دانلود مقاله انرژی خورشیدی

مقدمه:

در شرایط کنونی، تلاش در جهت خودکفایی و رفع وابستگی های تکنولوژی کشورمان، یکی از مبرمترین وظایف آحاد ملت ایران است و هرکس بنابه موقعیت خویش بایستی در این راستا گام بردارد.

یکی از صنایع کشور که پیشرفت دیگر صنایع در گرو پیشرفت و توسعه آن است، صنعت برق می باشد.

نیروگاههای موجود تولید برق از تکنولوژی بسیار بالایی برخوردارند، به طوری که در حال حاضر طراحی و ساخت آنها در انحصار چند کشور خاص می باشد.

با توجه به اینکه رسیدن به این تکنولوژی در آینده نزدیک برای مان مقدور نیست، این سؤال پیش می آید که برای تأمین انرژی بدون نیاز به تکنولوژی وارداتی چه باید کرد؟

برج نیرو پاسخ مناسبی است به این سؤال چرا که از یک سو بحران انرژی را حل کرده و از سوی دیگر با داشتن تکنولوژی ساده و در عین حال مناسب برای شرایط اقلیمی کشورمان می تواند ما را در تأمین انرژی موردنیاز یاری نماید.

در ابتدا پیش گفتاری در مورد بحران انرژی در جهان آورده شده و در ادامه آن مقایسه ای اجمالی بین انواع انرژیهای موجود و لزوم استفاده از انرژی خورشید مورد بررسی قرار گرفته است.

در فصل اول پس از آشنایی مقدماتی با برج نیرو، مختصری در مورد کیفیت ساختمانی اجزاء برج و عملکرد آنها بیان شده و نهایتاً امکانات بهره برداری اضافی و افزایش راندمان در برجهای نیرو مطرح شده است.

فصل دوم به تئوری تشعشع خورشید اختصاص داده شده.

در این قسمت با توجه به نیازی که مشاهده گردید ابتدا مکانیزم پدیده تشعشع و قوانین مربوط به آن به طور خیلی مختصر گفته شده است.

در ادامه مطلب، تشعشع خورشید و عواملی که برروی شدت تشعشع آن اثر می گذارند و نهایتاً پوشش ها بررسی شده اند.

فصل سوم شامل محاسبات دودکش است.

در این فصل فشار رانش دودکش، دمای هوای خروجی از دودکش، تلفات دودکش و بالاخره راندمان دودکش مطرح شده است.

در فصل چهارم به بررسی تئوریک توربین پرداخته شده است.

ابتدا با داشتن افت فشار در دوطرف پروانه قدرت ماکزیمم توربین محاسبه شده و سپس با داشتن قدرت ماکزیمم، فاکتور بتز، برای این نوع توربین خاص بدست آمده است.

نهایتاً توان واقعی و نیروی وارد بر پره ها، مورد بررسی قرار گرفته اند.

فصل پنجم شامل اطلاعات مختصری در مورد کلکتور است.

در این فصل به بررسی بالانس انرژی در کلکتور، پرداخته شده است.

همچنین مقایسه ای بین بالانس انرژی برجهای نیرو و سایر نیروگاههای خورشیدی انجام شده است.

فصل ششم به ارزیابی اقتصادی برج های نیرو اختصاص داده شده.

در این قسمت ابتدا، هزینه مخصوص اجزاء مختلف (دودکش، توربین، کلکتور) و سپس هزینه مخصوص کل پروژه برای دو نوع پوشش شیشه ای و پلاستیکی مورد بررسی قرار گرفته است.

در ادامه برخی از مزیتهای برج نیرو نسبت به سایر نیروگاهها، بیان شده است.

در فصل آخر مشخصات و نتایج حاصل از اولین برج نیروی آزمایشی که در مانزانارس اسپانیا احداث گردیده آورده شده است.

پیش گفتار:

چرا انرژی خورشیدی؟

مصرف انرژی در جهان به طور سرسام آوری رو به ازدیاد است.

بالارفتن سطح زندگی مردم که با جانشین شدن انرژی مکانیکی بجای انرژیهای انسانی و حیوانی همراه بوده است از یکسو و ازدیاد جمعیت از سوی دیگر باعث بالارفتن میزان مصرف انرژی شده اند.

بشر مترقی امروز برای تولید آب آشامیدنی، برای تولید مواد غذایی و برای کلیه کارهای روزمره خود نیازمند استفاده از انرژی می باشد.

بطوریکه بدون انرژی زندگی او کلاً مختل می گردد.

طبق برآوردهایی که دانشمندان نموده اند، از ابتدای خلقت تا سال 1852 میلادی، بشر معادل 1.2×1015 کیلووات ساعت و در فاصله 1852 تا 1952 نیز معادل 1.2×1015 کیلووات ساعت انرژی مصرف نموده است.

پیش بینی می شود که در فاصله 1952 تا 2052 مصرف انرژی بشر به 30×1015 تا 120×1015 کیلووات ساعت برسد.

