DOI: https://doi.org/10.56578/jcmes010206
تاريخ النشر: 2026-05-17
المؤلف: Muna Hameed Alturaihi وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد تغيير الطور
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة استراتيجية مبتكرة لإدارة الحرارة لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV)، حيث تعالج التحدي المتمثل في درجات الحرارة العالية التي تؤثر سلبًا على الكفاءة والموثوقية. يدمج النظام المقترح مادة تغيير الطور (PCM) القائمة على البارافين مع جزيئات نانوية ثلاثية (Ag، Al₂O₃، وTiO₂) ورغوة معدنية لتعزيز الموصلية الحرارية ونقل الحرارة. باستخدام طريقة جاليركين للعناصر المحدودة للتحليل العددي، تقوم الدراسة بنمذجة سلوك الانصهار العابر لمادة PCM، كاشفة عن زيادة بنسبة 68.93% في الكسر السائل (LF) وتحسين بنسبة 5.71% في توزيع درجة الحرارة داخل PCM. تظهر النتائج أن تكوين التبريد الهجين يقلل من درجة حرارة لوحة PV بنسبة 8.53% ويزيد من الكفاءة الكهربائية بنسبة 17.16% مقارنة بالأنظمة التقليدية غير المبردة.
تؤكد النتائج على فعالية دمج PCM مع الجزيئات النانوية والهياكل المسامية، والتي لا تسرع فقط من عملية الانصهار ولكن تعزز أيضًا من التوزيع الحراري وامتصاص الطاقة. بعد ثلاث ساعات من التشغيل، يحقق التكوين المحسن ذوبانًا كاملاً لمادة PCM، على عكس الحالة الأساسية التي تصل فقط إلى LF حوالي 0.59. تستنتج الدراسة أن هذه الطريقة المتكاملة للتبريد تتفوق بشكل كبير على الطرق التقليدية، مما يوفر مسارًا واعدًا لتعزيز تنظيم الحرارة في أنظمة PV، وبالتالي تحسين الأداء العام والاستقرار تحت ظروف التشغيل الحقيقية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم لتكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) في الطاقة المتجددة، مشددة على قدرتها على تحويل الإشعاع الشمسي إلى كهرباء دون تلوث بيئي. ومع ذلك، تشير إلى أن درجات الحرارة التشغيلية المفرطة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على كفاءة وموثوقية وحدات PV. لمعالجة هذا التحدي، تعتبر استراتيجيات إدارة الحرارة الفعالة ضرورية، خاصة في ظل ظروف الإشعاع الشمسي العالي. من بين تقنيات التبريد المختلفة، ظهرت مواد تغيير الطور (PCMs) كحل واعد بسبب قدرتها على امتصاص وإطلاق الطاقة الحرارية أثناء الانتقالات الطورية. تناقش الورقة بشكل خاص مزايا مواد PCM القائمة على البارافين، مع الاعتراف أيضًا بحدودها، مثل الموصلية الحرارية المنخفضة.
يقترح المؤلفون نهجًا مبتكرًا يدمج جزيئات نانوية ثلاثية (Ag-Al₂O₃-TiO₂) ورغوة معدنية مسامية داخل البارافين RT-25 لتعزيز الموصلية الحرارية ونقل الطاقة في أنظمة تبريد PV. يهدف هذا التكوين السلبي المتكامل إلى الحفاظ على درجات حرارة تشغيل أقل لوحات PV، مما يحسن الكفاءة الكهربائية وموثوقية النظام. تستخدم الدراسة طريقة جاليركين للعناصر المحدودة مع تقنيات الشبكة التكيفية لتحليل الخصائص الحرارية السائلة العابرة للنظام تحت ظروف التشغيل القصوى. من المتوقع أن يتفوق النظام المقترح من خلال دمج تقنيات متعددة متقدمة لتعزيز نقل الحرارة، مما يوفر إمكانيات كبيرة لتقدم تقنيات الطاقة الشمسية المستدامة.
