دودکش های خورشیدی: راه حل انرژی قابل دوام یا هوای گرم زیاد؟
ما فکر می کنیم توانی که تولید می کنیم از انواع مختلف منابع انرژی می آید؛ نفت، گاز، زغال سنگ، هسته ای، باد… منابع انرژی بسیار متنوع! ولی با این حال، همه این منابع اساساً به حرکت یک گاز در یک توربین منجر می شوند تا در واقع یک ژنراتور را بچرخانند و همراه با انرژی، مقداری آب تولید کنند. حتی برخی از نیروگاه های خورشیدی به این روش کار می کردند و از انرژی خورشید برای گرم کردن آب و تبدیل آن به بخار فشار بالا (نوعی گاز) برای چرخاندن تیغه ها و روشن نگه داشتن چراغ ها استفاده می‌کردند.
یک برج بالابر خورشیدی ( دودکش خورشیدی ) نیز با این اصول اولیه کار می کند، اما در یک پیکربندی نسبتاً منحصر به فرد. زیاد از آغاز عصر صنعتی نگذشته بود که بشریت برای ساختن تعداد زیادی دودکش‌های بزرگ اقدام کرد، و اگر این فناوری منطقی به نظر برسد، می‌توانیم دوباره به آن دست پیدا کنیم. بیایید دریابیم که دودکش خورشیدی چگونه کار می کند و آیا ارزش این همه غوغا را دارد یا اینکه فقط یک دسته هوای گرم است.
درک مفهوم برج بالابر خورشیدی یا دودکش خورشیدی نسبتاً ساده است. ایده این است که یک ساختار گلخانه‌ای بزرگ در اطراف یک دودکش عمودی بلند ایجاد کنیم. همانطور که انرژی خورشیدی از شیشه گلخانه عبور می کند، هوای داخل و همچنین کف و سایر محتویات را گرم می کند. از آنجایی که مسیر هوایی گلخانه به طور کامل به اتمسفر باز نیست، گرما نمی تواند به راحتی توسط همرفت از بین برود، و بنابراین هوای داخل تمایل دارد گرمتر از دمای محیط شود. با گرم شدن هوای زیر گلخانه، چگالی آن کمتر می‌شود و در نتیجه به دلیل نیروی شناوری، می خواهد به سمت بالا حرکت کند و تنها راه خروج آن از دودکش است. بنابراین می توان توربین هایی را در پایه دودکش نصب کرد تا انرژی این هوا را هنگام حرکت به سمت بالا و خارج شدن از برج، جذب کند.
فراتر از تولید برق ساده، برج بالابر خورشیدی نیز پتانسیل خاصی را برای ذخیره انرژی، بسیار شبیه به یک سد برق آبی، ارائه می دهد. از خورشید می توان برای گرم کردن هوای زیر گلخانه استفاده کرد، اما لازم نیست که این هوا بلافاصله از دودکش عبور کند. می‌توان آن را برای مدتی قبل از عبور از توربین ها و بالای پشته ذخیره کرد. به گزارش آرا نیرو برخی منابع پیشنهاد می‌کنند که با افزودن مخازن بزرگ آب به عنوان سینک های حرارتی در زیر گلخانه، قابلیت ذخیره سازی را بیشتر بهبود بخشند. با این حال، مانند تمام ذخیره‌سازهای حرارتی، زمان محدودی دارد، زیرا هوای گلخانه با غروب خورشید و کاهش دمای محیط شروع به از دست دادن انرژی می‌کند.
مهندسی ساده به ما می گوید که توان خروجی بالقوه در درجه اول به مقدار هوای گرمی که برای چرخاندن توربین لازم دارید و اینکه چقدر می توانید توربین را به حرکت درآورید بستگی دارد. بنابراین، یک منطقه جمع کننده گلخانه ای بزرگتر، پتانسیل تولید توان بیشتری خواهد داشت. دودکش بلندتر نیز همینطور خواهد بود که اختلاف فشار بیشتری را بین هوای گرم در سطح زمین و هوای خنک‌تر محیط در ارتفاع بالا ایجاد می‌کند. ممکن است تصور کنید، مقدار زیادی انرژی در هوایی که فقط کمی توسط خورشید گرم شده است وجود ندارد، بنابراین، برای به دست آوردن خروجی قابل توجه، یک کلکتور بزرگ و یک دودکش بزرگ می خواهید. اگر در مورد مقیاس فکر می کنید، می خواهید دودکش هایی با ارتفاع چند صد متری و گلخانه هاییدر مقیاس و مساحت کیلومتر مربع را در نظر بگیرید.
به عنوان راهنما، یکی از پروژه‌های پیشنهادی در استرالیای غربی وعده تولید ۲۰۰ مگاوات برق را داد.
