Μοντελοποίηση και υπολογιστική διερεύνηση του σχεδιασμού και της λειτουργίας καθοδικών ενεργειακών πύργων

Abstract

Τα τελευταία χρόνια οι ορατές επιπτώσεις του φαινομένου του θερμοκηπίου καθώς και η ενεργειακή εξάρτηση της ευημερίας των κοινωνιών από τα παράγωγα του πετρελαίου, οδήγησαν σ ην ευαισθητοποίηση της παγκόσμιας κοινοτητας στην κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των μελών τους από φιλικές προς το περιβάλλον τεχνολογίες. Στα πλαίσια αυτής της κινητοποίησης η παρούσα εργασία προσπαθεί να εξετάσει ένα συγκεκριμένο τρόπο παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, με την χρήση ενεργειακών πύργων καθοδικής ροής. Η εργασία αυτή σε πρώτο επίπεδο πραγματοποιεί μοντελοποίηση του φαινομένου με κατάλληλο υπολογιστικό κώδικα που αναπτύχθηκε, και σε δεύτερο επίπεδο διερευνά κατά πόσον το ανωτέρο φαινόμενο μπορεί, με το υπάρχον τεχνολογικό υπόβαθρο, να χρησιμοποιηθεί ως μονάδα παραγωγής ενέργειας στην Ελλάδα. Στα πλαίσια της μοντελοποίησης του ενεργειακού πύργου προγραμματίστηκαν οι Ψυχρομετρικές συναρτήσεις υπολογισμού της κατάστασης του αέρα, το μοντέλο εξάτμισης του νερού για την ψύξη του αέρα εντός του πύργου, η υπορουτίνα υπολογισμού της παροχής του αέρα λόγω του φαινομένου της ηλιακής καμινάδας, το σύστημα των ανεμογεννητριών και το σύστημα άντλησης του ψεκαζόμενου μέσου. Το πρόγραμμα που σχεδιάστηκε υπολογίζει αρχικά με βάση τα γεωμετρικά στοιχεία του πύργου, την απόσταση της τοποθεσίας από την πηγή άντλησης και τις εκτιμώμενες συνθήκες λειτουργίας, την παροχή νερού, τον αριθμό των εγκατεστημένων ανεμογεννητριών και πραγματοποιεί διαστασιολόγηση του αντλιοστασίου. Εν συνεχεία, έχοντας προσδιορίσει πλήρως το εξεταζόμενο σύστημα, υπολογίζει για κάθε μήνα του έτους λειτουργίας με βάση τα μετεωρολογικά στοιχεία, την παραγώμενη ενέργεια και τα εκτιμώμενα έσοδα της εγκατάστασης. Στη συνέχεια ακολουθεί η οικονομοτεχνική μελέτη που απεικονίζει το κόστος εγκατάστασης της μονάδος σε σχέση με τα ετήσια εκτιμώμενα έσοδα.Όπως δείχνει η ανάλυση των αποτελεσμάτων, ο ενεργειακός πύργος λόγω του υψηλού κόστους κατασκευής και των ειδικών συνθηκών λειτουργίας που απαιτεί (θερμο και ξηρό κλίμα με πρόσβαση σε πηγή νερού) δεν αποτελεί επί του παρόντος ελκυστική επένδυση, γεγονός που δικαιολογεί την απουσία του από τον σύγχρονο ενεργειακό χάρτη. Παρόλα αυτά, εκτιμάται πως με την εξέλιξη των νέων υλικών και των κατασκευαστικών μεθόδων υπάρχει η πιθανότητα εφαρμογής τους στο μέλλον για παραγωγή ενέργειας, λόγω και της δυνατότητας συνδυασμού με μονάδα αφαλλάτωσης νερού.

In recent years the visible effects of global warming and the energy dependence of the welfare societies in petroleum products led to an awareness of the global community to meet the energy needs of its members from environmentally friendly technologies. As part of this mobilization, this paper attempts to examine a specific model of energy production from renewable sources, using the downdraft energy tower. Firstly this paper tries to simulate the phenomenon via a developed computer code, and secondly to assess whether the above mechanism may be used, with the existing technology, for power plant production, in Greece. Under this scope, in order to simulate the energy tower the following modules were programmed: the psychrometric fuctions that calculate the air characteristics, the water evaporation model used to cool the air within the tower, the subroutine that calculates the air flow due to solar chimney effect, the wind-turbine system and the pumping system of the spraying medium. At first the program calculates the water flow, the number of installed wind turbines and the pump system characteristics, based on the geometry of the tower, the distance of the site from the water source and the estimated operating conditions. Following the above calculations, having fully identified the simulated system’s operation, the program simulates a full operating year of the tower, based on available meteorological data of the site. After calculating the estimated revenue of the facility, a feasibility study calculates the cost of the plant in respect of the estimated annual revenue. The results of the economic evaluation showed that the energy tower due to its high construction costs and the specific operating conditions required (hot and dry climate with access to water source) is not currently an attractive investment, a fact that justifies it’s absence in modern renewable energy resources. However, its is estimated that the development of new materials and construction methods could enable the use of energy tower in the future, considering that it can possibly be combined with a water desalination system.