پنل‌های خورشیدی هیبریدی فتوولتائیک-حرارتی (Photovoltaic Thermal یا PV/T) نسل پیشرفته‌ای از سامانه‌های انرژی خورشیدی هستند که به‌صورت همزمان قادر به تولید انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی هستند. برخلاف پنل‌های فتوولتائیک معمولی که تنها برق تولید می‌کنند، در این فناوری گرمای تولیدشده در پشت سلول‌های خورشیدی نیز بازیابی شده و برای مصارف مختلف مانند تأمین آب گرم خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ویژگی موجب افزایش بازده کلی سامانه و استفاده بهینه‌تر از انرژی خورشیدی می‌شود.

در این شبیه‌سازی، عملکرد یک پنل خورشیدی هیبریدی PV/T در محیط Matlab و Simulink با استفاده از کتابخانه‌های Simscape Foundation، Simscape Electrical و Simscape Fluids مدل‌سازی شده است. هدف اصلی این مدل، بررسی همزمان تولید انرژی الکتریکی و انتقال گرمای تولیدشده به آب و تحلیل رفتار حرارتی، الکتریکی و هیدرولیکی سیستم در طول یک چرخه کامل شبانه‌روز است.

معرفی ساختار سامانه PV/T

سامانه مورد بررسی از سه شبکه فیزیکی اصلی تشکیل شده است که هر یک وظیفه مشخصی را بر عهده دارند. نخست شبکه الکتریکی که مسئول تولید توان الکتریکی توسط سلول‌های خورشیدی است، سپس شبکه حرارتی که انتقال گرما میان اجزای مختلف پنل و محیط اطراف را مدل می‌کند و در نهایت شبکه سیال حرارتی که وظیفه انتقال گرمای جذب‌شده توسط آب را بر عهده دارد.

در بخش الکتریکی، بلوک Solar Cell رفتار مجموعه‌ای از سلول‌های خورشیدی را شبیه‌سازی می‌کند. خروجی این بخش به یک بار مقاومتی متصل است تا توان تولیدشده توسط پنل مصرف شود. همزمان با تولید برق، بخشی از انرژی خورشیدی به گرما تبدیل شده و دمای سلول‌های خورشیدی افزایش می‌یابد.

در بخش حرارتی، انتقال گرما میان پوشش شیشه‌ای، سلول‌های خورشیدی، مبدل حرارتی، پوشش پشتی و محیط اطراف از طریق سه مکانیزم اصلی هدایت حرارتی، همرفت و تشعشع مدل‌سازی می‌شود. این بخش امکان تحلیل دقیق تغییرات دمای اجزای مختلف پنل را فراهم می‌کند.

شبکه سیال حرارتی نیز شامل لوله انتقال، مخزن ذخیره آب و سه پمپ مختلف است که وظیفه گردش آب و انتقال انرژی حرارتی را بر عهده دارند.

ساختار کلی مدل در Simulink

مدل طراحی‌شده دارای چندین زیرسیستم مختلف است که هر یک بخشی از عملکرد سامانه را نمایش می‌دهند. زیرسیستم ورودی‌های خورشیدی مقدار تابش خورشید و زاویه تابش را تولید می‌کند. زیرسیستم کنترل پمپ‌ها نرخ جریان هر پمپ را تعیین می‌کند. بخش دیگری برای نمایش نتایج شبیه‌سازی و رسم نمودارها در نظر گرفته شده است. همچنین یک زیرسیستم مستقل نیز مدل اپتیکی شیشه محافظ پنل را پیاده‌سازی می‌کند.

این ساختار ماژولار موجب می‌شود هر قسمت از سامانه به‌صورت مستقل قابل توسعه، تغییر و تحلیل باشد.

پارامترهای قابل تنظیم مدل

یکی از مزیت‌های مهم این شبیه‌سازی قابلیت تغییر آسان پارامترهای مختلف سیستم است. مشخصات بار الکتریکی، سلول خورشیدی، لوله انتقال، مخزن ذخیره و سایر اجزای مدل از طریق فایل تنظیمات قابل ویرایش هستند. این ویژگی امکان بررسی عملکرد سامانه تحت شرایط مختلف طراحی را فراهم می‌کند.

به کمک این قابلیت می‌توان تأثیر تغییر ابعاد پنل، ظرفیت مخزن، ویژگی‌های حرارتی لوله‌ها و مشخصات الکتریکی سلول‌ها را بر عملکرد نهایی سیستم بررسی نمود.

