سامانه‌های خورشیدی هیبریدی فوتوولتائیک-حرارتی (Photovoltaic Thermal یا PV/T) یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های تبدیل انرژی خورشیدی هستند که با هدف افزایش بازده کل سیستم طراحی شده‌اند. در این نوع سامانه‌ها، انرژی خورشیدی نه تنها برای تولید برق استفاده می‌شود، بلکه همزمان برای تولید انرژی حرارتی نیز به کار می‌رود. این ویژگی باعث می‌شود که بازده کلی سیستم نسبت به پنل‌های خورشیدی معمولی به طور قابل توجهی افزایش یابد.

در این شبیه‌سازی، یک مدل کامل از یک پنل خورشیدی هیبریدی PV/T در محیط‌های Simscape، Simscape Electrical، Simscape Fluids و Simulink توسعه داده شده است. هدف اصلی این مدل، بررسی همزمان تولید توان الکتریکی و حرارتی و تحلیل رفتار حرارتی، سیالاتی و نوری سیستم در شرایط واقعی محیطی است.

در این سامانه، گرمای تولیدشده در پنل خورشیدی به وسیله یک مبدل حرارتی به آب منتقل می‌شود و برای مصارف خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این موضوع باعث می‌شود که انرژی تلف‌شده در پنل‌های معمولی نیز بازیابی شده و به شکل مفید مورد استفاده قرار گیرد.

از نظر ساختاری، این مدل از چند بخش اصلی تشکیل شده است: بخش الکتریکی، بخش حرارتی و بخش سیالات حرارتی. هر کدام از این بخش‌ها با استفاده از کتابخانه‌های فیزیکی Simscape مدل‌سازی شده‌اند و به صورت کاملاً کوپل شده با یکدیگر تعامل دارند.

در بخش الکتریکی، از بلوک Solar Cell برای مدل‌سازی سلول‌های فتوولتائیک استفاده شده است. این بخش شامل یک بار مقاومتی نیز هست که رفتار مصرف‌کننده انرژی الکتریکی را شبیه‌سازی می‌کند. در این قسمت، توان خروجی پنل از حاصل‌ضرب ولتاژ و جریان به دست می‌آید.

در بخش حرارتی، انتقال حرارت بین اجزای مختلف پنل شامل پوشش شیشه‌ای، مبدل حرارتی و لایه پشتی پنل مدل‌سازی شده است. انتقال حرارت از طریق سه مکانیزم اصلی شامل رسانش، همرفت و تابش انجام می‌شود. این بخش نقش مهمی در تعیین دمای عملکرد سلول‌های خورشیدی دارد، زیرا افزایش دما می‌تواند بازده الکتریکی را کاهش دهد.

بخش سیالات حرارتی شامل لوله‌ها، مخزن و پمپ‌ها است که جریان آب را در سیستم کنترل می‌کنند. این پمپ‌ها وظیفه دارند جریان سیال را در زمان‌های مختلف شبانه‌روز تنظیم کنند تا انتقال حرارت بهینه انجام شود. به عنوان مثال، جریان مصرف‌کننده در ساعات مشخصی از روز فعال است، در حالی که جریان تأمین در ساعات شبانه فعال می‌شود.

برای مدل‌سازی دقیق شرایط محیطی، ورودی‌های سیستم شامل تابش خورشیدی و زاویه تابش به صورت تابع زمانی 24 ساعته تعریف شده‌اند. تابش خورشیدی در ساعت 6 صبح آغاز شده و در حوالی 12:30 به بیشینه مقدار خود می‌رسد و سپس تا غروب کاهش می‌یابد. این رفتار به صورت یک منحنی زنگوله‌ای در مدل شبیه‌سازی شده است.

یکی از بخش‌های مهم این شبیه‌سازی، مدل نوری (Optical Model) است که در یک بلوک MATLAB Function پیاده‌سازی شده است. این مدل، رفتار عبور، بازتاب و جذب نور در پوشش شیشه‌ای پنل را تحلیل می‌کند. در واقع، شیشه پنل به عنوان یک محیط اپتیکی شامل دو مرز موازی (هوا-شیشه و شیشه-هوا) در نظر گرفته می‌شود.