امروزه بین تقاضای انرژی و انرژیهای در دسترس و قابل مهار هماهنگی وجود ندارد و دنیای امروز با این بحران بزرگ روبروست.

آنچه مسلم است منابع شناخته شده انرژی مورد استفاده بشر (نظیر ذغال سنگ، نفت، گاز و غیره) در صورتیکه صددرصد نیزقابل مهار و استخراج باشند نمی توانند پاسخگوی نیازهای آتی بشر باشند و دیری نخواهد پائید که این منابع نیز به اتمام خواهند رسید.

در ضمن نگهداری و حفظ بعضی از منابع جهت کاربردهای فوق العاده ویژه نظیر تغذیه و داروسازی ضرورت دارد از سوی دیگر استفاده از اینگونه انرژیها با مشکلاتی توأم می باشد.

مثلاً در مورد سوختهای هسته ای، امکان تبدیل آنها محدود بوده و همچنین استفاده از آنها تکنولوژی پیشرفته ای لازم دارد.

بعلاوه از بین بردن فضولات آن نیز مشکلاتی ایجاد می کند.

در مورد سوختهای فسیلی نیز استفاده مداوم از هریک از آنها در درازمدت ضمن داشتن مخاطره های محیط زیست هزینه های اقتصادی فزاینده ای را به دنبال دارد.

منابع شناخته شده انرژی عبارتند از:

سوختهای فسیلی (شیمیایی) نظیر زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی

چوب، فضولات گیاهی، حیوانی و انسانی (بیوماس)

مواد غذایی (انرژی مصرفی انسان و حیوان)

جریان آبهای سطحی مانند رودخانه ها و آبشارها

باد

امواج دریا

جزر و مد

حرارت زیر پوسته زمین (ژئوترمال)

حرارت آب سطح دریاها

واکنشهای هسته ای

انرژی خورشید.

در این قسمت منابع مختلف انرژی بطور مختصر با یکدیگر مقایسه می شوند.

1- سوختهای فسیلی: سوختهای فسیلی مرسومترین منبع انرژی مورداستفاده بشر است.

بشر برای اینکه از منابع سوختهای فسیلی استفاده کند مجبور است که آنها را سوزانده بصورت انرژی گرمایی درآورد تا هم برای مصارف گرمایی و هم برای تبدیل به سایر انرژیها مثل الکتریکی و مکانیکی مناسب باشد.

مشهورترین اثر نامطلوب استفاده از سوختهای فسیلی، آلودگی محیط زیست می باشد، بخصوص سوختن زغال سنگ باعث تولید گازهای اکسید گوگرد، اکسید ازت، دی اکسید کربن و نیز ریزش بارانهای اسیدی می‌گردد.

در ضمن گازکربنیک بصورت مانعی در مقابل تشعشع حرارتی زمین به آسمان عمل می کند و در درازمدت موجب افزایش دمای کره زمین می گردد که خود اثرات نامطلوبی برروی محیط زیست می گذارد.

مشخصه دیگر سوختهای فسیلی محدود بودن منابع آن است و بشر فقط تا چند سال دیگر قادر خواهد بود که احتیاجات خود را از این منابع تأمین نماید.

بدین ترتیب منابعی را که طبیعت در مدت چهار میلیون سال بوجود آورده، بشر در مدتی کمتر از چهارصد سال بکلی مصرف خواهد نمود.

البته کشور ما خوشبختانه بخاطر بهره از منابع عظیم نفت و گاز نسبت به بسیاری از کشورهای جهان، وضعیت خوبی دارد، ولی ناچار به جستجوی راههای مطمئن تر و پایدار تر برای تولید انرژی مصرفی در سالهای آتی هستیم.

بخصوص که در وضعیت فعلی، مقدار زیادی از نفت استخراجی کشور در بازارهای جهانی به فروش می رسد.

2- چوب، فضولات گیاهی، حیوانی و انسانی: این مواد که قابل تبدیل به انرژی هستند کلاً به نام بیوماس نامیده می شوند.

روش تبدیل این مواد به انرژی به دو صورت زیر می‌باشد:

مواد گیاهی، حیوانی یا انسانی فوق الذکر را یا از طریق سوزاندن مستقیماً به حرارت تبدیل می کنند و یا اینکه تحت شرایط خاصی آنها را تخمیر کرده و با تولید بیوگاز، قسمتی از انرژی موردنیاز را تأمین می کنند.

اشکال روش فوق تکنولوژی نسبتاً پییچده آن است که استفاده از آن را در محیطهای روستایی با توجه به نیروی انسانی متخصص، محدود می کند.

مسأله قابل توجه این است که این گونه انرژیها نیز محدود بوده و نمی تواند به عنوان یک منبع انرژی مطمئن برای بشر محسوب گردند.

