ארובה סולרית

ארובה סולרית (SUT ,Solar Updraft Tower או SCPP ,Solar Chimney Power Plant) היא הצעה לבניית תחנת כוח סולרית-תרמית לייצור חשמל, בטכנולוגיה הרותמת זרם אוויר קונבקטיבי להנעת טורבינות רוח. טכנולוגיות זו אינה פולטת גזי חממה או גזים רעילים אחרים לאטמוספירה (למעט בתהליך בנייתה). לפי רעיון זה, אנרגיית השמש מחממת אוויר תחת קולט גדול שבמרכזו נמצאת ארובה גבוהה הפתוחה משני צידיה. עליית טמפרטורת האוויר גורמת להפרשים בצפיפות האוויר בין עמודת האוויר בתוך הארובה, לבין האוויר מחוץ לארובה (האוויר בסביבה הטבעית שבו נמצא המתקן), אשר גורמים להפרשים בלחץ האוויר בין האוויר בתוך הארובה ומחוצה לה, דבר הגורם לאוויר להישאב לארובה ולהניע טורבינות. רעיון דומה, המשתמש באותו עקרון פיזיקלי, אינו זקוק לקולט סולרי, אך זקוק לכמויות מים גדולות, הוא "ארובות שרב", פיתוח של פרופ' דן זסלבסקי מהטכניון. ב"ארובות שרב" כיוון הרוח בארובה הוא כלפי מטה, בשונה מהארובה הסולרית שם כיוון הרוח הוא כלפי מעלה. הארובה הסולרית בנויה משלושה חלקים עיקריים: קולט, ארובה וטורבינה. הקולט הוא משטח אופקי על שטח נרחב מאוד המוצב בגובה של מטרים בודדים מעל פני האדמה ופתוח בצידיו על-מנת לאפשר לאוויר מהסביבה (ambient air) להיכנס. תפקיד הקולט הוא לחמם את האוויר תחתיו (על ידי אפקט החממה), ולגרום לאוויר לנוע בתנועה קונבקטיבית לכיוון הארובה שמוצבת במרכזו. הארובה, פתוחה בחלקה העליון והתחתון, כאשר בחלקה התחתון היא מחוברת לקולט בחיבור הדוק ללא דליפות אוויר. זרם האוויר חולף דרך ומניע טורבינת רוח המוצבת בבסיס הארובה, וממשיך במעלה הארובה החוצה. הטורבינה הפועלת על הפרשי לחצי אוויר, ממירה את האנרגיה האצורה ברוח לאנרגיה מכנית אשר מומרת לאנרגיה חשמלית על ידי גנרטורים קונבנציונליים. בנוסף, כתוצאה מאפקט ארובה (stack effect) הארובה יונקת עוד ועוד אוויר חם מהקולט, ומאפשרת לעוד אוויר קר (יותר) מהסביבה להיכנס מצידי הקולט . הקולט מורכב מלוחות זכוכית מזוגגת או חומר לא אטום אחר, כך שהוא מאפשר כניסה של אנרגיית שמש בגלים-קצרים, אם בקרינה ישירה או בקרינה מפוזרת, ומונע יציאה של גלים-ארוכים הנפלטים מהאדמה שהתחממה תחתיו. לפיכך, האדמה תחת הקולט תורמת אף היא לחימום האוויר בתווך שבינה לבין גג הקולט. במחקר על מודל קטן נמצא כי לסוגים שונים של משטחים תחת הקולט ישנה השפעה על ביצועיה של ה'ארובה הסולרית'. לסוג החומר המונח על האדמה הייתה השפעה על טמפרטורת האוויר תחת הקולט ובכניסה לארובה, על מהירות הרוח ולכן על היעילות הכוללת. יעילות טיפוסית של קולט תנוע בין 40-60%. חישוב יעילות הקולט נשען על הפרמטרים הבאים: טמפרטורת האוויר במקום כניסת האוויר לקולט (או: טמפרטורת האוויר בסביבה הטבעית), עוצמת קרינת השמש (solar insolation), יכולתם של