این شامل یک برج با ارتفاع ۱ کیلومتر و یک کلکتور به قطر ۱۰ کیلومتر بود که با هزینه ۱٫۶۷ میلیارد دلار ساخته شد. تیم مهندسی پشت این ایده، Schlaich Bergermann and Partner، خاطرنشان کردند که برج های خورشیدی به سمت بالا فقط در این مقیاس های عظیم معنا پیدا می کنند. نصب های کوچکتر با پنل های خورشیدی فتوولتائیک قابل رقابت نیستند، اما نصب های بزرگتر می توانند قابل رقابت باشند. تاسیسات بزرگ در حوزه دودکش خورشیدی توان کافی برای جبران هزینه های هنگفت ساخت و ساز را خواهد داشت و تعمیر و نگهداری بسیار ارزانی دارد، زیرا در واقع فقط مستلزم راه اندازی توربین ها و ژنراتور است. چراکه در این فناوری، مثل نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک هیچ پنل کثیفی برای تمیز کردن وجود ندارد.
به‌طور کلی، برج‌های هواکش خورشیدی یا به اصطلاح دودکش خورشیدی تا حد زیادی، مفهومی باقی مانده‌اند و پروژه‌های کمی در دنیای واقعی ساخته شده‌اند. بهترین نمونه از یک برج بالارونده واقعی خورشیدی، تلاشی در مقیاس کوچک بود که در Manzanares، محلی در جنوب مادرید اسپانیا در سال ۱۹۸۲ ساخته شد. این برج برای خروجی ۵۰ کیلو وات ساخته شد و قرار بود فقط برای ۳ سال کار کند.
در پایان به مدت ۷ سال کار کرد، قبل از اینکه در سال ۱۹۸۹ به دلیل بادهای طوفانی و سیم های فرسوده برج ۱۹۴ متری فروریخت. دودکش با یک کلکتور به قطر ۲۴۴ متر جفت شد و از ترکیب غشاهای شیشه ای و پلاستیکی برای ایجاد گلخانه استفاده شد.
اخیراً، سایر پروژه های آزمایشی این فناوری را آزمایش کرده اند. محققان در بوتسوانا یک ساختمان در مقیاس کوچک به ارتفاع تنها ۲۲ متر با یک کلکتور کوچک به قطر ۱۵ متر آزمایش کردند. این کشور در عوض به مفاهیم فتوولتائیک و انرژی خورشیدی متمرکز نگاه کرده است.
تلاش‌های چین کمی فراتر رفت، اما نه چندان. در جین‌شاوان، یک پروژه ۲۰۰ میلیون دلاری شاهد ساخت یک برج خورشیدی در زمین‌های بیابانی در سال ۲۰۱۰ بود. این برج‌های خورشیدی را با یک درب ورودی هوا ترکیب می‌کرد که به آن اجازه می‌داد نیروی بادهای غالب را نیز جذب کند. برنامه های بزرگ این بود که ساخت در چند فاز گسترش یابد تا در نهایت ۲۷٫۵ مگاوات تولید شود، اما هرگز به آن نزدیک نشد. تنها ۲۰۰ کیلووات توان داشت و با شکستن پنل‌های شیشه ای در کلکتور گلخانه مواجه شد. در ابتدا قرار بود دودکشی به ارتفاع ۲۰۰ متر داشته باشد، اما یک فرودگاه در نزدیکی به این معنی بود که به جای آن فقط تا ۵۰ متر ساخته می شد. این امر اختلاف فشار موجود را برای کمک به تولید برق از هوای گرم شده بسیار محدود کرد. این پروژه چندین سال ادامه یافت، اما تاثیر کمی بر جای گذاشته است.
مطمئناً برج های خورشیدی یا دودکش خورشیدی مفهوم جالبی هستند. آنها بر فیزیک ساده تکیه می کنند و به راحتی قابل درک هستند. با این حال، برای تولید توان قابل توجه، آنها به زمین های عظیم و برج های فوق العاده بلند نیاز دارند. آنها چالش های زیادی را به همراه دارند که بسیاری از آنها صرفاً مربوط به ساخت و ساز و کاربری زمین است و ناشناخته های زیادی را به همراه دارد.
در مقایسه، ما اکنون یاد گرفته‌ایم که چگونه پنل‌های خورشیدی را بر روی هر سطح صافی بچسبانیم و می‌توانیم انرژی زیادی را از طریق آن تولید کنیم. آنها حتی الان روی آب نصب می‌شوند. تعداد کمی از دولت‌ها یا کسب‌وکارها می‌خواهند یک پروژه تولید برق در آسمان را بپذیرند که شامل ساخت و ساز در مقیاس عظیم است، در حالی که مسیرهای آسان‌تری برای رفتن وجود دارد. به نظر می رسد که فناوری به خوبی از نقطه ای که دودکش های خورشیدی ممکن است قابل دوام باشند، عبور کرده است، اما چه کسی می داند! شاید یک روز، کسی که پول زیادی دارد و علاقه زیادی به پروژه‌های بزرگ دارد، ممکن است یک بار دیگر آن را به واقعیت تبدیل کند.
نویسنده: Lewin Day
