اساسا اگر بخواهید انرژی های تجدید پذیر از كاربرد وسیعی برخوردار شوند باید كه تكنولوژی های ارایه شده ساده و قابل اعتماد بوده و برای كشورهای كمتر توسعه یافته نیز مشكلات فنی به همراه نداشته باشد و بتوان از منابع محدود مواد خام آنها نیز استفاده كرد. در مرحله بعدی نیز باید به آب زیاد نیاز نداشته باشد. در همینجا باید گفت كه تكنولوژی دودكش دارای این شرایط است. بررسیهای اقتصادی نشان داده است كه اگر این نیروگاهها در مقیاس بزرگ (بزرگتر یا مساوی 100 مگاوات) ساخته شوند، قیمت برق تولیدی آنها قابل مقایسه با برق نیروگاههای متداول است. این موضوع كافی است كه بتوان انرژی خورشیدی را در مقیاسهای بزرگ نیز به خدمت گرفت. بر این اساس می توان انتظار داشت كه دودكشهای خورشیدی بتوانند در زمینه تولید برق برای مناطق پرآفتاب نقش مهمی را ایفا كنند.

تاریخچه و سیر تکامل

   باید توجه داشت كه تكنولوژی دودكش خورشیدی در واقع از سه عنصر اصلی تشكیل شده است كه اولی جمع كننده هوا و عنصر بعدی برج یا همان دودكش و قسمت آخر نیز توربین های باد آن است و همه عناصر آن برای قرن ها است كه بصورت شناخته شده در آمده اند. تکنولوژی دودکش خورشیدی برای تولید الکتریسته ،درسال 1926 ، توسط مهندس پروف برنارد روبس مطرح شد. ساخت نیروگاه دودکش خورشیدی اولین باردر شمال آفریقا در سرا شیبی کوه های دارای ارتفاع کافی به آکادمی علوم فرانسه پیشنهاد داد، پیشنهاد این مهندس در شکل زیر نشان داده شده است.

   استفاده از دودکش خورشیدی به منظور تولید برق در سال 1931 توسط گونتر مورد بحث قرار گرفته است. در سال 1982 برگرمن و شرکا، براساس رهنمود پروف، الگوی عملیاتی SAEP را در مانزارنس (اسپانیا) ساختند که سرمایه گذاری آن از سوی دولت آلمان بود. میزان توان این نیروگاه دودکش خورشیدی که در شکل زیر نشان داده شده، برابر با 50 کیلو وات است. گلخانه آن دارای منطقه سطحی 4600m² بود و دودکش خورشیدی اش از لوله های فولادی با قطر10 متر ساخته شده اند و دارای ارتفاع 195 متر بودند.این نمونه نمایشی SAEP تقریبا به مدت 6 سال به طور موفقیت آمیز عمل کرده است.

   در سال 84-1983 نیز نتایج آزمایشات و بحث های نمونه ای از دودكش خورشیدی كه در منطقه مانزانارس در كشور اسپانیا ساخته شده بود، ارایه شد. درسال 1990 شلایش و همكارانش در مورد قابل تعمیم بودن نتایج بدست آمده از این نمونه دودكش بحثی را ارایه كردند. درسال 1995 شلایش مجددا این بحث را مورد بازبینی قرار داد. در ادامه در سال 1997 كریتز طرحی را برای قرار دادن كیسه های پر از آب در زیر سقف جمع آوری كننده حرارت ارایه كرد تا از این طریق انرژی حرارتی ذخیره سازی شود. گانون و همكارانش در سال 2000 یك تجزیه و تحلیل برای سیكل ترمودینامیكی ارایه كردند و بعلاوه در سال 2003 نیز مشخصات توربین را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. در همین سال روپریت و همكاران نتایج حاصل از محاسبات دینامیك سیالاتی و نیز طراحی توربین برای یك توربین خورشیدی 200 مگاواتی را منتشر ساختند. درسال 2003 دوزسانتوز و همكاران تحلیل های حرارتی و فنی حاصل از محاسبات حل شده به كمك كامپیوتر را ارایه كردند.

   در حال حاضر در استرالیا طرح نیروگاه دودكش خورشیدی با ظرفیت 200 مگاوات در مرحله طراحی و اجرا است. باید گفت كه استرالیا مكان مناسبی برای این فناوری است چون شدت تابش خورشید در این كشور زیاد است. در ثانی زمین های صاف و بدون پستی و بلندی در آن زیاد است و دیگر این كه تقاضا برای برق از رشد بالایی برخوردار است و نهایتا اینكه دولت این كشور خود را به افزایش استفاده از انرژی های تجدید پذیر ملزم كرده است و از این رو به 9500 گیگاوات ساعت برق در سال از منابع تجدیدپذیر جدید نیاز دارد.