הלוחות המרכיבים את הקולט להעביר את קרינת השמש (Transmittance), הפסדי אנרגיה עקב חיכוך האוויר בגג הקולט, ויכולת המצע תחת הקולט לספוג חום. כאמור, מבנה הקולט הוא שטוח ואופקי, אולם לקראת בסיס הארובה הניצבת במרכזו, גובהו של הקולט גדל בהדרגה וזאת על-מנת לאבד מינימום אנרגיית רוח עקב חיכוך, משום שתנועת הרוח משנה את כיוונה מתנועה אופקית (בקולט) לתנועה אנכית (בארובה). עמידות הלוחות המרכיבים את גג הקולט יכול להגיע ל-20 שנה אם בנוי ממברנה פולימרית, או הרבה יותר אם בנוי מזכוכית. קוטר הקולט במתקנים מסחריים יכול להגיע אף לקילומטרים ספורים. המגדל הוא ארובה או צילינדר גבוה מאוד (במתקנים מסחריים 550–1000 מ') בקוטר של 50–130 מ'. תפקיד הארובה הוא ליצור יניקה של האוויר החם המופק תחת הקולט הסולרי, כך שמסת אוויר תחלוף על פני טורבינת הרוח (או על פני מספר טורבינות) על-מנת להניעה. הודות לזרם אוויר חם הנכנס לארובה מהקולט נוצר מצב בו עמודת האוויר בתוך הארובה פחות צפופה מהאוויר מחוצה לה, ולכן נוצרת יניקה. הפסדי האנרגיה לטובת חיכוך האוויר בארובה נמוכים הודות ליחס נפח \ שטח-פנים טובים. מהירות הרוח במגדל פרופרוציונאלית בקירוב להפרש של עליית הטמפרטורה בקולט ולגובהו. עליית הטמפרטורה במתקן גדול היא כ-30–35 מעלות קלווין, דבר המניב מהירות רוח של כ־15 מ'\שנייה (כ-55 קמ"ש), מהירות לא גבוהה מדי שתאפשר כניסה לארובה לצורך תחזוקה ללא סכנות מרוח חזקה. הטורבינות בארובה הסולרית היא החלק הנע היחידי בכל המתקן. טורבינות אלו אינן פועלות כמו טורבינות רוח טיפוסיות בהן למהירות הרוח ישנה השפעה גדולה על הנעת הטורבינה, ושם מהירות הרוח לפני ואחרי הטורבינה אינה זהה. הטורבינות הנידונות, ממירות דווקא את לחץ האוויר לאנרגיה סיבובית. מהירות הרוח לפני ואחרי הטורבינה היא זהה. ההספק של טורבינות אלו גדול בסדר גודל אחד לערך מטורבינות טיפוסיות. ההספק שלהן הוא מכפלה של נפח האוויר החולף דרכן ליחידת זמן, בהפרשי לחץ האוויר סביב הטורבינה. כאמור, הבדלי לחץ האוויר נובעים עקב עליית טמפרטורת האוויר. האדמה תחת הקולט סופגת קרינת שמש ותורמת לחימום האוויר על ידי פליטת החום שספגה. למעשה, פליטת החום של האדמה נמשכת גם לאחר שקיעת השמש כאשר אין כלל קרינת שמש על הקולט. כך למעשה האדמה משמשת גם כאוגר אנרגיה. על-מנת להעצים את אגירת החום במהלך שעות היום ואת שחרורה בשעות הלילה, ניתן להניח צינורות מים שחורים, שישמשו כמדיום לאגירת החום. העצמה זו מתרחשת מאחר שקיבול החום של המים גדול מזה של אדמה בערך פי חמישה. הצינורות אטומים כך שיש למלאם במים פעם אחת בלבד [איור 1]. ב[גרף 1] ניתן לראות תוצאות סימולציה של אגירת חום תחת הקולט. הקו הצהוב מתאר את הספק המתקן באחוזים לאורך שעות היום כאשר המצע מתחת לקולט הוא אדמה. ההספק המקסימלי המופק במצב