به گزارش روز دوشنبه روابط عمومی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، امیر عارفیان دانش آموخته 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 بین المللی از یک سو 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 قابل اعتماد 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.
دانش آموخته مهندی مکانیک ادامه داد: تأثیر این نیروی شناوری در امتداد دودکش که در مرکز جمع‌کننده قرار دارد، به ایجاد جریان جابجایی طبیعی و بالارونده منجر می‌شود. بخشی از انرژی جنبشی جریان هوای بالارونده در مجموعه توربین هوایی و مولد نصب شده در پایه دودکش به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
عارفیان گفت: نیروگاه دودکش خورشیدی در پیکربندی پایه و شناخته شده آن دارای فناوری سطح بالایی نبوده و تمامی زیرسامانه‌ها و اجزای آن قابلیت بومی‌سازی و ساخت داخل را دارد.
وی تاکید کرد: با اجرای این پژوهش و بکارگیری نتایج آن در خصوص استفاده از انباره‌های گرمایی طبیعی و مصنوعی برای این نوع نیروگاه، علاوه بر عواید فنی و زیست محیطی، هزینه تراز شده انرژی (LCOE) بطور محسوس کاهش می یابد. پژوهش حاضر گام مهمی در راستای تجاری‌سازی و استفاده بزرگ مقیاس از این فناوری برداشته است.
پژوهشگر دانشگاه امیرکبیر گفت: هزینه تراز شده انرژی در نیروگاه دودکش خورشیدی بهینه شده با راهکاری‌های مورد بحث 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 مورد توجه طیف وسیعی از پژوهشگران پیشین بوده است، نوآوری ممتاز و منحصربفردی را برای توسعه استفاده از انباره‌های گرمایی چه در سطح طراحی، چه در سطح تأمین مواد و تجهیزات و چه در سطح اجرا در بزرگ مقیاس به همراه داشته است.
دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر ادامه داد: 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 از جمله 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 بهبوده یافته منتج از پژوهش حاضر برای نیروگاه دودکش خورشیدی بوده است.
عارفیان خاطرنشان کرد: اجرای پژوهش حاضر مبتنی بر مدلسازی نیمه-تحلیلی رفتار دینامیکی و در بستر زمان نیروگاه دودکش خورشیدی بوده است. در این مدل سازی با توسعه روابط حاکم بر سامانه از جمله 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 ایجاد شده در جمع‌کننده خورشیدی، سرعت هوای بالارونده و توان خروجی از توربین-مولد برقرار شده است. دستگاه معادلات دیفرانسیل-جبری (DAE) کاملاً غیر خطی و جفت شده منتج از این مدل سازی با ۲۵۱ معادله-۲۵۱ مجهول حل شده است.
عارفیان افزود: همچنین به منظور اعتبارسنجی نتایج مدل سازی نیمه-تحلیلی، یک پایلوت کوچک مقیاس از نیروگاه دودکش خورشیدی (با ارتفاع دودکش هشت متر و شعاع جمع‌کننده چهار متر) ساخته شده و پس از تجهیز به ابزار اندازه‌گیری شامل تابش سنج، دماسنج، سرعت سنج و غیره در شرایط محیط واقعی مورد آزمون قرار گرفته است.
وی تصریح کرد: داده‌های تجربی پایلوت نیروگاه دودکش خورشیدی امیرکبیر علاوه بر اعتبارسنجی نتایج مدل سازی نظری، به منظور ارزیابی عملی راهکارهای بهبود عملکرد و همچنین تدوین بانک اطلاعات عملکرد تجربی نمونه پایلوت این نیروگاه مورد استفاده قرار گرفته است.
این محقق درباره کاربرد پروژه گفت: کاربرد اصلی این پروژه در صنعت نیروگاهی (متوسط مقیاس و بزرگ مقیاس) و نیروگاه‌های انرژی‌های تجدیرپذیر است.
وی افزود: با این حال 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 بطور خاص خشک‌کن های خورشیدی غیرفعال (Passive) استفاده کرد.
عارفیان درباره ویژگی‌های طرح گفت: نیروگاه دودکش خورشیدی به عنوان یکی از جدیدترین فناوری‌های انرژی خورشیدی، می تواند مناسب‌ترین گزینه برای رقابت با نیروگاه‌های تولید توان رایج از نظر اقتصادی و صیانت از محیط زیست در عدم مصرف آب و عدم تولید آلاینده باشد.
وی تاکید کرد: بر این اساس و با توجه به پتانسیل بالقوه کشور ایران از نظر 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.
عارفیان درخصوص مزیت‌های رقابتی طرح گفت: این فناوری دارای مزیت‌های مطلق و نسبی فناوری است. توسعه و بکارگیری آن را در مقایسه با سایر نیروگاه‌های سنتی فسیلی و حتی نیروگاه‌های تجدیدپذیر را ممتاز می‌سازد.
وی با بیان اینکه هزینه زمین و محل احداث این نوع نیروگاه‌ها کمینه و یا رایگان است، گفت: سوخت این نیروگاه رایگان و در اغلب نقاط جهان در دسترس است. همچنین این نیروگاه نیازمند هیچ گونه آب مصرفی در چرخه اصلی یا به عنوان سیال خنک‌کاری نیست 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. ایران به عنوان یکی از غنی‌ترین کشورها از حیث تابش خورشید و با توجه به خاص بودن اقلیم و ناهمواری‌های سرزمینی به عنوان یکی از قطب‌های مستعد توسعه و بهره‌برداری از این نوع نیروگاه‌ها امکان‌سنجی شده است.
وی درباره کاربردهای پروژه گفت: نیروگاه‌های متوسط مقیاس و بزرگ مقیاس دودکش خورشیدی اعم از ثابت، شناور یا شیب‌دار (ساخته شده بر روی ناهمواری‌های آفتاب‌گیر سرزمینی)، سامانه‌های تهویه طبیعی ساختمانی‌های مسکونی، تجاری و صنعتی، سامانه‌های خشک‌کن خورشیدی کوچک مقیاس و متوسط مقیاس صنعتی از کاربردهای این پروژه هستند.
پایلوت‌های آزمایشگاهی کوچک مقیاس از پیکربندی پایه نیروگاه دودکش خورشیدی در سطح جهان و در داخل کشور و با اهداف از پیش تعیین شده مختلف، طراحی، ساخته و به اجرا رسیده است. با این حال پایلوت نیروگاه دودکش خورشیدی ثابت دانشگاه صنعتی امیرکبیر از حیث مقیاس و پارامترهای مورد مطالعه 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 ۸۱۵۹۲ در اداره کل مالکیت صنعتی سازمان ثبت اسناد و املاک کشور به ثبت رسیده است.
اولین نیروگاه متوسط مقیاس بهره‌برداری شده از این فناوری مربوط به مانزانارس اسپانیا است که در دهه ۱۹۸۰ میلادی به مدت هشت سال مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین در حال حاضر یک نیروگاه متوسط مقیاس ۲۰۰ کیلوواتی در ووهای چین مورد بهره‌برداری قرار دارد. نیروگاه‌های تجاری بزرگ مقیاس در کشورهایی نظیر آمریکا، چین، استرالیا، آفریقای جنوبی و غیره در دست طراحی و برنامه‌ریزی جهت احداث است.
هدایت و راهنمایی این پژوهش توسط دکتر رضا حسینی ابرده، استاد و عضو هیات علمی دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام شده است.
