بود.
در این مقاله به بررسی و شبیه سازی ترمودینامیکی عملکرد اولین نمونه نیروگاه دودکش خورشیدی ساخته شده در اسپانیا پرداخته شده است.
تعاریف، فرآیندهای فیزیکی و مکانیزم های انتقال حرارت مرتبط مورد بررسی قرار گرفته و روابط هر یک بیان شده است.
در ادامه به کمک این روابط تحلیلی، معادلات حاکم بر رفتار هوا به عنوان سیال عامل، در فرآیند کاری این نیروگاه ها تشریح شده است.
مقایسه نتایج حاصل از این شبیه سازی با نتایج تجربی در دسترس ، بیانگر انطباق مناسب داده ها می باشد.
مقدمه در طی سالهای اخیر با پیشرفت سریع اقتصاد جهانی و افزایش جمعیت و استاندارد سطح زندگی، ذخایر طبیعی و فسیلی با نرخ بسیار بیشتری مورد استفاده و بهره برداری قرار گرفته اند.
استفاده از ذخایر فسیلی و قطع درختان سبب شده است تا تغییرات قابل توجهی در شرایط اتمسفری زمین از جمله تولید گازهای گلخانه ای روی بدهد که از مهمترین نتایج آن میتوان به گرم شدن زمین، ذوب شدن مقادیر قابل توجهی از کوه های یخی قطبی، بالا آمدن سطح آب دریاها، کاهش گونه های زیستی، اسیدی شدن آب دریاها و بسیاری از اتفاقات زیست محیطی که حیات انسان را بر روی این کره تهدید می- کنند، اشاره کرد .
این مسئله پیشرفت و توسعه بسیاری از کشورها را با چالش مواجه ساخته است.
استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر میتواند نقش مهمی در حل این چالش بوجود آمده داشته باشد.
فن آوری نیروگاه های دودکش خورشیدی یک فن آوری تولید توان در مقیاس بزرگ است که میتواند علاوه بر پرتوهای مستقیم خورشیدی ، پرتوهای غیرمستقیم را نیز جذب کند و بدون بوجود آوردن گازهای گلخانه ای، توان الکتریکی تولید نماید یک نیروگاه دودکش خورشیدی SCPP) از سه بخش اصلی تشکیل شده است: جمع کننده پرتو های خورشیدی، دودکش خورشیدی (که در وسط جمع کننده قرار داده می شود) و یک تشکیل شده است: جمع کننده پرتوهای خورشیدی، دودکش خورشیدی (که در وسط جمع کننده قرار داده می شود) و یک سیستم مبدل توان PCU) (که شامل یک یا چند توربین و ژنراتور برای تولید توان الکتریکی می باشد ).
بواسطه پدپده گرمایش گلخانه ای که در داخل جمع کننده اتفاق می افتد، هوای داخل جمع کننده گرم شده و چگالی آن در مقایسه با چگالی هوای بیرون کاهش می یابد .
از این رو به واسطه تاثیرات نیروی شناوری هوای داخل جمع کننده به سمت دودکش جریان یافته و توربینهای تعبیه شده درون دودکش خورشیدی را میچرخاند و در نتیجه به کمک ژنراتور کوپل ( شده به توربین، توان الکتریکی تولید می شود .
در شکل ( 1 تصویر شماتیک یک نیروگاه دودکش خورشیدی نمایش داده شده است.
توانایی این تکنولوژی در تامین توان های بالا بوسیله ساخت موفقیت آمیز یک نمونه 50 کیلو واتی از نیروگاه های دودکش خورشیدی در مانزانارس اسپانیا تایید شده است.
مناسب ترین مکان برای ساخت نیروگاه های دودکش خورشیدی بزرگ در بیابان میباشد[ 5].
با توجه به اینکه کشور ما دارای بیابانهای وسیعی است که دماهای بالایی را در طول سال تجربه میکنند، پتانسیل مناسبی برای استفاده از این نوع نیروگاه های خورشیدی در کشور وجود دارد.
