بررسی عددی پارامترهای مؤثر بر سرعت هوا در دودکش خورشیدی

نویسندگان

1 دانشگاه آزاد اسلامی واحد دماوند

2 دانشگاه آزاد اسلامی واحد گرمسار

چکیده

بحران آلودگی محیط‌زیست بر اثر استفادۀ بیش از حد سوخت‌های فسیلی و خطر از بین رفتن ذخایر و منابع طبیعی و همچنین تولید بیش از حد گازهای گلخانه‌ای و در نتیجۀ گرم شدن زمین بسیاری از محققان حوزۀ انرژی را به فکر استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر به‌عنوان انرژی جایگزین فسیلی انداخته است. نیروگاه‌های دودکش خورشیدی یکی از انواع انرژی‌های تجدیدپذیر می‌باشد که در دهۀ گذشته، مورد توجه محققان قرار گرفته است. نیروگاه‌های دودکش خورشیدی از جمله نیروگاه‌هایی هستند که ساختار آن‌ها را جمع‌کننده‌های خورشیدی، دودکش و توربین‌هایی که در ابتدای دودکش قرار داده می‌شوند، تشکیل می‌دهند. هدف از این بررسی، مدل‌سازی عددی یک نمونه دودکش خورشیدی ساخته‌شده در دانشگاه تهران و بررسی پارامترهای هندسی مؤثر بر افزایش سرعت جریان هوا درون آن است. مدل‌سازی عددی به‌صورت دوبعدی و بر مبنای روش حجم محدود و مدل آشفتگی کا-اپسیلون استاندارد در شبکۀ بهینه در نرم‌افزار انسیس فلوئنت انجام شده است. نتایج عددی تطابق خوبی را با حداکثر اختلاف 6% نسبت به نتایج تجربی نشان می‌دهد. تفاوت تحقیق حاضر در مقایسه با تحقیق‌های پیشین انجام‌شده، مدل‌سازی نیروگاه بدون استفاده از خواص ذخیره‌سازی انرژی توسط زمین و با استفاده از شار حرارتی ثابت روی جمع‌کننده بدون در نظر گرفتن شرایط تشعشعی محیطی است .نتایج نشان داد که افزایش ارتفاع دودکش، ارتفاع جمع‌کننده، شعاع جمع‌کننده و کاهش شعاع دودکش باعث می‌شود سرعت جریان هوا داخل برج در حدود 76% افزایش یابد (از ۷/۱ متر بر ثانیه در مدل تجربی تا 3 متر بر ثانیه) که نتیجۀ آن بهبود کارایی این مدل نیروگاه است. همچنین، از میان پارامترهای مورد بررسی، افزایش شعاع جمع‌کننده و کاهش شعاع دودکش نقش بیشتری را در افزایش سرعت جریان هوا داخل برج دودکش خورشیدی ایفا می‌کنند. نتایج این تحقیق می‌تواند در بهینه‌سازی قسمت‌های مختلف نیروگاه نظیر توربین، جمع‌کننده و برج تأثیر بسزایی را داشته باشد.