ورودی‌های مدل

ورودی‌های اصلی این شبیه‌سازی شامل شدت تابش خورشید، زاویه تابش نور و دبی سه پمپ موجود در سامانه هستند. برای ایجاد تغییرات طبیعی در این پارامترها، از بلوک Repeating Sequence استفاده شده است تا رفتار سیستم در یک چرخه ۲۴ ساعته شبیه‌سازی شود.

در این مدل، خورشید ساعت ۶ صبح طلوع کرده و در ساعت ۱۹ غروب می‌کند. شدت تابش از صبح به‌تدریج افزایش یافته و در ساعت ۱۲:۳۰ به بیشترین مقدار خود می‌رسد. سپس تا زمان غروب کاهش می‌یابد. زاویه تابش نیز از مقدار π/3 در ابتدای روز به صفر در ظهر تغییر کرده و سپس مجدداً افزایش پیدا می‌کند.

عملکرد پمپ‌های سیستم

سه پمپ مستقل در این سامانه وظایف متفاوتی را انجام می‌دهند. نخستین پمپ مصرف‌کننده آب گرم را مدل‌سازی می‌کند. این پمپ تنها بین ساعات ۱۰ صبح تا ۲۲ فعال است و بیانگر مصرف آب گرم توسط کاربران است.

پمپ دوم وظیفه تأمین آب از منبع را بر عهده دارد و تنها در بازه زمانی ۱۸ عصر تا ۶ صبح فعال است تا مخزن دوباره پر شود.

پمپ سوم گردش داخلی آب در مبدل حرارتی را ایجاد می‌کند. این پمپ از ساعت ۶ صبح تا ۲۲ فعال است و باعث افزایش انتقال حرارت میان پنل و آب می‌شود. در طول شب این پمپ خاموش می‌شود زیرا در دمای پایین محیط، ادامه گردش آب باعث اتلاف انرژی خواهد شد.

مدل اپتیکی پوشش شیشه‌ای

یکی از بخش‌های مهم این شبیه‌سازی، مدل اپتیکی پوشش شیشه‌ای پنل خورشیدی است. این مدل درون یک بلوک MATLAB Function پیاده‌سازی شده و وظیفه محاسبه میزان بازتاب، عبور و جذب نور خورشید را بر عهده دارد.

خروجی‌های این مدل شامل سه کمیت مهم هستند:

• شدت تابش عبوری که به سلول‌های خورشیدی می‌رسد.
• گرمای جذب‌شده توسط شیشه.
• توان تابشی جذب‌شده توسط سلول‌های خورشیدی.

بخشی از انرژی جذب‌شده توسط سلول‌ها به انرژی الکتریکی تبدیل شده و بخش دیگر به‌صورت گرما ظاهر می‌شود که موجب افزایش دمای پنل خواهد شد.

تحلیل اپتیکی مرزهای شیشه

از دیدگاه اپتیکی، پوشش شیشه‌ای از دو مرز موازی هوا-شیشه و شیشه-هوا تشکیل شده است. در هر مرز، بخشی از نور بازتاب شده و بخش دیگری عبور می‌کند. ضرایب بازتاب و عبور با استفاده از معادلات فرنل محاسبه می‌شوند.

این ضرایب برای دو نوع قطبش مختلف نور یعنی قطبش موازی (P) و قطبش عمودی (S) محاسبه شده و سپس میانگین آن‌ها به‌عنوان ضریب کلی بازتاب در نظر گرفته می‌شود. از آنجا که در مرز هیچ جذب نوری وجود ندارد، ضریب عبور برابر با یک منهای ضریب بازتاب خواهد بود.

با افزایش زاویه تابش، میزان بازتاب افزایش یافته و مقدار نور عبوری کاهش پیدا می‌کند. این موضوع یکی از عوامل مهم کاهش راندمان پنل در ساعات ابتدایی و انتهایی روز محسوب می‌شود.

قانون اسنل و انتشار نور در شیشه

پس از ورود نور به داخل شیشه، زاویه انتشار آن مطابق قانون اسنل تغییر می‌کند. این زاویه جدید تعیین‌کننده مسیر حرکت نور در داخل شیشه و میزان جذب آن است.

نور هنگام عبور از ضخامت شیشه بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهد. این فرآیند با استفاده از قانون جذب نمایی مدل‌سازی شده است که در آن ضریب جذب شیشه و ضخامت آن نقش اساسی دارند.

