DOI: https://doi.org/10.56578/peet050207
تاريخ النشر: 2026-05-29
المؤلف: Muna Hameed Alturaihi وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد تغيير الطور
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة التحدي المتمثل في تدهور الكفاءة في الألواح الكهروضوئية (PV) بسبب درجات حرارة التشغيل المرتفعة من خلال استكشاف نظام تبريد سالب يستخدم مواد تغيير الطور القائمة على البارافين (PCMs) المعززة بجزيئات نانوية ثلاثية من Ag-Al$_2$O$_3$-TiO$_2$ ورغوة معدنية مسامية. تم تطوير نموذج عددي عابر باستخدام طريقة غاليركين للعناصر المحدودة لتحليل السلوك الحراري لنظام التبريد، مع التركيز على حركة جبهة الانصهار والتدرجات الحرارية. أظهرت النتائج أن تكوين التبريد المعزز حسن بشكل كبير من انتشار الحرارة وسرع من عملية الانصهار، مما أدى إلى زيادة بنسبة 38.66% في الكسر السائل مقارنةً بإعدادات PCM التقليدية.
أدى دمج نظام التبريد المعزز إلى تقليل درجة حرارة اللوح الكهروضوئي بحوالي 12.75% وزيادة في الكفاءة الكهربائية بحوالي 26.75% مقارنةً بالظروف غير المبردة. بالإضافة إلى ذلك، أدى استخدام البارافين النقي تحت اللوح الكهروضوئي إلى تقليل درجة الحرارة بنسبة 9.94%، مما يبرز فعالية تخزين الحرارة الكامنة في التنظيم الحراري السلبي. تشير النتائج إلى أن الاستخدام المشترك لـ PCM المعزز بالنانو ورغوة معدنية مسامية يوفر استراتيجية تبريد سلبية فعالة، مما يعزز من تفريغ الطاقة الحرارية وخصائص نقل الحرارة أثناء تغيير الطور، وبالتالي يقدم إمكانات كبيرة لتحسين أداء أنظمة الطاقة الشمسية تحت ظروف تحميل حراري مرتفع.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث إمكانيات مواد تغيير الطور (PCMs) كوسائط فعالة لتخزين الحرارة، خاصة في أنظمة إدارة الحرارة الكهروضوئية (PV). بينما تُعترف PCMs التقليدية بقدراتها على تخزين الحرارة الكامنة، إلا أنها تعاني عادةً من توصيل حراري منخفض، مما يعيق أدائها. لمعالجة هذه القيود، تم استكشاف دمج الجزيئات النانوية ورغوات المعادن المسامية. تعزز الجزيئات النانوية من التوصيل الحراري، بينما تحسن الهياكل المسامية من انتشار الحرارة وتزيد من مساحة سطح نقل الحرارة الفعالة، مما يؤدي إلى أداء حراري أفضل. أظهرت الدراسات الحديثة أن دمج هذه التعزيزات يمكن أن يحسن بشكل كبير من كفاءة تبريد الألواح الكهروضوئية، مما يقلل من تراكم الحرارة الزائد الذي يؤثر سلبًا على تحويل الطاقة والموثوقية على المدى الطويل.
تحدد الورقة فجوة بحثية في الاستخدام المتزامن للجزيئات النانوية الثلاثية (Ag-Al₂O₃-TiO₂) ورغوة المعادن ضمن PCMs القائمة على البارافين لتطبيقات تبريد PV. ركزت التحقيقات السابقة بشكل أساسي على إضافات الجزيئات النانوية الأحادية أو التكوينات المسامية المستقلة، مما ترك التأثيرات المشتركة غير مستكشفة. تهدف الدراسة الحالية إلى تطوير نظام تبريد سالب متكامل يستخدم بارافين RT-25 المعزز بالجزيئات النانوية الثلاثية المحددة ورغوة معدنية مسامية. من المتوقع أن يعزز هذا النهج الهجين من التوصيل الحراري، ويسرع من عملية الانصهار، ويحسن تنظيم درجة حرارة الألواح الكهروضوئية. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم الدراسة طريقة غاليركين مع شبكة متكيفة لإجراء تحقيق عددي مفصل لعملية الانصهار، مما يسمح بتتبع دقيق لجبهة الانصهار والسلوك الحراري الفيزيائي. النتيجة المتوقعة هي حل تبريد أكثر كفاءة يحقق درجات حرارة تشغيل أقل وكفاءة كهربائية أعلى، مما يساهم في تقدم أنظمة الطاقة الكهروضوئية المستدامة.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة حول نظام التبريد الكهروضوئي (PV) المقترح تحسينات كبيرة في التنظيم الحراري وكفاءة تحويل الطاقة من خلال استخدام مواد تغيير الطور (PCM) المعززة برغوة معدنية وجزيئات نانوية ثلاثية. يكشف تحليل عابر مفصل أن دمج هذه المواد يسرع من عملية الانصهار ويعزز نقل الحرارة داخل مجال PCM، مما يؤدي إلى درجات حرارة تشغيل أقل للألواح الكهروضوئية وزيادة في الكفاءة الكهربائية. على وجه التحديد، بعد ثلاث ساعات من التشغيل، يصل الكسر السائل في التكوين المعزز إلى الانصهار الكامل (LF = 1)، مقارنةً بكسر سائل قدره 0.72 في إعداد PCM التقليدي. تزداد درجة حرارة البارافين من 308.73 كلفن إلى 316.41 كلفن، مما يشير إلى تحسين كبير في قدرات امتصاص الطاقة الحرارية.