کلیدواژه‌ها


[1] Fluri, T.P., and Von Backstrom, T. W., "Comparison of Modeling Approaches and Layouts for Solar Chimney Turbines", Solar Energy, Vol. 82, pp.239–246, 2008. [2] Schlaich, J., The Solar Chimney, Electricity from the Sun, Edition Axel Menges. Stuttgart, Germany, 1995. [3] Bansal, N.K., Mathur, R., and Bhandari, M.S. ,"A Study of Solar Chimney Assisted Wind Tower System for Natural Ventilation in Buildings", Building and Enviroment, Vol. 29, No. 4, pp. 495-500, 1994. [4] Schlaich, J., Bergermann, R., Schiel, W., and Weinrebe, G., "Design of Commercial Solar Updraft Tower Systems–Utilization of Solar Induced Convective Flows for Power Generation", Sol. Energy Eng., Vol. 127, No. 1, pp. 117-124, 2005. [5] Cao, F., Zhao, L. Li, H., and Guo, L., "Performance Analysis of Conventional and Sloped Solar Chimney Power Plants in China", Applied Thermal Engineering, Vol. 50, pp. 582–592, 2013. [6] Haaf, W., Friedrich, K., Mayr, G., and Schlaich, J., "Solar Chimneys, part I: Principle and Construction of the Pilot Plant in Manzanares", Int. Journal of Solar Energy, Vol. 2, pp. 3-20, 1983. [7] Haaf, W., "Solar Chimneys: Part Ii: Preliminary Test Results From The Manzanares Pilot Plant", Int. Journal of Solar Energy, Vol. 2, pp. 141–16, 1984. [8] Kulunk, H., "A Prototype Solar Convection Chimney Operated under Izmit Conditions", Proceedings of the 7th Miami Int. Conf. on Alternative Energy Sources, Veiroglu, TN, Vol. 162. 1985 [9] Sampayo, E., Solar-Wind Power System, Spirit of Enterprise: the. 1986: 3-5. [10] Gannon, A.J. and Von Backström, T.W., "Controlling and Maximizing Solar Chimney Power Output", Proceedings of the 1st Int. Conf. on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Kruger Park, South, Africa, 2002. [11] Gannon, A.J. and Von Backström, T.W., "Solar Chimney Turbine Performance", J. Solar Energy Eng., Vol. 125, pp. 101-106, 2003. [12] Yan, M.Q., Sherif, S.A., Kridli, G.T., Lee, S.S., and Padki, M.M., "Thermo-Fluid Analysis of Solar Chimneys, Industrial Applications of Fluid Mechanics", Proceedings of the 112th ASME winter annual meeting, Atlanta, GA. Vol. 132, pp. 125–30, 1991. [13] Von Backström, T.W. and Fluri, T.P., "Maximum Fluid Power Condition in Solar Chimney Power Plants-An Analytical Approach", Solar Energy. Vol. 80, pp. 1417-1423, 2006. [14] Daba, R., Modeling and Simulation of Solar Chimney Power Plant with and without the Effect of Thermal Energy Storage Systems, Diss., Addis Abeba Institure of Technology, 2011. [15] Tingzhen, M., Wei, L., Guoling, X, , Yanbin, X., Xuhu, G., and Yuan, P., "Numerical Simulation of the Solar Chimney Power Plant Systems Coupled with Turbine", Renewable Energy, Vol. 33, pp. 897-905, 2008. [16] Ghalamchi, M., Kasaeian A., and Ghalamchi, M., "Experimental Study of Geometrical and Climate Effects on the Performance of a Small Solar Chimney", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 43, pp. 425-431, 2015. [17] Ghalamchi, M., Kasaeian, A., Ghalamchi, M., Mirzahosseini, A.H., "An Experimental Study on the Thermal Performance of a Solar Chimney with Different Dimensional Parameters", Renewable energy, Vol.91, pp. 477-483, 2016. [18] Ayadi, A., Bouabidi, A., Driss, Z., Abid, M. S., "Experimental and Numerical Analysis of the Collector Roof Height Effect on the Solar Chimney Performance", Renewable energy, Vol.115, pp.649-662, 2018. [19] Toghraie, D., Karami, A., Afrand, M., Karimipour, A. "Effects of Geometric Parameters on the Performance of Solar Chimney Power Plants", Energy, Vol. 162, pp. 1052-1061, 2018. [20] Najm, O.A., Shaaban, S., "Numerical Investigation and Optimization of the Solar Chimney Collector Performance and Power Density", Energy Conversion and Management, Vol.168, pp. 150, 2018. [21] Muhammed, H.A., Atrooshi, S.A., Modeling Solar Chimney for Geometry Optimization. Renewable Energy, 2019. [22] Ayadi, A., Nasraoui, H., Bouabidi, A., Driss, Z., Bsisa, M., Abid, M.S., "Effect of the Turbulence Model on the Simulation of the Air Flow in a Solar Chimney", International Journal of Thermal Sciences, Vol. 130, pp. 423-434, 2018. [23] Ayadi, A., Driss, Z., Bouabidi, A., Nasraoui, H., Bsisa M., and Abid, M.S., "A computational and an Experimental Study on the Effect of the Chimney Height on the Thermal Characteristics of a Solar Chimney Power Plant", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, Vol 232, No. 4, pp. 503-516, 2018. [24] Sangi, R., Amidpour, M., Hosseinizadeh, B. "Modeling and Numerical Simulation of Solar Chimney Power Plants", Solar Energy, Vol. 85, No. 5, pp. 829-838, 2011. [25] Guo, P., Li, J., Wang, Y., Wang, Y., "Numerical Study on the Performance of a Solar Chimney Power Plant", Energy Conversion and Management, Vol. 105, pp. 197-205, 2015.