تکنولوژی مورد نیاز این نیروگاه ها ساده و قابل اطمینان بوده و در دسترس کشورهای کمتر توسعه یافت ه نیز می باشد .
هزینه نگهداری اندک، عدم نیاز به سوخت وهمچنین عدم نیاز به آب برای خنک کاری از جمله مهمترین فواید نیروگاه های دودکش خورشیدی به شمار می رود.
مهمترین مشکل این نیروگاه ها راندمان حرارتی پایین آنها است.
با این وجود با افزایش طول دودکش این نیروگاه ها می توان راندمان حرارتی را افزایش داد.
در راستای تولید توان با صرفه اقتصادی، توسط این نیروگاه ها نه تنها به جمع کننده بزرگی برای جذب مقدار زیادی از حرارت خورشید نیاز است، بلکه به دودکشهای بسیار طویلی نیز احتیاج است تا نیروی پیشران و دبی حجمی بالایی را برای چرخاندن توربین های بزرگ فراهم نمایند.
از سوی دیگر، این موارد سبب افزایش راندمان کلی نیروگاه و در نتیجه کاهش هزینه تمام شده توان تولیدی میگردند.
عملکرد نیروگاه های دودکش خورشیدی به کمک روش های تحلیلی، ترمودینامیکی و اخیرا با به کارگیری روشهای عددی، مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است.
در این مقاله معادلات حاکم بر رفتار جریان مورد بررسی قرار گرفته است .
سپس معادلات بر مبنای روش حجم محدود گسسته سازی شده اند.
با توجه به تقارن محوری موجود در دودکش های خورشیدی، طرح کلی به صورت دو بعدی و متقارن محوری شبیه سازی شده است.
برای محاسبه مقادیر کمیت ها بر روی سط وح شبکه های محاسباتی در حل معادلات ممنتوم از روش باد سوم رتبه دوم استفاده شده است.
کوپلینگ سرعت- فشار نیز با استفاده از روش گام جزئی 3 صورت پذیرفته است.
معادلات به به صورت وابسته به زمان و با در نظر گرفتن روش ضمنی مرتبه اول از دیدگاه زمانی گسسته سازی شده اند .
برای حل معادلات نیز از نرم افزار فلوئنت استفاده گریده است.
با توجه به تغییرات اندک چگالی هوا در داخل نیروگاه دودکش خورشیدی، معادلات حاکم (پیوستگی، ممنتوم و انرژی ) با فرض جریان تراکم ناپذیرحل شده اند.
مقادیر فشار بر روی سطوح شبکه های محاسباتی در معادله تصح یح فشار نیز با استفاده از روش PRESTO محاسبه گردیده است.
اثرات دما به صورت یک عبارت منبع در معادله ممنتوم اضافه گردیده است تا نیروی شناوری ناشی از کاهش چگالی هوا مطابق روش بوزینیک 4 شبیه سازی شود.
با توجه به عدد رینولدز و رایلی جریان شبیه سازی شده، جریان آشفته بوده و ضروری است تا اثرات آشفتگی جریان در محاسبات لحاظ گردد.
بدین منظور از مدل دو معادله ای k – e استاندارد استفاده شده است.
از روش دیواره استاندارد برای شبیه سازی جریان آشفته در نزدیکی دیواره ها و تخمین لایه مرزی استفاده شده است.
پارامترهایی همچون تغییرات دمای سیال عامل (هو ا) درون جمع کننده، تاثیرات مقدار شار دریافتی بر روی راندمان کلی، اثرات متقابل میدانهای سرعت و فشار، میزان انتقال حرارت ، توزیع حرارتی در شارهای خورشیدی مختلف و مقادیر مرتبط با مکانیزم های مختلف انتقال حرارت از مواردی هستند که بررسی و ارزیابی شده اند.
در انتها نتایج بدست آمده با نتایج تجربی مقایسه شده و درستی شبیه سازی انجام شده اثبات گردیده است.
-2 تعاریف -1-2 جمع کننده یک جمع کننده نیروگاه دودکش خورشیدی شامل شبکه حفاظتی 1 ، ساختار ستونی و سقف شفاف می باشد .