3- دیگر انرژیها: مانند انرژی جریان آبهای سطحی، رودخانه ها و آبشارها، انرژی باد، انرژی جزر و مد دریاها (که بدلیل جاذبه ماه ایجاد می شود) انرژی ژئوترمال ( که استفاده از آن محدود به نواحی است که به این انرژی دسترسی دارند).

این انرژیها تا حدودی می‌توانند نیازهای انرژی جهان را برطرف کنند، لکن هیچیک از این انرژیها تکیه گاه مطمئنی برای انرژی بشر محسوب نمی گردد.

تنها انرژیهایی که می توانند به عنوان تأمین کننده نیازهای انرژی بشر در آینده موردبحث قرار گیرند، انرژی خورشید و انرژی واکنشهای هسته ای آن هم از نوع فیوژن می باشد.

در این مقاله با اینکه بر آن هستیم که کاربرد انرژی خورشیدی را مطرح کنیم، اما با توجه به اینکه پیش بینی می شود واکنشهای هسته ای فیوژن اهمیت زیادی در تأمین انرژی آتی بشر دارد، لازم می دانیم که تاحدودی نیز در این باره بحث گردد.

واکنشهای هسته ای: واکنشهای هسته ای که بشر می تواند از آنها کسب انرژی نماید عموماً بر دو نوع زیر می باشند.

الف- واکنش هسته ای فیژن:

واکنش هسته ای فیژن عبارتست از شکست هسته اتمهای سنگین و بهره برداری از انرژی حاصل از شکست هسته (فیژن).

این کار در واقع در سال 1939 توسط گروهی به سرپرستی فرمی، آغاز شد.

مسأله مبتنی بر فرمول معروف اینشتین یعنی E=mc2 بود.

بدین ترتیب که وقتی هسته یک اتم سنگین مثل اورانیوم 235 ، بمباران نوترونی شود، اورانیوم به اتمهای سبکتری شکسته می شود بطوریکه مجموع جرم آنها (اتمهای سبک ایجاد شده و نوترونهای آزاد شده) از مجموع جرم اورانیوم و نوترون بمباران کننده کمتر خواهد بود.

برطبق فرمول اینشتین این کاهش جرم بصورت انرژی آزاد می گردد.

چنانچه این تبدیل جرم به انرژی بصورت زنجیره ای انجام گیرد، انرژی فوق العاده ای ایجاد می شود که قابل استفاده خواهد بود.

البته تمام انرژی آزاد شده توسط فیژن قابل استفاده و بهره برداری نیست و قسمتی از آن به صورت تشعشع در می آید، ولی بیشتر آن که قابل بهره برداری است، بصورت انرژی جنبشی توسط نوترونهای ساطع شده و ذرات حاصل از فیژن حمل می شود.

در عمل می توان توسط دستگاهی به نام رآکتور این انرژی را به سیالی مانند آب داده و از انرژی بخار آن بهره برداری کرد.

طبق آمار سال 1982 جمعاً 277 نیروگاه هسته ای در 24 کشور جهان با ظرفیت تولیدی 160,000 مگاوات قدرت الکتریکی وجود داشته که تقریباً 15% از مصرف برق جهان را در این سال تأمین نموده است.

با اینکه با کشف امکان استفاده از واکنش هسته ای فیژن برای تولید انرژی در سطح بسیار گسترده، به یک منبع جدید از انرژی متمرکز دست یافته شده، ولی این منبع نیز بخاطر محدودبودن منابع اورانیوم، نمی تواند نگرانی بشر را برای سالهای پربحران آینده که همچنان سیر صعودی افزایش مصرف ادامه خواهد داشت، رفع کند.

ب- واکنش هسته ای فیوژن:

واکنش هسته ای فیوژن عبارتست از در هم رفتن هسته ای اتمهای سبک.

این روش تولید انرژی همان طریقی است که در طبیعت انرژی تولید می شود.

بدین معنا که در خورشید و سایر ستارگان، اتمهای هیدروژن درهم رفته و تبدیل به اتمهای هلیوم می شوند.

در نتیجه این عمل مقدار زیادی انرژی تولید می گردد.

این روش تولید انرژی در کره زمین نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی بکار گرفته شده است.

بدین ترتیب که در اطراف مخزنی از اتم دوتریم که ایزوتوپی از هیدروژن است یک بمب منفجر می کنند و در نتیجه در هم رفتن هسته انجام می شود که انرژی فوق العاده تولید می نماید.

اما تولید کنترل شده انرژی به روش درهم رفتن هسته ای، مسأله مهندسی دشواری است که در دهه های اخیر مورد مطالعه قرار گرفته است.

دوتریم را می توان از آب دریا بدست آورد.

با توجه به اینکه در 6500 اتم هیدروژن در آب یک اتم دوتریم وجود دارد، محاسبه نشان می دهد که در هر لیتر آب دریا معادل 200 لیتر بنزین، انرژی حرارتی وجود دارد.

برای تولید انرژی درهم رفتن هسته ای لازم است که یک سری فعل و انفعالات هسته ای رخ دهد.