זה (בשעה 13:00 לערך) הוא גם נקודת ייחוס בגרף ל-100% הספק. ניתן גם לראות שבין השעות 9:00-17:00 שבהן ישנה קרינת שמש, ההספק המופק אינו נמוך מ־40%. כמו כן, בשעות הלילה ההספק נמוך מאוד (5-10% לערך) בשל פליטת חום מועטה מהאדמה. הקו הכחול והאדום בגרף מתארים שימוש בצינורות מים בגובה של 10 ו-20 סנטימטרים בהתאמה. מאחר שצינורות המים סופגים אנרגיית שמש רבה במהלך היום, הם גורעים למעשה חלק מהאנרגיה שהייתה משמשת לחימום האוויר בשעות היום, ולכן, במצבים אלו ההספק המקסימלי יהיה נמוך מה-100% של נקודת הייחוס. אולם בשל פליטת החום מצינורות המים בשעות הלילה ההספק יהיה מספיק גבוה על-מנת להגדיר את התחנה כפעילה לאורך כל שעות היממה. כך, שימוש בצינורות מים בגובה של 10 סנטימטרים יפיק הספק מקסימלי של כ-50% (סביבות השעה 15:00), הספק מינימלי של 25% (בין 6:00-9:00) וממוצע של כ־35-40% בשעות הלילה. באותו אופן, שימוש בצינורות מים בגובה של 20 סנטימטרים יפיקו הספק יותר מאוזן של כ-40% לאורך כל שעות היממה. נציין שהשטח הכולל תחת כל עקומה הוא פחות או יותר זהה (התפוקה הכוללת ביממה) מאחר שכך או כך, הקולט ספג את אותה כמות האנרגיה במהלך היום. שימוש בכמויות מים משתנות בצינורות מאפשרת אם כן להתאים את היצע אספקת החשמל לביקושים. הספק הארובה הסולרית אינו תלוי רק ביעילות של כל אחד מחלקיו, אלא גם בתנאים המטאורולוגיים השׂוררים בסביבה הטבעית שבו הוא נמצא: בראש ובראשונה עוצמת קרינת השמש (solar insolation), וגם טמפרטורת האוויר (עם השפעה יותר נמוכה). בסימולציה חישובית המראה את הקשר בין הספק המתקן לבין עוצמת קרינת השמש (W/m²), נמצא כי מעל עוצמת קרינה של 300W/m² ישנו קשר ליניארי בין עוצמת הקרינת ובין הספק המתקן. נמצא גם שככל שטמפרטורת הסביבה נמוכה יותר, עבור אותה עוצמת קרינה, הספק המתקן יהיה גבוה יותר . כמו כן, הספק המתקן פרופורציונלי למכפלה של גובה המגדל ושטח הקולט (או לנפח הצילינדר שנוצר ממכפלתם). לכן באופן עקרוני, בסביבה נתונה, אותו ההספק יוכל להיות מופק על ידי מתקן בעל מגדל נמוך וקולט בשטח נרחב מאוד, או ליהפך. אולם עיקרון זה טוב אך ורק בתור "חוק אצבע" שכן ככל ששטח הקולט הולך וגדל, כך ישנם יותר איבודי אנרגיה כתוצאה מחיכוך האוויר בגג הקולט. פרמטר נוסף שמשפיע על הספק ויעילות המתקן הוא גובהה של הארובה: ככל שהמגדל גבוה יותר, כך יניקת האוויר מהקולט תהיה רבה יותר, דבר שמדרבן את התהליך הכולל של המתקן. חישובים תאורטיים של הפקת אנרגיה חודשית מהמתקן הראו הסכמה טובה מאוד עם מדידות שבוצעו בפועל. בשנת 1981 נבנה אב-טיפוס נסיוני לארובה הסולרית במנסנרס ספרד (כ-150 ק"מ דרומית למדריד) [תמונה 1]. המתקן נבנה על ידי חברה גרמנית בשם Schlaich-Bergermann ובמימון ממשלת גרמניה. מטרת הקמתו הייתה לאמת על ידי מדידות את החישובים