 اصول كار

   هوا در زیر یك سقف شفاف كه تشعشع خورشیدی را عبور می دهد، گرم می شود. باید توجه داشت كه وجود این سقف و زمین زیر آن بعنوان یك كلكتور یا جمع كننده خورشیدی عمل می كند. در وسط این سقف شفاف یك دودكش یا برج عمودی وجود دارد كه هوای زیادی از پایین آن وارد می شود. باید محل اتصال سقف شفاف و این برج بصورتی باشد كه منفذی نداشته باشد و اصطلاحا «هوابند» شده باشد. بر همگان روشن است كه هوای گرم چون سبكتر از هوای سرد است به سمت بالای برج حركت می كند. این حركت باعث ایجاد مكش در پایین برج می شود تا هوای گرم بیشتری را به درون بكشد وهوای سرد پیرامونی به زیر سقف شفاف وارد شود. برای اینكه بتوان این فناوری را بصورت 24 ساعته مورد استفاده قرار داد می توان از لوله ها یا كیسه های پرشده ازآب در زیر سقف استفاده كرد. این موضوع بسیار ساده انجام می شود یعنی در طول روز آب حرارت را جذب كرده و گرم می شود و در طول شب این حرارت را آزاد می كند. قابل ذكر است كه باید این لوله ها را فقط برای یكبار با آب پر كرده و به آب اضافی نیازی نیست. بنابراین اساس كار بدین صورت است كه تشعشع خورشیدی در این برج باعث ایجاد یك مكش به سمت بالا می شود كه انرژی حاصل از این مكش توسط چند مرحله توربین تعبیه شده در برج به انرژی مكانیكی تبدیل شده و سپس به برق تبدیل می شود.

 اجزای تشکیل دهنده

1. 1.كلكتور 

   هوای گرم مورد نیاز برای دود كش خورشیدی توسط پدیده گلخانه ای در یك محوطه ای كه با پلاستیك یا شیشه پوشانده شده و حدودا چند متری از زمین فاصله دارد، ایجاد می شود. البته با نزدیك شدن به پایه برج، ارتفاع ناحیه پوشانده شده نیز افزایش می یابد تا تغییر مسیر حركت جریان هوا بصورت عمودی با كمترین اصطكاك انجام پذیرد. این پوشش باعث می شود كه امواج تشعشع خورشید وارد شده و تشعشع های با طول موج بالا مجددا از زمین گرم باز تاب كند. زمین زیر این سقف شیشه ای یا پلاستیكی، گرم شده و حرارت خود را به هوایی كه از بیرون وارد این ناحیه شده است و به سمت برج حركت می كند، پس می دهد.

1. 2.ذخیره سازی

   اگر به یك ظرفیت اضافی برای ذخیره سازی حرارت نیاز باشد، می توان از لوله های سیاهرنگ كه با آب پر شده اند و بر روی زمین در داخل كلكتور قرار داده شده اند، بهره جست. این لوله ها را باید فقط یكبار با آب پر كرده و دو طرف آن ها را بست و بنابراین تبخیر نیز رخ نخواهد داد. حجم آب درون لوله ها بنحوی انتخاب می شود كه بسته به توان خروجی نیروگاه لایه ای با ضخامت 20-5 سانتیمتری تشكیل شود.

   در شب زمانی كه هوای داخل كلكتور شروع به سرد شدن می كند، آب داخل لوله ها نیز حرارت ذخیره شده در طول روز را آزاد می كند. ذخیره حرارت به كمك آب بسیار موثرتر از ذخیره در خاك به تنهایی است چون همانطور كه می دانید انتقال حرارت بین لوله و آب بسیار بیشتر از انتقال حرارت بین سطح خاك و لایه های زیرین است و این از آن بابت است كه ظرفیت حرارتی آب پنج برابر ظرفیت حرارتی خاك است.

1. 3.برج

   برج به خودی خود نقش موتور حرارتی نیروگاه را بازی می كند و همانند یك لوله تحت فشار است كه به دلیل دارا بودن نسبت مناسب سطح به حجم از اتلاف اصطكاكی كمی برخوردار است. در این برج سرعت مكش به سمت بالای هوا تقریبا متناسب با افزایش دمای هوا (ΔT) در كلكتور و ارتفاع برج است. در یك دودكش خورشیدی چند مگاواتی، كلكتور باعث می شود كه دمای هوا بین 35-30 درجه سانتیگراد افزایش یابد و این به معنی سرعتی معادل m/sec15 است كه باعث حركت شتابدار هوا نخواهد شد و بنابراین برای انجام عملیات تعمیر و نگهداری می توان براحتی وارد آن شد و ریسك سرعت بالای هوا وجود ندارد.