این فعل و انفعالات همان فعل و انفعالات انجام شده در خورشید و دیگر ستارگان است که در خورشید در درجه حرارت 15 میلیون درجه کلوین انجام می شود و اگر بخواهیم این فعل و انفعالات در روی زمین انجام گیرد، نیاز به درجه حرارتی در حدود 20 میلیون درجه کلوین می باشد.

دیده می شود که این اعمال در خورشید در درجه حرارت پایین تری انجام می شود و این به علت فشار زیاد و در دسترس بودن مقدار زیادی اتم هیدروژن است.

می دانیم که ماده در طبیعت به صورت جامد، مایع و گاز وجود دارد .

اما در درجات خیلی بالا ماده به وضع جدیدی در می آید که به آن پلاسما می گویند و حالت چهارم ماده است.

در این حالت انرژی بقدری بالا است که الکترونها هسته های خود را ترک می کنند و ماده به صورت گاز یونیزه شده ای در می آید که مخلوطی از هسته های مثبت و الکترونهای منفی می باشد.

البته پلاسما دارای بار الکتریکی نبوده و خنثی می باشد و خواص آن کاملاً با گاز طبیعی فرق دارد.

انرژی تولیدشده در اثر درهم رفتن هسته ای یک گرم دوتریم 2.352×108 کیلوژول می باشد و یک گالن آب دریا در حدود گرم دوتریم دارد که معادل 2.94×107 کیلوژول انرژی تولید می کند مقدار کل دوتریم موجود در آب اقیانوسها، 4.5×1019 گرم است که ارزش حرارتی آن 3×1024 کیلووات ساعت می باشد و این مقدارا نرژی می تواند میلیاردها سال انرژی لازم بشر را تأمین کند.

البته بایستی توجه داشت که دست یافتن به این تکنولوژی بسیار مشکل است، زیرا ایجاد حالت پلاسما برای ماده نیاز به درجه حرارت بسیار بالایی دارد که در این درجه حرارت تمام فلزات بصورت مذاب می باشند و به همین دلیل دست یافتن به این تکنولوژی در آینده نزدیک مقدور نمی باشد.

هرچند که اگر بشر به چنین تکنولوژی دست یابد، در واقع انرژی آینده خویش را تأمین کرده است.

انرژی خورشید:

منشأ بسیاری از انرژیهای یادشده انرژی خورشید می باشد.

به عنوان مثال: خورشید باعث تبخیر آب و در نتیجه سبب افزایش انرژی پتانسیل آن می شود که این خود منبع نیروی برق آبی است و یا تولید باد که به علت گرمایش سطح زمین در اثر تابش خورشید بوجود می آید و خود باد باعث بوجود آمدن امواج دریا می شود.

همچنین انرژی که گیاهان سبز تولید می کنند و انرژی فسیلی که ناشی از انباشته شدن آنها می باشد، نیز منشأ خورشیدی دارد و خلاصه با کمی تأمل دیده می شود که تقریباً منشأ اکثر انرژیها، انرژی خورشید می باشد.

امروز بیش از 99.9 درصد از مجموع انرژیهایی که به زمین منتقل می گردد از خورشید منشأ می گیرد که مقدار آن 1.8×105 تراوات است (Tera=1012) انرژی حاصل از تابش خورشید که در هر روز به زمین می رسد 100,000 برابر مقدار انرژی تولیدشده توسط کلیه نیروگاههای جهان است.

بنابراین با توجه به تابش خورشید که به میزان 1.8×105 تراوات بوده کمبود بالقوه انرژی در جهان وجود ندارد و انرژی خورشید با مقداری معادل 20,000 برابر مصرف کنونی بشر، بنظر می رسد که منبع مناسبی برای تأمین احتیاجات او باشد، بخصوص اینکه استفاده از آن هیچ گونه آلودگی محیطی و حتی آلودگی حرارتی بوجود نمی آورد.

کاربرد انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی برای مصارف بزرگ از امیدهای آینده است.

اشکال بزرگ در کاربرد انرژی خورشیدی، متمرکز نبودن، تناوبی بودن و ثابت نبودن مقدار تشعشع می باشد که اگر بتوانیم وسیله ای جهت متمرکز کردن آن بسازیم، بطوریکه نوسانات آن تأثیر زیادی برروی آن نگذارد به یک منبع انرژی بسیار بزرگ دست یافته ایم که تا قرنها می تواند تأمین کننده نیاز انرژی بشر باشد.

با توجه به وضع انرژی در جهان و رشد جمعیت و مصرف در جهان، اگر بطور هوشمندانه رفتار کنیم خواهیم دید که خورشید تنها منبع انرژی است که انرژی آن بوفور و بصورت رایگان و در همه ادوار در اختیار می باشد.

بعلاوه اینکه در تبدیل انرژی خورشید مسائلی نظیر آلوده کردن محیط زیست وجود ندارد.