النتائج
تستكشف الدراسة استراتيجية تبريد متقدمة لوحات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) من خلال دمج مادة تغيير الطور (PCM) القائمة على البارافين مع جزيئات نانوية ثلاثية (Ag-Al₂O₃-TiO₂) ورغوة مسامية. يهدف هذا التكوين إلى تعزيز إدارة الحرارة من خلال تحسين نقل الحرارة وتقليل درجة حرارة لوحة PV. تكشف المحاكاة التي أجريت على مدى ثلاث ساعات حول الظهر الشمسي أن دمج الرغوة المسامية والجزيئات النانوية يسرع بشكل كبير من عملية انصهار PCM، محققًا ذوبانًا كاملاً في حوالي 8251.93 ثانية، مقارنة بكسر سائل (LF) قدره 0.59 لحالة PCM النقي. تشير النتائج إلى أن درجة حرارة PCM ترتفع من 309.99 كلفن إلى 327.58 كلفن، مما يدل على امتصاص فعال للحرارة.
تظهر النتائج أن نظام التبريد المقترح يعزز الكفاءة الكهربائية، حيث تحقق التكوين الكامل زيادة بنسبة 17.16% في الكفاءة وتقليل بنسبة 8.53% في درجة حرارة PV مقارنة بحالة مرجعية غير مبردة. تسلط الدراسة الضوء على أهمية طبقة التبريد في تنظيم توزيع درجة الحرارة، حيث يظهر تكوين NEPCM-foam أداءً حراريًا متفوقًا بسبب تحسين توصيل الحرارة وتقليل المقاومة الحرارية. بشكل عام، يمثل هذا النهج المبتكر تقدمًا كبيرًا في إدارة الحرارة في PV، مما يظهر الإمكانيات لتحسين كفاءة الطاقة في التطبيقات الشمسية.
المناقشة
في هذه الدراسة، يتم تقديم نظام تبريد سلبي مبتكر لوحات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) للتخفيف من الآثار الضارة لارتفاع درجة الحرارة على الكفاءة الكهربائية. تتضمن الحلول المقترحة لإدارة الحرارة حاوية تبريد مملوءة بمادة تغيير الطور (PCM) RT-25 تحت وحدة PV، مصممة لامتصاص الطاقة الحرارية الزائدة أثناء الإشعاع الشمسي. لتعزيز الأداء الحراري بشكل أكبر، يتم توزيع جزيئات نانوية ثلاثية (Ag، Al₂O₃، وTiO₂) داخل PCM، ويتم دمج رغوة معدنية في مجال التبريد. يحسن هذا النهج الهجين بشكل كبير من الموصلية الحرارية، ويزيد من مساحة سطح نقل الحرارة، ويسرع من ديناميات الانصهار لمادة PCM، مما يحسن تنظيم الحرارة في لوحة PV.
يتم إجراء نمذجة عددية لعمليات نقل الحرارة العابرة وتغيير الطور باستخدام طريقة جاليركين للعناصر المحدودة، مع التركيز على فترة حرجة مدتها ثلاث ساعات حول الظهر الشمسي. تشير النتائج إلى أن التكوين المقترح للتبريد يقلل بشكل فعال من درجة حرارة لوحة PV ويعزز التوزيع الحراري، مما يؤدي إلى زيادة ملحوظة في الكفاءة الكهربائية – حوالي 17.16% مقارنة بالنظام المرجعي غير المبرد. يسمح دمج طبقة PCM بامتصاص وتخزين الطاقة بشكل فعال، محققًا ذوبانًا كاملاً لمادة PCM وتقليلًا كبيرًا في الضغط الحراري على سطح PV. بشكل عام، تؤكد النتائج على فعالية نظام التبريد الهجين المقترح في تحسين نقل الحرارة، وتسريع سلوك تغيير الطور، وتعزيز الاستقرار الحراري لوحات PV.
DOI: https://doi.org/10.56578/jcmes010206
Publication Date: 2026-05-17
Author(s): Muna Hameed Alturaihi et al.
Primary Topic: Phase Change Materials Research
Overview
This study investigates an innovative thermal management strategy for photovoltaic (PV) systems, addressing the challenge of high operating temperatures that adversely affect efficiency and reliability. The proposed system integrates a paraffin-based phase change material (PCM) with ternary nanoparticles (Ag, Al₂O₃, and TiO₂) and metal foam to enhance thermal conductivity and heat transfer. Utilizing the Galerkin finite element method for numerical analysis, the study models the transient melting behavior of the PCM, revealing a 68.93% increase in liquid fraction (LF) and a 5.71% improvement in temperature distribution within the PCM. The results demonstrate that the hybrid cooling configuration reduces the PV panel temperature by 8.53% and increases electrical efficiency by 17.16% compared to conventional uncooled systems.