התאורטיים, ולבחון את השפעתם של סוגים שונים של רכיבי המתקן על הספק ויעילות המתקן, תחת תנאים מטאורולגים אמיתיים. גובהה של הארובה היה כ-200 מטר, קוטרה כ-10 מטר, וקוטר הקולט כ־250 מטר. למתקן הייתה טורבינה אחת, והספקה המרבי היה 50KW. המתקן פעל בין השנים 1982–1989, והחשמל שהופק חובר לרשת החשמל המקומית. מבחינת עמידות הלוחות המרכיבים את הקולט, נמצא כי זכוכית הוא החומר העמיד ביותר, ובנוסף מתנקה ביתר קלות בעת גשם. לעומתה, לוחות של ממברנות פלסטיק מסוגים שונים נטו עם הזמן להיסדק. חישובים תאורטיים של הפקת אנרגיה מהמתקן הראו הסכמה טובה מאוד עם מדידות שבוצעו בפועל. מגדל שמש היא טכנולוגיה תרמו-סולרית אשר בדומה לארובה הסולרית, גם לה יש יכולת אגירת חום. בטבלה להלן מוצגים מספר יתרונות של טכנולוגיית הארובה הסולרית לעומת CSP, בהם מחירי חשמל ותחזוקה נמוכים יותר, עלות הקמה נמוכה יותר, מבנה פשוט יותר, אי-שימוש במי קירור, ואולי היתרון החשוב ביותר - יכולת לרצף פעולה לאורך כל שעות היממה (לעומת יכולת אגירת חום של כ 6–10 שעות במתקני CSP). החיסרון הגדול של הארובה הסולרית הוא השטח העצום הדרוש להקמה של מתקן שכזה. חברת EnviroMission האוסטרלית, הממוקמת במלבורן, היא חברה מסחרית שמאז שנת 2001 מתעתדת לבנות ארובה סולרית, אך ללא הצלחה נכון לרגע זה. מדיה וקבצים בנושא ארובה סולרית בוויקישיתוף אתר חברת EnviroMission מאמר משנת 2013 המתאר מגדל בגובה של 800מ', קוטר קולט של כ-4000 מ', ובהספק של 200 מגה-וואט, המתעתד להיבנות בלה-פז, אריזונה על הפיילוט במנסנרס, ספרד G. Weinrebe, W.Schiel, “Up-Draught Solar Chimney and Down-Draught Energy Tower – A Comparison”, ISES: Solar World Congress (2001) J. Schlaich, R. Bergermann, W.Schiel, G, Weinrebe, “Design of Commercial Solar Updraft Tower Systems - Utilization of Solar Induced Convective Flows for Power Generation”, Journal of Solar Energy Engineering 127, 2005, עמ' 117-124 X. Zhou, Y. Xu, "Solar updraft tower power generation", ScienceDirect, Solar Energy 128, 2016 S.S Al-Azawie , S.Hassan, M.F Zammeri, "Experimental and numerical study on ground material absorptivity for solar chimney power applications”, , Energy and Sustainability V, WIT Press, 2015 solar-updraft-tower IRENA: “RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGIES: COST ANALYSIS SERIES” Volume 1: Power Sector Issue 2/5, Concentrating Solar Power (2012) A.Liqreina, L.Qoaider, “Dry cooling of concentrating solar power (CSP) plants, an economic competitive option for the desert regions of the MENA region”, Solar Energy, Vol. 103, pp. 417–424, (2014). EnviroMission