همان طور که قبلاً ذکر شد انرژی خورشید که در زمین می تواند مورد استفاده قرار گیرد، حدود بیست هزار برابر کل انرژی موردمصرف فعلی بشر می باشد.

اگر راندمان تبدیل انرژی خورشید به انرژی موردنیاز بشر را تنها 1% در نظر بگیریم، 0.5% سطح کره زمین برای تقاضای کل انرژی بشر کافی خواهد بود. 

اگر راندمان تبدیل انرژی خورشید به انرژی موردنیاز بشر را تنها 1% در نظر بگیریم، 0.5% سطح کره زمین برای تقاضای کل انرژی بشر کافی خواهد بود.

برطبق گزارش ERDA (اداره کل تحقیقات و توسعه انرژی)، کل انرژی موردنیاز ایالات متحده در سال 2020 از انرژی خورشیدی تأمین خواهدشد.

با توجه به آلودگی محیط زیست از یکسو و رشد مصرف انرژی و کمبود انرژیهای موجود از سوی دیگر، برخی از دانشمندان تنهاراه حل این بحران را استفاده از انرژی خورشیدی می دانند.خورشیدی که زندگی ما ازبدوخلقت‌جهان همیشه بدان‌بستگی‌داشته و خواهدداشت.

با توجه به موقعیت جغرافیایی کشورمان، خواهیم دید که ایران با تقریباً 3600 ساعت تابش خورشید در سال، یکی از غنی ترین ممالک در زمینه انرژی خورشیدی می باشد و می تواند ما را در بکارگیری این انرژی مخصوصاً در تولید برق یاری نماید.

یکی از طرحهای مفید در زمینه تولید برق از انرژی خورشید، طرح برج نیرو می باشد که با استفاده از این طرح می توان حتی نیروگاهی با تولید 1000 مگاوات احداث کرد.

مخصوصاً در کشورما که از نعمت آفتاب فراوان بهره مند است و در عین حال هنوز از صنایع و تکنولوژی عالی برخوردار نیست، می توانیم با استفاده از تکنولوژی برجهای نیرو که ساده‌ترین روش تبدیل انرژی خورشید به انرژی الکتریکی است به منبع مطمئن و مداومی در جهت تأمین انرژی کشورمان دست یابیم.

فصل اول آشنایی با برج نیرو مقدمه: برج نیرو مدرن ترین و اقتصادی ترین مولد انرژی الکتریکی، با استفاده از انرژی خورشید است.

انرژی خورشید در کلکتور این برج، در مقیاسی وسیع هوای گرم تولید نموده و آن را به سمت یک دودکش بلند هدایت می کند.

در اثر تغییر دانسیته هوا بعلت گرم شدن و همینطور اختلاف فشار بالا و پایین دودکش جریان شدیدی از باد بوجود می آید.

باد حاصل که اصطلاحاً باد القائی نامیده می شود، دارای انرژی زیادی بوده که می توان بوسیله یک توربین بادی این انرژی را به انرژی الکتریکی تبدیل نمود و آن را مورد استفاده قرار داد.

فکر ایجاد این نیروگاه از جمع سه اصل شناخته شده علمی مربوط به طرز کار گرم خانه‌های آفتابی، آسیابهای بادی و یک دودکش بلند سرچشمه گرفته است که ابتکار آن از پروفسور اشلایش استاد دانشگاه اشتوتگارت می باشد.

برج نیرو از اجزاء زیرتشکیل شده است: الف- محوطه گلخانه ای یا اصطلاحاً کلکتور که خاک و هوای زیر پوشش بوسیله تشعشع خورشید گرم می شود.

ب- دودکش که در اثر اختلاف فشار طرفین آن، هوا در داخلش به جریان می افتد.

ج- توربین بادی که انرژی باد را از طریق ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.

عملکرد برج نیرو را می توان بدین گونه تشریح کرد: انرژی خورشید پس از عبور از پوشش شفاف کلکتور، جذب خاک می شود.

کف کلکتور (سطح زمین) را اصطلاحاً جذب کننده می گوییم.

برای افزایش ضریب جذب، سطح جذب‌کننده را با خاک سیاه می پوشانند.

خاک که به عنوان یک جذب کننده طبیعی عمل می کند، پس از گرم شدن با انتقال حرارت به روشهای جابجایی و تشعشع در باند طول موج بلند، باعث افزایش درجه حرارت زیر پوشش می گردد.

از آنجا که پوشش برای تشعشعات با طول موج بلند، همانند یک جسم کدر رفتار می کند (مانع عبور تشعشعات حرارتی با طول موج بلند می شود) از تلفات حرارتی زیاد به بیرون جلوگیری می کند.

هوا در اثر افزایش درجه حرارت، سبک شده و با توجه به اختلاف فشاری که دودکش ایجاد می کند، جریانی از باد به سمت دودکش روانه می شود.

این جریان باد باعث مکش هوا از پیرامون کلکتور به درون آن می گردد.