The findings underscore the effectiveness of combining PCM with nanoparticles and porous structures, which not only accelerates the melting process but also enhances thermal uniformity and energy absorption. After three hours of operation, the improved configuration achieves complete melting of the PCM, contrasting with the base case that only reaches an LF of approximately 0.59. The study concludes that this integrated cooling approach significantly outperforms traditional methods, offering a promising pathway for enhancing thermal regulation in PV systems, thereby improving overall performance and stability under real operating conditions.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of photovoltaic (PV) technology in renewable energy, emphasizing its ability to convert solar radiation into electricity without environmental pollution. However, it notes that excessive operating temperatures can significantly impair the efficiency and reliability of PV modules. To address this challenge, effective thermal management strategies are essential, particularly under high solar irradiance conditions. Among various cooling techniques, phase change materials (PCMs) have emerged as a promising solution due to their capacity to absorb and release thermal energy during phase transitions. The paper specifically discusses the advantages of paraffin-based PCMs, while also acknowledging their limitations, such as low thermal conductivity.
The authors propose an innovative approach that integrates tri-hybrid nanoparticles (Ag-Al₂O₃-TiO₂) and porous metal foam within paraffin RT-25 to enhance thermal conductivity and energy transport in PV cooling systems. This integrated passive cooling configuration aims to maintain lower operating temperatures for PV panels, thereby improving electrical efficiency and system reliability. The study employs the Galerkin finite element method with adaptive mesh techniques to analyze the transient thermo-fluid characteristics of the system under peak operating conditions. By combining multiple advanced heat transfer enhancement techniques, the proposed system is expected to outperform conventional PCM-based cooling methods, offering significant potential for advancing sustainable solar energy technologies.
Results
The study investigates an advanced cooling strategy for photovoltaic (PV) panels by integrating a paraffin-based phase change material (PCM) with tri-hybrid nanoparticles (Ag-Al₂O₃-TiO₂) and porous foam. This configuration aims to enhance thermal management by improving heat transfer and reducing the operating temperature of the PV panel. Simulations conducted over a three-hour period around solar noon reveal that the incorporation of porous foam and nanoparticles significantly accelerates the melting process of the PCM, achieving complete melting within approximately 8251.93 seconds, compared to a liquid fraction (LF) of 0.59 for the pure PCM case. The results indicate that the PCM temperature increases from 309.99 K to 327.58 K, demonstrating effective heat absorption.
The findings show that the proposed cooling system enhances electrical efficiency, with the complete configuration yielding a 17.16% increase in efficiency and an 8.53% reduction in PV temperature compared to an uncooled reference case. The study highlights the importance of the cooling layer in regulating temperature distribution, with the NEPCM-foam configuration exhibiting superior thermal performance due to improved heat conduction and reduced thermal resistance. Overall, this innovative approach represents a significant advancement in PV thermal management, showcasing the potential for enhanced energy efficiency in solar applications.
Discussion
In this study, an innovative passive cooling system for photovoltaic (PV) panels is introduced to mitigate the detrimental effects of temperature rise on electrical efficiency. The proposed thermal management solution incorporates a cooling container filled with paraffin RT-25 phase change material (PCM) beneath the PV module, designed to absorb excess thermal energy during solar irradiation. To further enhance thermal performance, ternary nanoparticles (Ag, Al₂O₃, and TiO₂) are dispersed within the PCM, and metal foam is integrated into the cooling domain. This hybrid approach significantly improves thermal conductivity, increases heat transfer surface area, and accelerates the melting dynamics of the PCM, thereby optimizing the thermal regulation of the PV panel.
Numerical modeling of the transient heat transfer and phase change processes is conducted using the Galerkin finite element method, focusing on a critical three-hour period around solar noon. The results indicate that the proposed cooling configuration effectively reduces the PV panel temperature and enhances thermal uniformity, leading to a notable increase in electrical efficiency—approximately 17.16% compared to the uncooled reference system. The integration of the PCM layer allows for efficient energy absorption and storage, achieving complete melting of the PCM and a significant reduction in thermal stress on the PV surface. Overall, the findings underscore the effectiveness of the proposed hybrid cooling system in improving heat transfer, accelerating phase change behavior, and enhancing the thermal stability of PV panels.