پس از رسیدن نور به مرز دوم، دوباره فرآیند بازتاب و عبور اتفاق می‌افتد. بخشی از نور بازتاب‌شده بین دو سطح شیشه بارها رفت و برگشت کرده تا در نهایت کاملاً جذب شود. این پدیده با استفاده از مجموع یک سری هندسی بی‌نهایت مدل شده است که امکان محاسبه دقیق ضرایب نهایی عبور، بازتاب و جذب شیشه را فراهم می‌کند.

خروجی‌های شبیه‌سازی

این مدل مجموعه کاملی از خروجی‌های فیزیکی را تولید می‌کند که امکان تحلیل دقیق عملکرد سامانه را فراهم می‌سازد. مهم‌ترین خروجی‌ها عبارت‌اند از:

• دمای تمامی اجزای پنل خورشیدی
• توان الکتریکی تولیدشده
• توان حرارتی انتقال‌یافته به آب
• حجم آب موجود در مخزن
• تغییرات انرژی در طول زمان

با استفاده از این اطلاعات می‌توان رفتار دینامیکی سامانه را در ساعات مختلف شبانه‌روز بررسی و عملکرد آن را ارزیابی نمود.

محاسبه راندمان سامانه

پس از پایان شبیه‌سازی، میزان انرژی دریافتی از خورشید و انرژی‌های تولیدشده توسط سیستم محاسبه می‌شود. در این مثال، انرژی کل ورودی خورشید در طول دوره شبیه‌سازی حدود 43.79 کیلووات ساعت بوده است.

انرژی الکتریکی تحویل داده شده به بار حدود 7.53 کیلووات ساعت و انرژی حرارتی مفید منتقل شده به مصرف‌کننده حدود 9.97 کیلووات ساعت گزارش شده است.

بر اساس این مقادیر، راندمان الکتریکی سیستم تقریباً 17.2 درصد و راندمان حرارتی حدود 22.8 درصد به دست آمده است. مجموع این دو مقدار، راندمان کلی سامانه را به حدود 40 درصد می‌رساند که نسبت به پنل‌های خورشیدی متداول افزایش قابل توجهی را نشان می‌دهد.

این نتایج بیانگر آن است که بازیابی انرژی حرارتی علاوه بر تولید برق، بهره‌وری استفاده از انرژی خورشیدی را به میزان چشمگیری افزایش می‌دهد و سامانه را به یک سیستم تولید همزمان برق و گرما تبدیل می‌کند.

قابلیت‌های توسعه مدل

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این شبیه‌سازی قابلیت توسعه آن برای انجام مطالعات پیشرفته‌تر است. به‌عنوان نمونه می‌توان از ابزارهای بهینه‌سازی موجود در Matlab مانند Simulink Design Optimization برای یافتن بهترین مقادیر پارامترهای طراحی استفاده کرد.

همچنین امکان افزودن کنترل‌کننده‌های هوشمند برای مدیریت عملکرد پمپ‌ها و بار الکتریکی وجود دارد تا سامانه در شرایط مختلف آب‌وهوایی همواره در نقطه عملکرد بهینه قرار گیرد. استفاده از الگوریتم‌های کنترلی تطبیقی، کنترل پیش‌بین و روش‌های مبتنی بر هوش مصنوعی نیز می‌تواند موجب افزایش بازده کلی سامانه شود.

جمع‌بندی

شبیه‌سازی پنل خورشیدی هیبریدی فتوولتائیک-حرارتی در Matlab یکی از کامل‌ترین نمونه‌های مدل‌سازی چندفیزیکی است که به‌صورت همزمان رفتار الکتریکی، حرارتی، اپتیکی و سیال سامانه را بررسی می‌کند. این مدل امکان تحلیل دقیق فرآیند تولید برق، انتقال گرما، رفتار اپتیکی شیشه، عملکرد مدار هیدرولیکی و تغییرات انرژی در طول شبانه‌روز را فراهم می‌سازد.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که استفاده همزمان از انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی باعث افزایش چشمگیر راندمان کلی سامانه می‌شود. به همین دلیل پنل‌های PV/T یکی از گزینه‌های بسیار مناسب برای ساختمان‌های مسکونی، صنایع، سامانه‌های آب گرم خورشیدی و نیروگاه‌های کوچک مقیاس محسوب می‌شوند. همچنین انعطاف‌پذیری بالای محیط Matlab و Simscape امکان توسعه مدل، انجام تحلیل‌های حساسیت، طراحی کنترل‌کننده و بهینه‌سازی عملکرد سیستم را برای پژوهشگران و مهندسان فراهم می‌کند.

“`