1. 4.توربین ها

   با بكارگیری توربین ها، انرژی موجود در جریان هوا به انرژی مكانیكی دورانی تبدیل می شود. توربین های موجود در دودكش خورشیدی شبیه توربینهای بادی نیستند و بیشتر شبیه توربینهای نیروگاه های برق آبی هستند كه با استفاده از توربینهای محفظه دار، فشار استاتیك را به انرژی دورانی تبدیل می كنند. سرعت هوا در قبل و بعد از توربین تقریبا یكسان 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 بهره وری بیشتر از انرژی، هدف سیستم كنترل توربین و بحداكثر رساندن این حاصلضرب در تمام شرایط عملیاتی است.

 مدل آزمایشی

   برای ساخت یك مدل آزمایشی، تحقیقات تئوری كم فصلی انجام شده كه آزمایشات تونل باد وسیعی را بهمراه داشت و نهایتا در سال 1981 منجر به ساخت واحدی با توان تولید 50 كیلووات برق در منطقه مانزانارس (Manzanares) در 150 كیلومتری جنوب مادرید در كشور اسپانیا شد و این واحد از كمك مالی وزارت تحقیق و فناوری آلمان برخوردار بود.

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

   پوشش سقف قسمت كلكتور نه تنها باید شفاف یا حداقل نیمه شفاف باشد بلكه باید محكم بوده و از قیمت قابل قبولی برخوردار باشد. برای این پوشش نوعی از ورقه های پلاستیكی و نیز شیشه مورد توجه قرار گرفتند تا مشخص شود در دراز مدت كدامیك از آن ها بهتر بوده و صرفه اقتصادی دارد. باید توجه داشت كه شیشه می تواند سالیان سال در مقابل طوفان و باد مقاومت كرده و آسیب نبیند و در مقابل بارانهای فصلی نیز نوعی خاصیت خود تمیز كنندگی بروزمی دهد.

   در عوض لایه های پلاستیكی را باید درون یك قاب قرار داد ووسط آن ها نیز اصطلاحا به سمت زمین شكم می دهد. هر چند هزینه اولیه سرمایه گذاری ورقه های پلاستیكی كمتر است ولی در مانزانارس (پروژه جنوب اسپانیا) با گذشت زمان این لایه ها شكننده شدند و آسیب دیدند. البته با پیشرفت در ساخت لایه های مقاوم در برابر دما و اشعه ماوراء بنفش می توا نبه استفاده ازپلاستیك ها نیز امیداور بود.

   مدل ساخته شده در اسپانیا در سال 1982 تكمیل گشت و هدف اصلی از ساخت آن نیز گردآوری اطلاعات بود. بین اواسط 1986 تا اوایل 1989 این واحد بطور مرتب هر روز مورد استفاده قرار گرفت و برق تولیدی آن نیز به شبكه برق سراسری متصل شد. طی این دوره 32 ماهه این واحد بصورت كاملا اتوماتیك راهبری شد. درسال 1987 در این منطقه حدود 3067 ساعت با شدت تابشw/m2 150 وجود داشته است.

   یكی از مطالب قابل توجه در راهبری این مدل آزمایشی آن بود كه اسپانیایی ها در زیر قسمت كلكتور اقدام به كشاورزی كردند تا این امكان را نیز در طرح خود مورد بررسی قرار دهند و اصطلاحا از زمین بصورت بهینه استفاده كنند. نتیجه این قسمت از تحقیق آن بود كه توانستند گیاه مورد نظر خود را پرورش دهند و تاثیر آنرا بر رطوبت هوای زیر سقف و دیگر پارامترهای مربوطه مورد ارزیابی قرار دهند.

   تمامی نتایج بدست آمده بیانگر آن بوده است كه این فناوری از قابلیت كافی جهت استفاده در مقیاس های بزرگتر را دارا است. بر پایه این نتایج یكسری تحقیقات توسط موسسات و دانشگاه های مختلف انجام شد تا وضعیت آنرا شبیه سازی و مدلسازی كند تا بتوان نتایج این سیستم در مقیاس بزرگتر را پیشگویی كرده و قابل بررسی كرد.

   شكوفه زنبق به عنوان يكي از نمونه هاي جدید دودكش خورشيدي اخیر در دنیا محسوب می شود.

   در ایران نیز دکتر علي کسائيان، عضو هيات علمي دانشکده علوم و فنون نوين دانشگاه تهرانکه با همکاري دانشگاه تهران و دانشگاه زنجان توانست در دانشگاه زنجان دودکش خورشيدي به طول 13m و قطر لوله آن به 2m را بسازند.