بطور مداوم هوا پس از کسب گرما، منبسط شده و در داخل دودکش جریان می یابد و به این صورت جریان پیوسته ای از باد بوجود آمده که پس از ورود به دودکش و برخورد به توربین، انرژی جنبشی آن به انرژی مکانیکی و در نهایت به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

اجزاء برج نیرو: در این قسمت مختصری درباره کیفیت ساختمانی این اجزاء بحث می گردد.

1- دودکش: تکنیک های مختلفی برای ساخت دودکش وجود دارد که ساده ترین و در عین حال اقتصادی ترین نوع آن دودکش های فلزی پیش ساخته است.

در این نوع دودکش، هر قطعه آن از ورق گالوانیزه و مقاوم در مقابل خوردگی و عوامل محیطی ساخته می شود.

ضخامت ورق بکاررفته در آن تابع عمر قابل استفاده ای است که برای دودکش درنظر می گیرند که عمر دودکش نیز به نوبه خود، تابع شرایط جوی محل، ارتفاع و قطر دودکش، خواص فیزیکی هوایی که از دودکش می گذرد و نهایتاً کیفیت بارندگی، باد، زلزله و سایر عوامل محیطی است.

در واحدهای با ظرفیت بالا که دارای دودکش فلزی هستند، چون ارتفاع دودکش فوق العاده زیاد است، برای پایداری آن از کابلهای مهارکننده و وزنه های بالانس استفاده می شود.

دودکش های غیرفلزی، معمولاً از بتن مسلح ساخته می شوند.

از این دودکش ها هنگامی که نسبت ارتفاع دودکش به قطر آن کوچک باشد استفاده می گردد.

اتصال دودکش به فنداسیون به نحو خاصی صورت میگیرد.

ضمن اینکه نباید مزاحمتی برای جریان باد به داخل دودکش ایجاد کند، باید قادر باشد نیروی وزن دودکش و ممان خمشی حاصل از بارهای جانبی را کاملاً به فنداسیون منتقل کند.

2- توربین و ژنراتور: توربین انرژی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

تغییراندازه حرکت باد در اثر برخورد به پره های توربین باعث چرخش آن و تولید برق در ژنراتور می شود.

توان تولیدشده در ژنراتور با سطح مقطع عبور جریان و با توان سوم سرعت متناسب است.

به علت ناپایداری توربین در سرعتهای زیاد و در نتیجه افزایش استهلاک توربین، سرعت جریان هوا چندان قابل افزایش نخواهد بود.

لذا طراحان برای افزایش توان ژنراتور، مقطع عبور جریان را بیشتر می کنند.

به همین علت این نوع توربین ها از ابعاد بزرگتری برخوردار بوده دارای پره‌های طویل می باشند.

اصول کار این نوع توربینها، مشابه اصول کار توبینهای باد طبیعی است، با این اختلاف که در این توربینها محور بصورت قائم است ولی در توربینهای باد طبیعی محور به صورت افقی قرار می گیرد.

بنابراین با اندکی تغییرات در توربینهای بادی، می توان از آنها برای برج نیرو نیز استفاده کرد.

پایداری این توربینها در مقایسه با توربینهای باد طبیعی به علت یکنواختی جریان در دودکش و کمبود نیروهای دینامیکی بیشتر است.

مقدار انرژی تشعشعی در طی ساعات مختلف روز و بسته به وضعیت جوی تغییر می کند.

این تغییرات باعث متغیر بودن سرعت توربین و در نتیجه عدم تثبیت فرکانس در خروجی ژنراتور می شود.

برای تثبیت فرکانس متدهای مختلفی وجود دارد که در زیر به یکی از آنها اشاره می شود: - ابتدا جریان متناوب خروجی از ژنراتور که دارای فرکانش متغیر است، به جریان مستقیم تبدیل می شود.

سپس جریان مستقیم را با استفاده از اینورتور، به جریان متناوب با فرکانس ثابت تبدیل می کنند.

در این صورت با متغیر بودن دور توربین، همواره فرکانس، ثابت خواهد ماند و توان خروجی از ژنراتور قابل تزریق به شبکه مصرف کننده خواهد بود.

سرعت باد در طول روز متغیراست بطوریکه سرعتهای مختلف، فرکانسهای مختلفی را خواهد داشت و فرضاً مقدار متوسطی هم می توان برای آن فرض کرد.

حال با توجه به تعادل اقتصادی بین انرژی و هزینه تجهیزات (توربین ژنراتور) و منحنی فرکانس- سرعت باد، ظرفیت ژنراتور را براساس سرعت مشخصه ای تعیین می کنند که حدوداً 1.5 تا 2 برابر سرعت متوسط باد در یک روز نرمال از سال است.

در سرعتهای بالاتر از سرعت مشخصه، انرژی باد بیشتر از ظرفیت سیستم خواهد بود.

لذا برای جلوگیری از صدمات احتمالی به سیستم، آن را طوری طراحی می کنند که در سرعتهای بالاتر از سرعت مشخصه، توان ژنراتور همواره ثابت بماند و برابر ظرفیت اسمی آن باشد.