در این مدل، بازتاب نور بر اساس معادلات فرنل (Fresnel Equations) محاسبه می‌شود. ضرایب بازتاب برای دو حالت قطبش P و S تعریف شده و میانگین آن‌ها به عنوان ضریب بازتاب کلی در نظر گرفته می‌شود. سپس ضریب عبور از رابطه یک منهای بازتاب به دست می‌آید.

با عبور نور از شیشه، علاوه بر بازتاب سطحی، جذب داخلی نیز رخ می‌دهد. این جذب به صورت یک فرآیند نمایی وابسته به طول مسیر نور در داخل شیشه مدل‌سازی شده است. در نتیجه، شدت نور در داخل شیشه به صورت نمایی کاهش می‌یابد که این موضوع در طراحی دقیق سیستم اهمیت زیادی دارد.

همچنین به دلیل وجود دو سطح شیشه، نور چندین بار بین این دو سطح بازتاب می‌شود و بخشی از آن به دام می‌افتد. این پدیده با استفاده از یک سری هندسی بی‌نهایت مدل‌سازی شده و در نهایت روابط تحلیلی برای ضریب عبور، بازتاب و جذب کلی سیستم به دست آمده است.

در کنار مدل نوری، قانون اسنل (Snell’s Law) نیز برای تعیین زاویه شکست نور در هنگام عبور از مرز هوا به شیشه استفاده می‌شود. این قانون نقش مهمی در تعیین مسیر واقعی نور در داخل شیشه دارد و بر میزان انرژی جذب‌شده توسط سلول‌های خورشیدی تأثیر مستقیم می‌گذارد.

خروجی‌های اصلی این شبیه‌سازی شامل دمای اجزای مختلف پنل، توان الکتریکی تولیدی، انرژی حرارتی منتقل‌شده به آب و حجم آب ذخیره‌شده در مخزن است. این خروجی‌ها امکان تحلیل دقیق عملکرد سیستم را در شرایط مختلف محیطی فراهم می‌کنند.

نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که انرژی ورودی خورشیدی در طول یک دوره مشخص حدود 43.78 کیلووات‌ساعت بوده است. از این مقدار، حدود 7.53 کیلووات‌ساعت به انرژی الکتریکی تبدیل شده و حدود 26.47 کیلووات‌ساعت به صورت انرژی حرارتی در آب ذخیره شده است. این مقادیر نشان‌دهنده سهم قابل توجه بخش حرارتی در افزایش بازده کلی سیستم هستند.

بازده الکتریکی سیستم در حدود 0.17 و بازده حرارتی در حدود 0.22 به دست آمده است. در مجموع، بازده کلی سیستم نزدیک به 0.40 گزارش شده است که نشان‌دهنده عملکرد مطلوب سامانه PV/T در مقایسه با پنل‌های خورشیدی معمولی است.

این نتایج نشان می‌دهد که استفاده از سامانه‌های هیبریدی می‌تواند نقش مهمی در بهینه‌سازی مصرف انرژی و افزایش بهره‌وری منابع تجدیدپذیر ایفا کند. به ویژه در کاربردهای خانگی و صنعتی، این سیستم‌ها می‌توانند همزمان دو نیاز اصلی یعنی تولید برق و تأمین آب گرم را برآورده کنند.

در ادامه این شبیه‌سازی، امکان بهینه‌سازی پارامترهای سیستم با استفاده از ابزارهایی مانند Simulink Design Optimization وجود دارد. این بهینه‌سازی می‌تواند شامل تنظیم جریان پمپ‌ها، ابعاد مبدل حرارتی و یا ویژگی‌های اپتیکی شیشه باشد تا بازده کلی سیستم به حداکثر مقدار ممکن برسد.

همچنین می‌توان با افزودن کنترل‌کننده‌های هوشمند، عملکرد سیستم را در شرایط متغیر محیطی بهبود داد. این کنترل‌کننده‌ها قادر خواهند بود جریان سیال و بار الکتریکی را به صورت دینامیکی تنظیم کنند تا سیستم همیشه در نقطه بهینه عملکرد خود قرار گیرد.

در مجموع، شبیه‌سازی سامانه PV/T نشان می‌دهد که ترکیب فناوری‌های فتوولتائیک و حرارتی می‌تواند یک راهکار مؤثر برای افزایش بهره‌وری انرژی خورشیدی باشد. این رویکرد نه تنها باعث کاهش اتلاف انرژی می‌شود، بلکه امکان استفاده چندمنظوره از یک منبع انرژی واحد را فراهم می‌کند.