تحليل عددي خصوصيات جريان هوا در دودكش خورشيدي با حضور لايه گياهي

Numerical analysis of air flow specification in solar chimneys with vegetation layer

امروزه افزايش تقاضا براي انرژي از يك سو و كاهش منابع فسيلي از سوي ديگر اهميت استفاده از منابع انرژي تجديدپذير را بيش از پيش نمايان ميكند. دودكش خورشيدي بهعنوان يكي از راههاي استفاده از انرژي خورشيدي براي توليد برق است. اين ايده به دليل بالا بودن سطح جذب انرژي خورشيدي و همچنين مزاياي استفاده از هوا به عنوان جاذب، توجه محققين را به خود جذب نموده است. ولي اين سيستم در حال حاضر صرفه اقتصادي پاييني دارد. در اين مطالعه براي حل اين مشكل، پرورش گياه در كلكتور به منظور افزايش بهرهوري اقتصادي پيشنهاد و شبيه سازي عددي شد و اثرات هندسي و فيزيكي گياه بر جريان هوا مورد بررسي قرار گرفت. تاكنون كشت گياه در كلكتور براي رفع مشكل صرفه اقتصادي پايين به صورت دقيق مورد بررسي قرار نگرفته است. براي اعتبار سنجي مدل ابتدا مدل آزمايشي ساخته شده در مانزانارس اسپانيا مدلسازي و سرعت و اختلاف دماي ايجاد شده در جريان هوا بين ورودي و خروجي كلكتور محاسبه شد. نتايج بدست آمده از حل عددي مطابقت بسيار خوبي با نتايج آزمايشگاهي را نشان داد و خطا كمتر از 5 درصد بود. در ادامه لايه گياهي بهصورت محيط متخلخل در كف كلكتور مدلسازي و تاثير آن بر سرعت جريان و اختلاف دماي ايجاد شدهدر عدد رايلي Ra=10^11 بررسي شد. مشاهده شد كه در خروجي كلكتور سرعت چريان تقريبا 2.5 درصد كاهش و اختلاف دما تقريبا 2 درصد افزايش يافت . بنابراين ميتوان ادعا كرد كه با كشت سطح وسيعي از زمين كلكتور با يك گياه با صرفه اقتصادي بالا ميتوان مشكل اقتصادي سيستم دودكش خورشيدي را برطرف نمود بدون اينكه تاثير منفي چشمگيري بر خصوصيات جريان داشته باشد.

Nowadays, the ever increasing demand to provide energy and the constant decrease of fossil fuels resources has made the usage of renewable energy resources vital. Solar chimneys are considered a significant approach to supply electricity. They are of particular interest due to the high absorption level of solar energy and also because of the advantages of using air as an absorber. However, these systems do not provide enough economic efficiency. Plant breeding in the collector’s section of a solar chimney was presented in this study as a mean to overcome the economical obstacles. Also possible geometrical and physical effects on air flow parameters were investigated by means of numerical simulation. Our simulation results were validated with comparison to the experimental model in Manzanares, Spain. Velocity as well as the temperature gradient at collector’s outlet was calculated. Our results showed excellent affinity to those of Spanish prototype as the error percentage was lesser than 5%. Vegetation layer was modeled as a porous media at the bottom of the collector and its possible effects was investigated on the air flow parameters at Ra = 1010. It was observed that due to the vegetation layer the velocity and temperature gradient at collector’s outlet were decreased 2.5% and 2%, respectively. These slight reductions show that plant breeding in large areas of collector’s bottom could be served as an outstanding idea to enhance the costefficiency challenges of solar chimneys while producing only negligible negative effects on air flow parameters.