سامانه‌های خورشیدی هیبریدی فتوولتائیک–حرارتی (Photovoltaic Thermal Hybrid Systems) یا PV/T نسل پیشرفته‌ای از فناوری‌های انرژی خورشیدی هستند که به‌طور هم‌زمان دو نوع انرژی را از تابش خورشید استخراج می‌کنند: انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی. در این سامانه‌ها، برخلاف پنل‌های فتوولتائیک معمولی که تنها برق تولید می‌کنند، بخشی از انرژی خورشیدی که معمولاً به صورت گرما هدر می‌رود نیز بازیابی شده و برای کاربردهای حرارتی مانند گرمایش آب مصرفی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این رویکرد باعث افزایش چشمگیر بازده کل سیستم و بهبود بهره‌وری انرژی در سطح سیستم می‌شود. در این شبیه‌سازی، یک مدل جامع چندفیزیکی در محیط MATLAB و Simulink با استفاده از ابزارهای Simscape Electrical، Simscape Fluids و Simscape Foundation توسعه داده شده است تا رفتار واقعی یک پنل PV/T در شرایط محیطی متغیر بررسی شود.

هدف اصلی این شبیه‌سازی، تحلیل هم‌زمان تولید توان الکتریکی، انتقال حرارت، و رفتار سیالاتی در یک سامانه یکپارچه و ارزیابی راندمان کلی سیستم در یک چرخه ۲۴ ساعته است.

ساختار کلی مدل شبیه‌سازی

مدل PV/T ارائه‌شده از سه زیرسیستم اصلی تشکیل شده است:

• شبکه الکتریکی (Electrical Network)
• شبکه حرارتی (Thermal Network)
• شبکه حرارتی–سیالی (Thermal-Liquid Network)

در بخش الکتریکی، از بلوک Solar Cell برای مدل‌سازی سلول‌های فتوولتائیک استفاده شده است. این بخش وظیفه دارد انرژی تابشی خورشید را به توان الکتریکی تبدیل کند. بار الکتریکی نیز به صورت یک زیرسیستم مقاومتی مدل‌سازی شده است که مصرف‌کننده توان تولیدی است.

در بخش حرارتی، تبادل گرما میان اجزای مختلف پنل شامل شیشه، لایه جذب‌کننده، مبدل حرارتی و محیط اطراف بررسی می‌شود. انتقال حرارت از طریق سه مکانیزم اصلی یعنی هدایت، همرفت و تابش مدل شده است.

در بخش سیالاتی، جریان آب در لوله‌ها، مخزن ذخیره و پمپ‌ها شبیه‌سازی می‌شود. این بخش مسئول انتقال انرژی حرارتی جذب‌شده به آب مصرفی در خانه است.

مدل ورودی‌ها و شرایط محیطی

در این شبیه‌سازی، ورودی‌های اصلی شامل شدت تابش خورشید (Irradiance)، زاویه تابش (Incidence Angle) و دبی پمپ‌ها هستند. این ورودی‌ها به‌صورت یک تابع دوره‌ای ۲۴ ساعته تعریف شده‌اند تا شرایط واقعی شبانه‌روز را بازسازی کنند.

در این مدل، طلوع خورشید در ساعت ۶ صبح و غروب در ساعت ۱۹ در نظر گرفته شده است. شدت تابش خورشید در ظهر (حدود ساعت ۱۲:۳۰) به بیشینه مقدار خود می‌رسد و سپس کاهش می‌یابد. زاویه تابش نیز از مقدار π/3 در صبح به صفر در ظهر تغییر می‌کند.

سه پمپ در سیستم وجود دارد:

• پمپ مصرف‌کننده (Demand Pump)
• پمپ تأمین (Supply Pump)
• پمپ گردش داخلی (Internal Flow Pump)

پمپ مصرفی تنها در بازه زمانی ۱۰ تا ۲۲ فعال است. پمپ تأمین از ۱۸ تا ۶ صبح برای جبران نیاز ذخیره حرارتی فعال می‌شود. پمپ گردش داخلی نیز از ۶ تا ۲۲ برای افزایش انتقال حرارت در طول روز عمل می‌کند. در ساعات شب، این پمپ غیرفعال می‌شود زیرا تبادل حرارت در شرایط دمای پایین محیطی بازده مناسبی ندارد.

مدل نوری شیشه پوشش پنل

یکی از بخش‌های مهم این شبیه‌سازی، مدل نوری شیشه پوشش پنل خورشیدی است. این مدل نقش مهمی در تعیین میزان تابش عبوری به سلول‌های PV دارد. در این بخش، رفتار نور هنگام عبور از دو سطح مرزی هوا–شیشه و شیشه–هوا با استفاده از معادلات فرنل (Fresnel Equations) تحلیل می‌شود.

ضریب بازتاب برای قطبش‌های P و S به ترتیب با روابط زیر تعریف می‌شود:

r_p و r_s از روابط فرنل به دست می‌آیند و بازتاب کلی به صورت میانگین آن‌ها محاسبه می‌شود. سپس ضریب عبور برابر است با:

t = 1 − r

این روابط نشان می‌دهند که با افزایش زاویه تابش، میزان بازتاب افزایش یافته و در نتیجه عبور نور کاهش می‌یابد. این پدیده تأثیر مستقیم بر توان خروجی سلول‌های PV دارد.