یک جمع کننده بزرگ زمانی شکل میگیرد که یک سقف شیشه ای یا پلاستیکی توسط شبکه های حفاظتی چندین متر بر روی سطح زمین گسترش یابد.
ارتفاع سقف از روی زمین از لبه ها به سمت مرکز با شیب بسیار ملایمی افزایش مییابد.
این امر سبب میشود تا جریان هوا از لبه ها به سمت مرکز با حداقل اصطکاک و افت شکل بگیرد .
این سقف شفاف پرتوهای مستقیم و غیرمستقیم خورشیدی را از خود عبور داده و به داخل جمع کننده هدایت میکند.
از طرف دیگر به دلیل اثر گلخانه ای مانع از خروج پرتوهای تابیده شده از کف جمع کننده، که از این به بعد آنرا زمین می نامیم ، می شود .
در نهایت این امر سبب میشود تا سطح کف گرم شده و سبب گرم شدن هوای بین کف و سقف جمع کننده شود .
به دلیل نیروی شناوری و امتداد شیب سقف، هوای گرم شده در امتداد شعاعی از لبه های جاذب به سمت مرکز آن (که محل قرار گیری دودکش است)، جریان مییابد.
به منظور افزایش ظرفیت ذخیره حرارتی کف جمع کننده، معمولا در کف آن از تجهیزاتی نظیر تانکرهای آب استفاده می گردد .
در شبیه سازی حاضر فرض شده است که کف جمع کننده دارای خاصیت جذب کنندگی ایده ال است، بدین معنی که تمامی تابش دریافتی از خورشید را جذب و به حرارت تبدیل میکند.
اصطکاک و افت شکل بگیرد .
-2-2 واحد تبدل توان توربین ژنراتورها هسته اصلی نیروگاه دودکش خورشیدی می باشند.
هدف توربین، تبدیل توان ایرودینامیکی هوا با بازده مناسب به توان مکانیکی (شفت چرخان) است.
توربین هایی که در نیروگاه های خورشیدی مورد استفاده قرار میگیرند عموما جریان محوری هستند.
خصوصیات توربینهای مورد استفاده در این نیروگاه ها از احاظ تعداد پره های روتور، سرعت مخصوص پره ها و قطر توربین، ما بین مشخصه های توربینهای بادی و توربینهای گازی (جت) قرار میگیرد.
پره های این توربین ها نظیر توربینهای بادی قابل تنظیم است اما مشابه توربین های گازی، جریان در این توربینها بسته است.
توربین های بکار رفته میتوانند پره های هدایت کننده ورودی جریان نیز داشته باشند.
طرحهای مختلفی برای نصب، محل نصب و طرح کلی توربینهای نیروگاه دودکش خورشیدی ارائه شده است .
توربینهای مرسوم معمولا در پایه دودکش نصب میشوند برای نیروگاه مانزانارس، توربین تک روتور محوری عمودی بدون پره های هدایت کننده ورودی در نظر گرفته شده است در نظر گرفتن اثرات افت فشار ناشی از توربین، یکی از چالش های شبیه سازی نیروگاه های دودکش خورشیدی است .
بر همین اساس، شبیه سازی توربین نیروگاه دودکش خورشیدی به مطالعات آتی موکول گردیده است.
-3-2 دودکش خورشیدی دودکش خورشیدی که در مرکز جمع کننده قرار دارد، در واقع موتور حرارتی نیروگاه است.
در این سیستم، اختلاف دما و نیروی شناوری باعث القای جریان در جمع کننده و دودکش می شود.
دودکش شبیه یک تیوب فشاری است که بواسطه نسبت حجم به سطح مناسبی که دارد ، دارای افتهای اصطکاکی کمی می باشد .
دبی جرمی هوای بالارونده از دودکش به افزایش دمای هوا درون جمع کننده و ارتفاع دودکش وابسته است.
