DOI: https://doi.org/10.56578/jcmes010207
تاريخ النشر: 2026-05-31
المؤلف: Jasmine N. Abu-Hamdeh
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد تغيير الطور
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة الأداء الحراري وسلوك الانصهار لطبقة مادة تغيير الطور (PCM) القائمة على البارافين الموضوعة تحت لوحة الطاقة الشمسية (PV). تتناول الأبحاث القضية الحرجة لارتفاع درجة الحرارة المفرط، والذي يؤثر سلبًا على أداء نظام الطاقة الشمسية وعمره. من خلال دمج الجسيمات النانوية الهجينة الثلاثية (Al$_2$O$_3$, TiO$_2$, و Ag) في البارافين وإدخال رغوة معدنية مسامية داخل حاوية PCM، تعزز الدراسة نقل الحرارة التوصيلي وتسريع عملية الانصهار. تكشف المحاكاة العددية باستخدام طريقة غاليركين أن هذا التكوين يحسن الاستجابة الحرارية بشكل كبير، مما يؤدي إلى زيادة بنسبة 33.11% في الكسر السائل (LF) وتقليل درجة حرارة لوحة الطاقة الشمسية بحوالي 1.98%. وبالتالي، تزداد الكفاءة الكهربائية للوحة الطاقة الشمسية بحوالي 20.87% مقارنة بنظام غير مُبرد.
تؤكد النتائج أن الجمع بين PCM المعزز بالنانو ورغوة معدنية مسامية يقدم استراتيجية تبريد سلبية واعدة لأنظمة الطاقة الشمسية. توضح الدراسة أن إدخال الزعانف الثلاثية يعزز نقل الحرارة بشكل أكبر من خلال زيادة مساحة السطح الملامس داخل مجال التخزين. تشير النتائج إلى أن التكوين المقترح للتبريد يؤدي إلى انصهار كامل لـ PCM في حوالي 10025.89 ثانية، أسرع بكثير من البارافين النقي، الذي وصل فقط إلى LF قدره 0.75 بعد ثلاث ساعات. بشكل عام، لا يحسن دمج هذه المواد التنظيم الحراري فحسب، بل يعزز أيضًا كفاءة تحويل الطاقة لأنظمة الطاقة الشمسية من الجيل التالي، مما يبرز إمكانيات تقنيات التبريد المتقدمة في تطبيقات الطاقة المتجددة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الاهتمام المتزايد في الرغوات المعدنية المسامية والجسيمات النانوية الهجينة الثلاثية كمواد متقدمة لتعزيز تقنيات إدارة الحرارة. تُعرف الرغوات المعدنية المسامية بقدراتها الفائقة في نقل الحرارة، مما يجعلها فعالة في تطبيقات مثل المبادلات الحرارية وأجهزة تبريد الإلكترونيات. تُظهر الجسيمات النانوية الهجينة الثلاثية، التي تتكون من أنواع متعددة من الجسيمات النانوية، تحسينات كبيرة في الموصلية الحرارية مقارنةً بالأنظمة الأحادية أو الثنائية، مما يعزز الخصائص الحرارية للسوائل العاملة ومواد تغيير الطور (PCMs). يعتبر دمج هذه المواد مفيدًا بشكل خاص لتحسين الأداء الحراري لـ PCMs، التي تُستخدم على نطاق واسع لتخزين الطاقة الحرارية السلبية، وخاصةً PCMs القائمة على البارافين المعروفة باستقرارها وكفاءتها.
تؤكد الورقة على الدور الحاسم لإدارة الحرارة الفعالة في أنظمة الطاقة الشمسية (PV)، التي تكون حساسة لتقلبات درجة الحرارة التي يمكن أن تقلل من الكفاءة الكهربائية. يُقترح استخدام طبقات PCM تحت لوحات الطاقة الشمسية كاستراتيجية تبريد سلبية، مع إمكانية تحسين الأداء عند دمجها مع الرغوات المعدنية المسامية والجسيمات النانوية الثلاثية. أظهرت الدراسات السابقة أن مثل هذه التكوينات يمكن أن تخفض درجات حرارة التشغيل بشكل كبير وتحسن الإنتاج الكهربائي. ومع ذلك، يشير المؤلفون إلى وجود فجوة في الأدبيات بشأن التطبيق المتزامن لعدة تقنيات تعزيز والتحليل الشامل للأداء الحراري الكهربائي المترابط لأنظمة الطاقة الشمسية. تهدف هذه الدراسة إلى معالجة هذه الفجوات من خلال تقديم تكوين تبريد سلبية متكامل يستخدم PCM قائم على البارافين معزز بالزعانف الثلاثية، ورغوة معدنية مسامية، وجسيمات نانوية هجينة ثلاثية (Al₂O₃، TiO₂، و Ag). من المتوقع أن يوفر النظام المقترح استراتيجية فعالة لتنظيم الحرارة تعزز كفاءة الطاقة الشمسية دون استهلاك طاقة إضافية، مما يساهم في تطوير تقنيات الطاقة الشمسية المستدامة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم استخدام طريقة العناصر المحدودة غاليركين للتحقيق في أداء نظام الطاقة الشمسية (PV) المدمج مع طبقة مادة تغيير الطور (PCM) القائمة على البارافين، بهدف تعزيز إدارة الحرارة. عالج إدخال رغوة معدنية مسامية داخل طبقة PCM الموصلية الحرارية المنخفضة للبارافين، بينما تم إضافة الجسيمات النانوية الهجينة الثلاثية (Al$_2$O$_3$, TiO$_2$, و Ag) لإنشاء PCM معزز بالنانو (NEPCM) مع خصائص حرارية محسنة. تم تقييم أداء التبريد لنظام الطاقة الشمسية تحت ثلاث حالات: بدون تبريد، تبريد باستخدام PCM نقي، وتبريد باستخدام NEPCM المدمج مع رغوة معدنية مسامية. أظهرت النتائج أن تكوين NEPCM تسارع بشكل كبير من عملية الانصهار وحسن امتصاص الحرارة، محققًا زيادة بنسبة 33.11% في معدل الانصهار مقارنةً بالبارافين النقي.
أشارت النتائج إلى أن متوسط درجة حرارة البارافين زادت من 306.99 كلفن إلى 314.94 كلفن مع إضافة التعزيزات، مما أدى إلى انصهار كامل لـ NEPCM بعد حوالي 10025.89 ثانية، بينما ظل البارافين النقي جزئيًا صلبًا. انخفضت درجة حرارة تشغيل لوحة الطاقة الشمسية بحوالي 10.82% مع استراتيجية التبريد المتقدمة، مما أدى إلى زيادة بنسبة 20.87% في كفاءة الطاقة الشمسية مقارنةً بالحالة غير المُبردة. تؤكد هذه الدراسة أن دمج تقنيات إدارة الحرارة المتقدمة، مثل NEPCM ورغوة معدنية مسامية، يمكن أن يعزز بشكل كبير أداء التبريد وكفاءة أنظمة الطاقة الشمسية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم استخدام طريقة غاليركين لاستكشاف إدارة الحرارة لنظام الطاقة الشمسية (PV) المعزز بطبقة مادة تغيير الطور (PCM) القائمة على البارافين. كان الهدف من التكوين هو خفض درجة حرارة تشغيل وحدة الطاقة الشمسية وتحسين الكفاءة الكهربائية من خلال إدارة حرارية سلبية. تضمنت الابتكارات الرئيسية دمج الزعانف الثلاثية لزيادة مساحة سطح نقل الحرارة وإدخال رغوة معدنية مسامية لتعزيز الموصلية الحرارية داخل PCM. بالإضافة إلى ذلك، تمت إضافة الجسيمات النانوية الهجينة الثلاثية (Al$_2$O$_3$, TiO$_2$, و Ag) إلى البارافين لتعزيز الأداء الحراري بشكل أكبر. تم تقييم فعالية التبريد للنظام تحت ثلاث سيناريوهات: لوحة طاقة شمسية تقليدية، نظام طاقة شمسية باستخدام PCM نقي، وآخر باستخدام PCM معزز بالنانو مدمج مع رغوة مسامية.
أشارت النتائج إلى أن استراتيجية التبريد المقترحة خفضت درجة حرارة تشغيل الطاقة الشمسية بشكل كبير بحوالي 10.82% مقارنةً بالنظام غير المُبرد، مما أدى إلى زيادة بنسبة 20.87% في كفاءة الطاقة الشمسية. حسّن إدخال الجسيمات النانوية ورغوة المعدن معدل انصهار PCM بنسبة 33.11% وزاد الاستجابة الحرارية بنسبة 2.48%. خلصت الدراسة إلى أن الجمع بين الجسيمات النانوية الثلاثية والهياكل المسامية داخل طبقة PCM يوفر حلاً فعالًا للتبريد السلبي، مما يعزز كل من الاستقرار الحراري وكفاءة تحويل الطاقة لأنظمة الطاقة الشمسية.
DOI: https://doi.org/10.56578/jcmes010207
Publication Date: 2026-05-31
Author(s): Jasmine N. Abu-Hamdeh
Primary Topic: Phase Change Materials Research
Overview
This study investigates the thermal performance and melting behavior of a paraffin-based phase change material (PCM) cooling layer positioned beneath a photovoltaic (PV) solar panel. The research addresses the critical issue of excessive temperature rise, which adversely affects PV system performance and longevity. By integrating ternary hybrid nanoparticles (Al$_2$O$_3$, TiO$_2$, and Ag) into the paraffin and incorporating porous metal foam within the PCM container, the study enhances conductive heat transport and accelerates the melting process. Numerical simulations employing the Galerkin method reveal that this configuration significantly improves the thermal response, resulting in a 33.11% increase in liquid fraction (LF) and a reduction in PV panel temperature by approximately 1.98%. Consequently, the electrical efficiency of the PV panel increases by about 20.87% compared to an uncooled system.
The findings confirm that the combination of nano-enhanced PCM and porous metal foam offers a promising passive cooling strategy for PV systems. The study demonstrates that the incorporation of triangular fins further enhances heat transfer by increasing the contact surface area within the storage domain. The results indicate that the proposed cooling configuration leads to complete melting of the PCM in approximately 10025.89 seconds, significantly faster than pure paraffin, which only reached an LF of 0.75 after three hours. Overall, the integration of these materials not only improves thermal regulation but also enhances the energy conversion efficiency of next-generation PV systems, underscoring the potential of advanced cooling technologies in renewable energy applications.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the growing interest in porous metal foams and ternary hybrid nanoparticles as advanced materials for enhancing thermal management technologies. Porous metal foams are recognized for their superior heat transfer capabilities, making them effective in applications such as heat exchangers and electronic cooling devices. Ternary hybrid nanoparticles, which consist of multiple nanoparticle types, demonstrate significant improvements in thermal conductivity compared to single or binary systems, thereby enhancing the thermophysical properties of working fluids and phase change materials (PCMs). The integration of these materials is particularly beneficial for improving the thermal performance of PCMs, which are widely used for passive thermal energy storage, especially paraffin-based PCMs known for their stability and efficiency.
The paper emphasizes the critical role of effective thermal management in photovoltaic (PV) systems, which are sensitive to temperature fluctuations that can reduce electrical efficiency. The use of PCM layers beneath PV panels is proposed as a passive cooling strategy, with the potential for enhanced performance when combined with porous metal foams and ternary nanoparticles. Previous studies have shown that such configurations can significantly lower operating temperatures and improve electrical output. However, the authors note a gap in the literature regarding the simultaneous application of multiple enhancement techniques and the comprehensive analysis of the coupled thermo-electrical performance of PV systems. This study aims to address these gaps by introducing an integrated passive cooling configuration that utilizes paraffin-based PCM enhanced with triangular fins, porous metal foam, and ternary hybrid nanoparticles (Al₂O₃, TiO₂, and Ag). The proposed system is expected to provide an efficient thermal regulation strategy that enhances PV efficiency without additional energy consumption, thereby contributing to the development of sustainable solar energy technologies.
Results
In this study, the Galerkin finite element method was utilized to investigate the performance of a photovoltaic (PV) system integrated with a paraffin-based phase change material (PCM) layer, aimed at enhancing thermal management. The incorporation of porous metal foam within the PCM layer addressed the low thermal conductivity of paraffin, while ternary hybrid nanoparticles (Al$_2$O$_3$, TiO$_2$, and Ag) were added to create a nano-enhanced PCM (NEPCM) with improved thermal properties. The cooling performance of the PV system was evaluated under three conditions: no cooling, cooling with pure PCM, and cooling with NEPCM combined with porous metal foam. Results demonstrated that the NEPCM configuration significantly accelerated the melting process and improved heat absorption, achieving a 33.11% increase in melting rate compared to pure paraffin.
The findings indicated that the average temperature of the paraffin increased from 306.99 K to 314.94 K with the addition of the enhancements, leading to complete melting of the NEPCM after approximately 10025.89 seconds, while the pure paraffin remained partially solid. The PV panel’s operating temperature decreased by about 10.82% with the advanced cooling strategy, resulting in a 20.87% increase in PV efficiency compared to the uncooled case. This study confirms that integrating advanced thermal management techniques, such as NEPCM and porous metal foam, can significantly enhance the cooling performance and efficiency of PV systems.
Discussion
In this study, the Galerkin method was utilized to explore the thermal management of a photovoltaic (PV) system enhanced with a paraffin-based phase change material (PCM) cooling layer. The configuration aimed to lower the PV module’s operating temperature and improve electrical efficiency through passive thermal management. Key innovations included the integration of triangular fins to increase heat transfer surface area and the incorporation of porous metal foam to enhance thermal conductivity within the PCM. Additionally, ternary hybrid nanoparticles (Al$_2$O$_3$, TiO$_2$, and Ag) were added to the paraffin to further boost thermal performance. The system’s cooling effectiveness was evaluated under three scenarios: a conventional PV panel, a PV system with pure PCM, and one with nano-enhanced PCM combined with porous foam.
The results indicated that the proposed cooling strategy significantly reduced the PV operating temperature by approximately 10.82% compared to the uncooled system, leading to a 20.87% increase in PV efficiency. The incorporation of nanoparticles and metal foam improved the melting rate of the PCM by 33.11% and enhanced the thermal response by 2.48%. The study concluded that the combination of ternary nanoparticles and porous structures within the PCM layer provides an effective passive cooling solution, thereby enhancing both thermal stability and energy conversion efficiency of PV systems.