در ادامه، برای شیشه با ضخامت مشخص، جذب داخلی نیز مدل‌سازی می‌شود. شدت نور در هنگام عبور از شیشه به صورت نمایی کاهش می‌یابد:

τ_g = exp(−α_g d_g / cos(θ))

این رابطه نشان‌دهنده تضعیف انرژی نوری به دلیل جذب در ماده شیشه است.

در نهایت، با در نظر گرفتن بازتاب‌های چندگانه بین دو سطح شیشه، ضرایب انتقال، بازتاب و جذب کل سیستم به صورت یک سری هندسی بی‌نهایت محاسبه می‌شوند:

T_g = (t₁ τ_g t₂) / (1 − r₁ r₂ τ_g²)

این مدل نوری نقش مهمی در دقت شبیه‌سازی سیستم PV/T دارد، زیرا تعیین‌کننده میزان انرژی ورودی به سلول خورشیدی است.

تبدیل انرژی در سلول خورشیدی

در سلول فتوولتائیک، انرژی تابشی جذب‌شده به دو بخش تقسیم می‌شود: بخشی به انرژی الکتریکی (V×I) تبدیل می‌شود و بخش دیگر به صورت گرما در ساختار سلول باقی می‌ماند. این گرما سپس به شبکه حرارتی منتقل شده و توسط سیال عامل جذب می‌شود.

این فرآیند باعث افزایش دمای سلول می‌شود که به طور مستقیم بر راندمان الکتریکی تأثیر منفی دارد. به همین دلیل، سیستم PV/T با استخراج گرما از سلول، علاوه بر تولید انرژی حرارتی مفید، دمای سلول را کاهش داده و راندمان الکتریکی را بهبود می‌بخشد.

مدل حرارتی و انتقال انرژی

در بخش حرارتی، اجزای مختلف پنل شامل شیشه، سلول PV، صفحه پشتی و مبدل حرارتی به‌صورت یک شبکه حرارتی چندگرهی مدل‌سازی شده‌اند. انتقال حرارت از سه مکانیزم اصلی تبعیت می‌کند:

• هدایت حرارتی در مواد جامد
• همرفت بین سطح و محیط
• تابش حرارتی بین سطوح

این مدل امکان بررسی دقیق توزیع دما در طول روز را فراهم می‌کند. افزایش دمای محیط و تابش خورشید باعث افزایش دمای سلول شده و در نتیجه نیاز به خنک‌سازی توسط سیال افزایش می‌یابد.

شبکه سیال و ذخیره‌سازی حرارت

در بخش سیال، آب به عنوان سیال عامل در سیستم گردش می‌کند. پمپ‌ها جریان آب را در لوله‌ها هدایت کرده و انرژی حرارتی جذب‌شده از پنل را به مخزن ذخیره منتقل می‌کنند. این مخزن به عنوان منبع آب گرم مصرفی در ساختمان استفاده می‌شود.

کنترل جریان سیال نقش مهمی در بهینه‌سازی عملکرد سیستم دارد. افزایش بیش از حد دبی می‌تواند باعث کاهش دمای خروجی و کاهش بهره‌وری حرارتی شود، در حالی که دبی کم ممکن است باعث افزایش بیش از حد دمای پنل شود.

محاسبه راندمان سیستم

یکی از مهم‌ترین نتایج این شبیه‌سازی، محاسبه راندمان الکتریکی، حرارتی و کلی سیستم است. بر اساس نتایج شبیه‌سازی، انرژی ورودی خورشیدی در یک دوره زمانی مشخص حدود 43.79 kWh بوده است.

انرژی الکتریکی تولید شده حدود 7.53 kWh و انرژی حرارتی مفید استخراج‌شده حدود 26.47 kWh گزارش شده است. در نتیجه:

• راندمان الکتریکی: 0.172
• راندمان حرارتی: 0.228
• راندمان کلی: 0.400

این نتایج نشان می‌دهد که ترکیب تولید برق و گرما در یک سیستم یکپارچه PV/T می‌تواند راندمانی به مراتب بالاتر از پنل‌های خورشیدی معمولی ارائه دهد.

جمع‌بندی و تحلیل نهایی

مدل ارائه‌شده یک چارچوب جامع برای تحلیل عملکرد سیستم‌های PV/T در شرایط واقعی محیطی فراهم می‌کند. استفاده از ابزارهای Simscape امکان مدل‌سازی دقیق پدیده‌های چندفیزیکی شامل الکتریسیته، انتقال حرارت و جریان سیال را فراهم کرده است.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که استفاده از سیستم‌های هیبریدی می‌تواند نقش مهمی در افزایش بهره‌وری انرژی‌های تجدیدپذیر داشته باشد. همچنین تحلیل حساسیت و بهینه‌سازی پارامترها می‌تواند به بهبود عملکرد سیستم کمک کند.

در ادامه توسعه این مدل، می‌توان از ابزارهای بهینه‌سازی در MATLAB برای تعیین شرایط بهینه عملکرد سیستم استفاده کرد. همچنین افزودن کنترل‌کننده‌های هوشمند برای پمپ‌ها و بار الکتریکی می‌تواند موجب افزایش راندمان و پایداری سیستم شود.