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على فعالية الشبكة المتكيفة في التقاط نقل الحرارة العابر وظواهر تغيير الطور، خاصة حول جبهة الانصهار، التي تتميز بتدرجات حرارة قوية. تشير النتائج إلى أن تكوين PCM المعزز لا يحسن فقط الاستجابة الحرارية ولكن أيضًا يحافظ على درجات حرارة تشغيل أقل للألواح الكهروضوئية، مما يقلل من التأثير السلبي لارتفاع درجات الحرارة على الكفاءة الكهربائية. تزيد كفاءة PV بحوالي 26.75% مع PCM المعزز بالنانو مقارنةً بالنظام غير المبرد، بينما تنخفض درجة حرارة اللوح بحوالي 12.75%. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات استخدام المواد المتقدمة في أنظمة تبريد PV لتحسين الأداء تحت ظروف التسخين الشمسي المستمر.
المناقشة
تستكشف الدراسة نظام تبريد سالب للألواح الكهروضوئية (PV)، باستخدام مادة تغيير الطور (PCM) القائمة على البارافين الموضوعة تحت الوحدة الشمسية لتخفيف تراكم الحرارة. يعزز دمج رغوة المعادن والجزيئات النانوية الثلاثية (Ag، Al₂O₃، TiO₂) في PCM من التوصيل الحراري، ويسرع من عملية الانصهار، ويحسن من كفاءة نقل الحرارة. يتم استخدام طريقة العناصر المحدودة المعتمدة على غاليركين لتحليل سلوك الانصهار للـ PCM عدديًا، مما يكشف أن التكوين المعزز يخفض بشكل كبير من درجة حرارة تشغيل اللوح الكهروضوئي، وهو أمر حاسم للحفاظ على الكفاءة الكهربائية.
تشير النتائج إلى أن دمج PCM المعزز بالنانو والهياكل المسامية يؤدي إلى تقليل درجة حرارة اللوح الكهروضوئي بنسبة 12.75% وزيادة في الكفاءة الكهربائية بنسبة 26.75% بعد ثلاث ساعات من التشغيل. توضح الدراسة أن عملية الانصهار تبدأ بالقرب من المنطقة العلوية المسخنة من الحاوية وتنتشر نحو الأسفل، مع انعكاس خطوط درجة الحرارة لتأثير نقل الحرارة بالتوصيل. حتى حاوية بارافين نقية تحت اللوح الكهروضوئي توفر فوائد حرارية كبيرة، مما يعزز الكفاءة بحوالي 20.85% مقارنةً بنظام غير مبرد. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات هذه الاستراتيجية الهجينة للتبريد من أجل إدارة حرارية فعالة في تطبيقات PV، خاصة تحت ظروف تحميل حراري شمسي مرتفع.
DOI: https://doi.org/10.56578/peet050207
Publication Date: 2026-05-29
Author(s): Muna Hameed Alturaihi et al.
Primary Topic: Phase Change Materials Research
Overview
This study addresses the challenge of efficiency degradation in photovoltaic (PV) panels due to elevated operating temperatures by exploring a passive cooling system utilizing paraffin-based phase change materials (PCMs) enhanced with Ag-Al$_2$O$_3$-TiO$_2$ ternary nanoparticles and porous metal foam. A transient numerical model employing a Galerkin finite element approach was developed to analyze the thermal behavior of the cooling system, focusing on the melting front movement and thermal gradients. The results demonstrated that the enhanced cooling configuration significantly improved heat diffusion and accelerated the melting process, leading to a 38.66% increase in liquid fraction compared to conventional PCM setups.