در سرعتهای پایین تر از سرعت مشخصه، سیستم عمل می کند، یعنی ژنراتور برق تولید می کند؛ اما تولیدی کمتر از ظرفیت اسمی.

‌برای توربینهای بادی یک سرعت حداقل مجاز تعریف می شود.

اگر سرعت باد به حدی برسد که عمل کردن سیستم اقتصادی نباشد به این سرعت، «سرعت حداقل مجاز» گفته می شود.

سرعت حداقل مجاز به ظرفیت ژنراتور انتخاب شده بستگی دارد و درواقع هرچه قدرت اسمی ژنراتور بیشتر باشد سرعت حداقل مجاز نیز بیشتر خواهد بود و بالعکس.

3- کلکتور: کلکتور از یک محوطه گلخانه ای مانند تشکیل شده و پوشش کلکتور معمولاً از جنس پلاستیک اختیار می شود.

مقاومت پوشش باید در حدی باشد که بتواند برف و باران و بادهای محلی را تحمل کند.

معمولاً پوشش کلکتور بصورت یک ساختمان آهنی ساده است که به قطعات چهارگوش تقسیم شده و بر روی ستونهای نازک فولادی قرار می گیرد.

سوراخهایی جهت تخلیه آب باران و شستشوی پوشش برروی هر قسمت در نظر گرفته می شود.

برای جلوگیری از تلفات حرارتی بیشتر، در پیرامون پوشش مستهلک کننده های باد نصب می شود.

این عمل از خنک شدن سطح پوشش بوسیله بادهای افقی جلوگیری می کند.

نسبت انرژی منتقل شده به داخل دودکش به انرژی جذب شده توسط کلکتور، راندمان کلکتور گفته می شود.

راندمان کلکتور تابع عوامل زیادی نظیر موقعیت جغرافیایی نیروگاه، کیفیت و رنگ خاک، سرعت و جهت بادهای محلی، نوع پوشش به کار رفته، ارتفاع دودکش،‌ وضعیت شیب زمین و ...

می باشد.

لبه های پوشش باید ارتفاع مشخصی در حدود حداقل دو متر از سطح زمین داشته باشند.

این مقدار به این علت در نظر گرفته می شود تا امکان قدم زدن در زیر پوشش وجود داشته باشد.

هرچه از پیرامون کلکتور به سمت دودکش نزدیک می شویم این فاصله افزایش می یابد.

این افزایش ارتفاع به بهبود پروفیل جریان و کاهش تلفات انرژی کمک می کند.

هنگام روز تشعشع خورشید باعث افزایش درجه حرارت خاک می شود و هنگام شب که خورشید وجود ندارد، درجه حرارت زمین به علت انرژی که در طول روز دریافت کرده است از هوای محیط بیشتر است.

این اختلاف دما عامل انتقال حرارت از زمین به هوای مجاور بوده و باعث می شود که در طول شب نیز تولید داشته باشیم.

از این لحاظ، ایزوله کردن کف کلکتور مناسبت ندارد.

گرچه ایزوله کردن آن مانع اتلاف حرارتی در طول روز به زمین می شود ولی ترجیح داده می شود که در طول شب نیز تولید داشته باشیم.

سرعت و دمای هوا در محدوده اطراف دودکش نسبتاً زیاد است و باید پوشش این محدوده از جنس مقاوم باشد تا بتواند تحمل سرعتهای زیاد و دماهای بالا را داشته باشد.

سعی می شود عمر این قسمت از پوشش به اندازه عمر خود دودکش و بیشتر از 25 سال انتخاب شود به منظور بهبود شفافیت پوشش و در نتیجه عملکرد بهتر کلکتور، هر 5 الی 10 سال پوشش قسمتهای دیگر عوض می شود.

در پیرامون دودکش که پایداری و دوام پوشش مطرح است (بعلت دمای نسبتاً زیاد) از پوشش مقاوم و تقویت شده که اصطلاحاً پوشش مسلح گفته می شود، استفاده می کنند.

امکانات بهره برداری اضافی: از لحاظ امکان بهره برداری اضافی و افزایش راندمان، به موارد زیر اشاره می شود: می توان ساختار دودکش را چنان طرح کرد که امکان احداث توربینهای باد طبیعی نیز در انتهای آن وجود داشته باشد.

در این صورت با یک ساختار می توان از دو توربین بهره برداری نمود.

یکی از آنها در داخل دودکش و با جریان باد القایی و دیگری در نوک دودکش که با جریان باد طبیعی و یا مستقلاً با جریان باد القائی انتهای دودکش و یا بصورت ترکیبی از ایندو بهره برداری می شود.

از آنجا که فضای زیر پوشش از نظر شرایط آب و هوایی وضعیت یک گلخانه را دارد، می توان از محوطه زیر پوشش به منظور تولید محصولات کشاورزی استفاده نمود.