دیاگرام شماتیک یک نیروگاه دودکش خورشیدی معادلات ترمودینامیکی حاکم انتقال حرارت و میدان سرعت - فشار جریان هوا را میتوان به کمک حل معادلات بقای جرم و ممنتوم حاکم محاسبه نمود .
با توجه به نحوه عملکرد یک نیروگاه دودکش خورشیدی و خصوصیات رفتاری آن، در اکثر بررسی ها اثرات تغییرات چگالی هوا به کمک روش بوزینیسک به صورت یک عبارت منبع در معادله ممنتوم وارد می شود و در نتیجه سایر معادلات با فرض جریان تراکم ناپذیرحل می شوند.
معادلات حاکم مرتبط عبارتند از: پیوستگی معادله ( 1) نشان دهنده فرم کلی معادله پیوستگی میباشد.
ممنتوم معادله ( 2) نشان دهنده فرم کلی معادله ممنتوم در راستاهای X و y می باشد.
معادله انرژی معادله ( 3) نشان دهنده فرم کلی معادله انرژی میباشد.
اطلاعات مربوط به مشخصات هر یک از پارامترهای بیان شده در روابط مذکور در کتب و متن های مهندسی، قابل دستیابی است.
تحقیقات گسترده ای بر روی انتقال حرارت و خصوصیات جریان های درون نیروگاه های دودکش خورشیدی صورت در بررسی های صورت گرفته ضرایب - گرفته است تجربی مربوط به انتقال حرارت از سقف به جریان هوای درون جمع کننده، از سقف به محیط آزاد، و از کف جمع کننده به هوای درون جمع کننده نیز ارائه شده است .
در برخی از بررسی های صورت گرفته، روش های مختلف محاسبه فلاکس های حرارتی در جمع کننده و همچنین تاثیر آنها بر روی عملکرد کلی نیروگاه مورد ارزیابی قرار گرفته است.
-4 هندسه و شرایط مرزی هندسه در نظر گرفته شده برای شبیه سازی عددی نیروگاه دودکش خورشیدی ، در شکل ( 2) نمایش داده شده است .
هندسه و ابعاد در نظر گرفته شده برای شبی هسازی نیروگاه دوکش خورشیدی مانزانارس اسپانیا مطابق اطلاعات ارائه شده برای نیروگاه مانزانارس، ارتفاع دودکش برابر 200 متر، قطر دودکش برابر 10 متر، شعاع جمع کننده برابر 122 متر و فاصله سقف جمع کننده از زمین بین 2 تا 6 متر از ورودی تا محل اتصال به دودکش است.
همین ابعاد برای مدلسازی نیروگاه دودکش خورشیدی در این مقاله مورد استفاده قرار گرفته است.
شبکه بندی در نظر گرفته شده از نوع ساختار یافته است که در نزدیکی دیواره ها و مح ل ه ایی که گرادیان پارامترها بیشتر م یشود، برای دستیابی به دقت مناسب ریزتر شده اند.
در شکل ( 3) شبکه بندی استفاده شده نمایش داده شده است.
شبکه بندی صورت گرفته برای مدلسازی جریان در داخل نیروگاه دودکش خورشیدی به منظور تطابق کامل شرایط در نظر گرفته شده در شبیه سازی عددی با شرایط عملکرد واقعی نیروگاه مانزانارس اسپانیا، شرط مرزی فشار ثابت در ورودی و خروجی با مقادیری برابر با فشار اتمسفریک اعمال گردیده است.
دیواره ها نیز بدون 0 در نظر گرفته شده اند .
مرز حرارتی / حرکت و با زبری 5 دیوارها مگر در مواردی که اشاره شده است، عایق حرارتی در نظر گرفته شده است.
دمای محیط برابر 293 کلوین و ثابت در نظر گرفته شده است.
دمای جریان ورودی، جریان برگشتی از خروجی دودکش و سیال بالای سقف جمع کننده برابر با دمای محیط در نظر گرفته شده است.
فرض شده است که دیواره های دودکش عایق بوده و هیچ انتقال حرارتی با محیط اطراف ندارند.
مطابق اطلاعات