The incorporation of the enhanced cooling system resulted in a reduction of the PV panel temperature by approximately 12.75% and an increase in electrical efficiency by about 26.75% relative to uncooled conditions. Additionally, the use of pure paraffin beneath the PV panel yielded a 9.94% temperature reduction, underscoring the effectiveness of latent heat storage for passive thermal regulation. The findings indicate that the combined use of nano-enhanced PCM and porous metal foam provides an efficient passive cooling strategy, enhancing thermal energy dissipation and phase change heat transfer characteristics, thus offering significant potential for improving the performance of solar energy systems under high thermal loading conditions.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the potential of phase change materials (PCMs) as effective heat storage media, particularly in photovoltaic (PV) thermal management systems. While conventional PCMs are recognized for their latent heat storage capabilities, they typically suffer from low thermal conductivity, which hinders their performance. To address this limitation, the incorporation of nanoparticles and porous metal foams has been explored. Nanoparticles enhance thermal conductivity, while porous structures improve thermal diffusion and increase the effective heat transfer surface area, leading to better thermal performance. Recent studies have demonstrated that integrating these enhancements can significantly improve the cooling efficiency of PV panels, thereby mitigating excessive heat accumulation that adversely affects energy conversion and long-term reliability.
The paper identifies a research gap in the simultaneous use of ternary nanoparticles (Ag-Al₂O₃-TiO₂) and metal foam within paraffin-based PCMs for PV cooling applications. Previous investigations have primarily focused on either mono-nanoparticle additives or standalone porous configurations, leaving the combined effects underexplored. The current study aims to develop an integrated passive cooling system that utilizes RT-25 paraffin enhanced with the specified ternary nanoparticles and porous metal foam. This hybrid approach is expected to enhance thermal conductivity, accelerate the melting process, and improve temperature regulation of PV panels. Additionally, the study employs a Galerkin method with adaptive meshing for a detailed numerical investigation of the melting process, allowing for precise tracking of the melting front and thermo-physical behavior. The anticipated outcome is a more efficient cooling solution that achieves lower operating temperatures and higher electrical efficiency, contributing to the advancement of sustainable PV energy systems.
Results
The results of the study on the proposed photovoltaic (PV) cooling system demonstrate significant improvements in thermal regulation and energy conversion efficiency through the use of phase change materials (PCM) enhanced with metal foam and ternary nanoparticles. A detailed transient analysis reveals that the incorporation of these materials accelerates the melting process and enhances heat transfer within the PCM domain, leading to lower operating temperatures for the PV panels and improved electrical efficiency. Specifically, after three hours of operation, the liquid fraction in the enhanced configuration reaches complete melting (LF = 1), compared to a liquid fraction of 0.72 in the conventional PCM setup. The average temperature of the paraffin increases from 308.73 K to 316.41 K, indicating a substantial enhancement in thermal energy absorption capabilities.
The study also highlights the effectiveness of adaptive meshing in capturing the transient heat transfer and phase change phenomena, particularly around the melting front, which is characterized by strong temperature gradients. The results indicate that the enhanced PCM configuration not only improves the thermal response but also maintains lower PV operating temperatures, thereby mitigating the negative impact of rising temperatures on electrical efficiency. The PV efficiency increases by approximately 26.75% with the nano-enhanced PCM compared to the uncooled system, while the panel temperature decreases by nearly 12.75%. Overall, the findings underscore the potential of using advanced materials in PV cooling systems to optimize performance under continuous solar heating conditions.
Discussion
The study investigates a passive cooling system for photovoltaic (PV) panels, utilizing a paraffin-based phase change material (PCM) positioned beneath the solar module to mitigate thermal buildup. The integration of metal foam and ternary nanoparticles (Ag, Al₂O₃, TiO₂) into the PCM enhances thermal conductivity, accelerates the melting process, and improves heat transfer efficiency. A Galerkin-based finite element method is employed to numerically analyze the melting behavior of the PCM, revealing that the enhanced configuration significantly lowers the operating temperature of the PV panel, which is critical for maintaining electrical efficiency.
Results indicate that the incorporation of nano-enhanced PCM and porous structures leads to a 12.75% reduction in PV panel temperature and a 26.75% increase in electrical efficiency after three hours of operation. The study demonstrates that the melting process is initiated near the heated upper region of the enclosure and propagates downward, with temperature contours reflecting the influence of conductive heat transfer. Even a pure paraffin enclosure beneath the PV panel provides substantial thermal benefits, enhancing efficiency by approximately 20.85% compared to an uncooled system. Overall, the findings underscore the potential of this hybrid cooling strategy for effective thermal management in PV applications, particularly under high solar thermal loading conditions.