فصل دوم انتقال انرژی از طریق تشعشع مقدمه: انرژی از طریق تشعشع بدون توجه به نوع آن، با سرعت نور انتشار می یابد.

انتقال انرژی از طریق تشعشع، بصورت امواج الکترومغناطیسی انجام می گیرد.

تشعشع در محیط عاری از جرم نیز صورت می گیرد، مانند انتقال انرژی از خورشید به زمین که از میلیونها کیلومتر فضای خلأ می گذرد و به زمین می رسد.

در تشریح پدیده تشعشع می توان از دو نظریه تئوری الکترومغناطیسی و تئوری ذره ای استفاده کرد.

تئوری الکترومغناطیسی بیان می کند که تشعشع را میتوان بصورت امواجی که با فرکانس v نوسان می کنند و دارای تولید موج λ هستند، در نظر گرفت که سرعت انتشار معادل سرعت نور است و از حاصلضرب فرکانس درطول موج بدست می آید.

تئوی‌ذره فرض‌می‌کند که‌انرژی‌تشعشعی بصورت‌واحدهای‌کوچک‌انرژی که فوتون نام دارد منتقل‌می شود.هر فوتون با سرعت ‌نورحرکت ‌کرده ‌و مقدار انرژی ‌آن از رابطه زیر بدست می‌آید: که در این رابطه h ضریب پلانک است.

مکانیزم آزاد شدن انرژی برمبنای تئوری ذره ای بدین صورت توجیه می شود که وقتی جسم گرم می شود الکترونهای آزاد می توانند به مدار بالاتری جهش نمایند.

این وضعیت از نظر ساختمان اتمی ناپایدار است و الکترون مجدداً به مدار قبلی خود باز می گردد.

هنگامیکه یک الکترون به مدار انرژی خود باز می‌گردد یک فوتون رها می کند که انرژی آن برابر با اختلاف بین انرژی در قسمت جهش یافته و حالت تعادل.

انرژی ساطع شده از جسم بصورت طیفی از فرکانسهای مختلف در فضا پراکنده می شود.

انتشار انرژی فقط به علت افزایش دمای جسم صورت می گیرد.

همانطوریکه ذکر شد، بر مبنای نظریه الکترومغناطیسی انرژی از طریق تشعشع به صورت امواج الکترومغناطیسی صورت می گیرد.

یک طیف الکترومغناطیسی به چند ناحیه از طول موجها تقسیم می گردد.

تشعشع حرارتی بین طول موجهای 10-7-10-4 متر قرارگرفته است.

خواص تشعشعی: خواص تشعشعی تابعی از طول موج هستند.

این خواص، چگونگی انتشار، انعکاس و جذب را در سطوحی که در معرض تشعشع قرار دارند بررسی می کند.

مثلاً یک سطح ممکن است منعکس کننده خوبی برای طول موجهای مرئی و منعکس کننده بدی برای اشعه مادون قرمز باشد.

همچنین این خواص، تابع جهتی است که در آن اشعه به سطح برخورد می کند.

وقتی انرژی تشعشعی به سطحی برخورد می کند، مقداری از آن منعکس و مقداری جذب و مقداری نیز از آن عبور می کند.

اگر ضریب انعکاس را با Pr و ضریب جذب را با α و ضریب انتقال را نیز با t نمایش دهیم، خواهیم داشت: تقریباً در طیف نور مرئی اغلب سطوح مات می باشند یعنی از خود انرژی تشعشعی را عبور نمی دهند.

برای این اجسام t=0 است.

برای جسم سیاه ایده آل، ضریب جذب معادل یک است و این نشان می دهد تمام انرژی تابیده شده را جذب می کند.

یکی از خواص مهم تشعشعی کلی، ضریب نشر Emissivity جسم است که بنا به تعریف عبارتست از کل انرژی منتشره از جسم به کل انرژی منتشر شده از یک جسم سیاه با همان درجه حرارت که رابطه ریاضی آن به صورت زیر می باشد: که در آن b مخفف و حرف اول کلمه black به معنی «سیاه» است.

قانون پلانک: وقتی یک جسم سیاه با دمای T را در نظر بگیریم، فوتونها از سطح جسم منتشر می گردند.

می دانیم که انرژی این فوتونها تابعی از درجه حرارت سطح می باشد.

ماکس پلانک نشان داد که انرژی تشعشع یافته در طول موج λ از جسم سیاهی که در درجه حرارت T قرار دارد عبارتست از : C2,C1 ثابتهای تشعشعی هستند و مقدارشان برابر است با: اولین ثابت تشعشع C1=3.7418×10-16 w.m2 دومین ثابت تشعشع C2=1.4388×10-2 m.k Ebλ قدرت تشعشعی طیفی یک جسم سیاه در درجه حرارت T می باشد.

قانون جابجایی وین: طول موجی که در آن طول موج قدرت تشعشعی ماکزیمم است از رابطه زیر بدست می آید: