Published June 5, 2023 | Version v1
Publication Open

PCM-based hybrid thermal management system for photovoltaic modules: A comparative analysis

Creators

  • 1. Malaviya National Institute of Technology Jaipur
  • 2. Escuela Politécnica del Ejército
  • 3. Kyungpook National University
  • 4. Shobhit University
  • 5. SRM Institute of Science and Technology

Description

Proper temperature regulation of photovoltaic (PV) modules increases their performance. Among various cooling techniques, phase change materials (PCMs) represent an effective thermal management route, thanks to their large latent heat at constant temperatures. Radiative cooling (RC) is also recently explored as a passive option for PV temperature regulation. In this paper, a heat sink (HS), phase change materials, and radiative cooling are integrated with photovoltaic modules to achieve low and uniform temperature distribution along the PV module and improved performance. Eight different combinations are considered for the proposed system, including HS, PCM, and RC, and their various combinations. The PCM is selected according to the environmental conditions of the selected location. A comprehensive 2-D model is developed and analyzed in COMSOL-Multiphysics software by solving the governing equations using the finite element method. The performance analysis is carried out for the climatic conditions of the Atacama Desert, having high solar radiation and ambient temperature. The effects of PCM height, ambient temperature, wind velocity, and solar radiation on the performance of the proposed system are studied. The performance of eight different configurations is also compared. The maximum reductions in PV temperature, maximum PV power, and a minimum drop in PV conversion efficiency are observed to be 22 oC, 152 W, and 14% using a combined heat sink and radiative cooling systems, among all other configurations. The findings of this study can be used to select the best PV cooling method among different configurations.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يزيد تنظيم درجة الحرارة المناسب للوحدات الكهروضوئية (PV) من أدائها. من بين تقنيات التبريد المختلفة، تمثل مواد تغيير الطور (PCMS) مسارًا فعالًا للإدارة الحرارية، وذلك بفضل حرارتها الكامنة الكبيرة في درجات حرارة ثابتة. كما تم استكشاف التبريد الإشعاعي (RC) مؤخرًا كخيار سلبي لتنظيم درجة الحرارة الكهروضوئية. في هذه الورقة، يتم دمج المشتت الحراري (HS) ومواد تغيير الطور والتبريد الإشعاعي مع الوحدات الكهروضوئية لتحقيق توزيع منخفض وموحد لدرجة الحرارة على طول الوحدة الكهروضوئية وتحسين الأداء. يتم النظر في ثماني مجموعات مختلفة للنظام المقترح، بما في ذلك HS و PCM و RC، ومجموعاتها المختلفة. يتم اختيار PCM وفقًا للظروف البيئية للموقع المحدد. يتم تطوير نموذج شامل ثنائي الأبعاد وتحليله في برنامج COMSOL - Multiphysics من خلال حل المعادلات الحاكمة باستخدام طريقة العناصر المنتهية. يتم إجراء تحليل الأداء للظروف المناخية لصحراء أتاكاما، مع ارتفاع الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة. تتم دراسة آثار ارتفاع PCM ودرجة الحرارة المحيطة وسرعة الرياح والإشعاع الشمسي على أداء النظام المقترح. كما تتم مقارنة أداء ثمانية تكوينات مختلفة. لوحظ أن الحد الأقصى للتخفيضات في درجة الحرارة الكهروضوئية، والحد الأقصى للطاقة الكهروضوئية، والحد الأدنى من الانخفاض في كفاءة التحويل الكهروضوئية هو 22 درجة مئوية، و 152 واط، و 14 ٪ باستخدام المشتت الحراري المشترك وأنظمة التبريد الإشعاعي، من بين جميع التكوينات الأخرى. يمكن استخدام نتائج هذه الدراسة لاختيار أفضل طريقة تبريد كهروضوئية من بين التكوينات المختلفة.

Translated Description (French)

Une régulation appropriée de la température des modules photovoltaïques (PV) augmente leurs performances. Parmi les différentes techniques de refroidissement, les matériaux à changement de phase (PCM) représentent une voie de gestion thermique efficace, grâce à leur grande chaleur latente à température constante. Le refroidissement par rayonnement (RC) est également récemment exploré en tant qu'option passive pour la régulation de la température PV. Dans cet article, un dissipateur thermique (HS), des matériaux à changement de phase et un refroidissement radiatif sont intégrés aux modules photovoltaïques pour obtenir une distribution de température basse et uniforme le long du module photovoltaïque et des performances améliorées. Huit combinaisons différentes sont envisagées pour le système proposé, y compris HS, PCM et RC, et leurs diverses combinaisons. Le PCM est sélectionné en fonction des conditions environnementales de l'emplacement sélectionné. Un modèle 2D complet est développé et analysé dans le logiciel COMSOL-Multiphysique en résolvant les équations gouvernantes à l'aide de la méthode des éléments finis. L'analyse des performances est réalisée pour les conditions climatiques du désert d'Atacama, ayant un rayonnement solaire élevé et une température ambiante élevée. Les effets de la hauteur du PCM, de la température ambiante, de la vitesse du vent et du rayonnement solaire sur les performances du système proposé sont étudiés. Les performances de huit configurations différentes sont également comparées. Les réductions maximales de la température photovoltaïque, de la puissance photovoltaïque maximale et une baisse minimale de l'efficacité de conversion photovoltaïque sont observées à 22 oC, 152 W et 14 % en utilisant un dissipateur thermique combiné et des systèmes de refroidissement radiatifs, entre autres configurations. Les résultats de cette étude peuvent être utilisés pour sélectionner la meilleure méthode de refroidissement PV parmi différentes configurations.

Translated Description (Spanish)

La regulación adecuada de la temperatura de los módulos fotovoltaicos (PV) aumenta su rendimiento. Entre las diversas técnicas de enfriamiento, los materiales de cambio de fase (PCM) representan una ruta de gestión térmica efectiva, gracias a su gran calor latente a temperaturas constantes. El enfriamiento radiactivo (RC) también se ha explorado recientemente como una opción pasiva para la regulación de la temperatura fotovoltaica. En este documento, un disipador de calor (HS), materiales de cambio de fase y enfriamiento radiativo se integran con los módulos fotovoltaicos para lograr una distribución de temperatura baja y uniforme a lo largo del módulo fotovoltaico y un rendimiento mejorado. Se consideran ocho combinaciones diferentes para el sistema propuesto, incluyendo HS, PCM y RC, y sus diversas combinaciones. El PCM se selecciona de acuerdo con las condiciones ambientales de la ubicación seleccionada. Se desarrolla y analiza un modelo 2-D integral en el software COMSOL-Multiphysics resolviendo las ecuaciones gobernantes utilizando el método de elementos finitos. El análisis de desempeño se realiza para las condiciones climáticas del Desierto de Atacama, con alta radiación solar y temperatura ambiente. Se estudian los efectos de la altura del PCM, la temperatura ambiente, la velocidad del viento y la radiación solar sobre el rendimiento del sistema propuesto. También se compara el rendimiento de ocho configuraciones diferentes. Se observa que las reducciones máximas en la temperatura fotovoltaica, la potencia fotovoltaica máxima y una caída mínima en la eficiencia de conversión fotovoltaica son de 22 oC, 152 W y 14% utilizando un disipador de calor combinado y sistemas de enfriamiento por radiación, entre todas las demás configuraciones. Los hallazgos de este estudio se pueden utilizar para seleccionar el mejor método de enfriamiento fotovoltaico entre diferentes configuraciones.

Files

latest.pdf.pdf

Files (243 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:fb24afce55195db55652f7f9f0365e70
243 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نظام الإدارة الحرارية الهجينة القائم على PCM للوحدات الكهروضوئية: تحليل مقارن
Translated title (French)
Système de gestion thermique hybride à base de PCM pour les modules photovoltaïques : une analyse comparative
Translated title (Spanish)
Sistema híbrido de gestión térmica basado en PCM para módulos fotovoltaicos: un análisis comparativo

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4379375632
DOI
10.1007/s11356-023-27809-1

Is supplement to
https://openalex.org/W4283454196 (Other)
https://openalex.org/W4207020943 (Other)
https://openalex.org/W3163139698 (Other)
https://openalex.org/W3081751688 (Other)
https://openalex.org/W3038882534 (Other)
https://openalex.org/W2892833056 (Other)
https://openalex.org/W2787309629 (Other)
https://openalex.org/W2755668490 (Other)
https://openalex.org/W2139426011 (Other)
https://openalex.org/W2124528883 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Ecuador

References

  • https://openalex.org/W1974285657
  • https://openalex.org/W2012028491
  • https://openalex.org/W2048971025
  • https://openalex.org/W2053636163
  • https://openalex.org/W2233924160
  • https://openalex.org/W2586297008
  • https://openalex.org/W2738675301
  • https://openalex.org/W2805090114
  • https://openalex.org/W2810570085
  • https://openalex.org/W2892803791
  • https://openalex.org/W2893378534
  • https://openalex.org/W2909788031
  • https://openalex.org/W2914705510
  • https://openalex.org/W2918764700
  • https://openalex.org/W2946689068
  • https://openalex.org/W2969283904
  • https://openalex.org/W2970449668
  • https://openalex.org/W2973661133
  • https://openalex.org/W2989295494
  • https://openalex.org/W3047033831
  • https://openalex.org/W3087083426
  • https://openalex.org/W3093167057
  • https://openalex.org/W3093650079
  • https://openalex.org/W3100828838
  • https://openalex.org/W3113116158
  • https://openalex.org/W3126998174
  • https://openalex.org/W3129877813
  • https://openalex.org/W3134276276
  • https://openalex.org/W3157466951
  • https://openalex.org/W3164607290
  • https://openalex.org/W3183221572
  • https://openalex.org/W3200186583
  • https://openalex.org/W4200313398
  • https://openalex.org/W4210493694
  • https://openalex.org/W4220829961
  • https://openalex.org/W4256575987
  • https://openalex.org/W4280640211
  • https://openalex.org/W4281395467
  • https://openalex.org/W4281833871
  • https://openalex.org/W4307893941
  • https://openalex.org/W4313647279
  • https://openalex.org/W4320855383
  • https://openalex.org/W4322154787
  • https://openalex.org/W4327921324