INNOVATIVE THERMAL MANAGEMENT APPROACH VIA INCORPORATING PCM-TEG HYBRID SYSTEMS IN A NET ZERO ENERGY BUILDING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Final Version.pdf Restricted to Repository staff only until 3 July 2026. Download (12MB)

Arabic Abstract

إن التحوّل المتزايد من أنظمة الطاقة التقليدية المعتمدة على الوقود الأحفوري إلى حلول طاقة أكثر استدامة يؤكد على ضرورة ابتكار تقنيات جديدة للطاقة المتجددة. تقترح هذه الأطروحة نظاماً محسّناً لإدارة الحرارة يدمج المواد متغيرة الطور (PCM) والمولدات الكهروحرارية (TEG) في أنظمة الخلايا الكهروضوئية ضمن إطار المباني صفرية الطاقة (NZEB). تتناول الدراسة بشكل صريح القيود الكبيرة في أداء التقنيات المتجددة الحالية من خلال الاستفادة من قدرة تخزين الحرارة الكامنة للمواد متغيرة الطور (PCM) وإمكانية استعادة الحرارة المهدورة عبر المولدات الكهروحرارية (TEG). من خلال استخدام النمذجة الرياضية المعقدة، والديناميكا الحسابية للموائع (CFD)، والتحقق الشامل من النماذج المستخدمة، تتناول هذه الرسالة تقييم الأداء الأنظمة على مدار الساعة وخلال الفصول لمجموعة من التركيبات المتكاملة: الألواح الكهروضوئية مدمجةً مع المواد متغيرة الطور (PVPCM)، و الألواح الكهروضوئية مدمجةً مع المولدات الكهروحرارية (PVTEG)، والألواح الكهروضوئية مدمجةً مع المواد متغيرة الطور والمولدات الكهروحرارية (PVTEGPCM)، وأنظمة الألواح الشمسية الكهروضوئية-حرارية (PVT)، و وأنظمة الألواح الشمسية الكهروضوئية-حرارية المدمجة مع المواد متغيرة الطور (PVTPCM)، وذلك ضمن البيئة المناخية المميزة للمملكة العربية السعودية. أظهرت نتائج المحاكاة، المدعومة بمجموعة متنوعة من المنهجيات ومصادر البيانات، تحسناً ملحوظاً في الكفاءة التشغيلية للأنظمة المقترحة. وقد أثبتت الأنظمة الهجينة من نوع PVT-PCM تفوقها في الإدارة الحرارية، مع تحقيق تحسينات كبيرة في إنتاجية الطاقة، بالإضافة إلى خفض ملموس في درجات حرارة سطح الخلايا الكهروضوئية. على وجه التحديد، حقق التصميم PVTEGPCM زيادة بنسبة %7.24 في إنتاجية الطاقة، الأمر الذي ساهم في تقليص مساحة التركيب المطلوبة بنسبة تقارب %22.2 مقارنةً بالأنظمة الكهروضوئية التقليدية. علاوة على ذلك تم إجراء تحليلات اقتصادية شاملة استناداً إلى عدة معايير اقتصادية مثل تكلفة وحدة الطاقة (LCOE)، وصافي الفائدة الحالية (NPB)، وفترة الاسترداد (PBP)، ونسب المنفعة إلى التكلفة، مع التركيز على المفاضلات الاقتصادية المرتبطة باعتماد الأنظمة الهجينة المتقدمة. وعلى الرغم من أن الأنظمة المجهزة بالمولدات الطهروحرارية (TEG) أظهرت زيادة في إنتاج الطاقة، إلا أن جدواها الاقتصادية تأثرت سلباً نتيجة ارتفاع التكاليف الأولية مقارنة بالأنظمة الأبسط مثل الأنظمة الكهروضوئية المدمجة مع المواد متغيرة الطور (PVPCM) في حين أظهرت هذه الأنظمة (PVPCM) أداءً أفضل من حيث نسبة المنفعة إلى التكلفة، مما يشير إلى عوائد اقتصادية جذابة. أما من الناحية البيئية، فقد أظهرت التحليلات أن جميع الأنظمة المدروسة اعتمدت بنسبة 100% على مصادر الطقاة المتجددة، مما أدى إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السنوية بحوالي 33.2 طناً مقارنة بمصادر الطاقة التقليدية. وأسهم التكامل بين هذه التقنيات داخل المباني في تقليل انتقال الحرارة، وتحسين إنتاج الطاقة، وتعزيز الاستدامة العامة للمبنى بشكل كبير. في الخلاصة، تسلط الرسالة الضوء على أهمية التوازن الضروري بين الابتكار التكنولوجي والجدوى الاقتصادية والفوائد البيئية، مقدّمةً اقتراحات متعددة الأبعاد لدمج أنظمة الطاقة الكهروضوئية الهجينة في تصاميم المباني المستدامة المستقبلية، ولا سيما في المناطق المتأثرة بالظروف المناخية القاسية مثل المملكة العربية السعودية

English Abstract

Growing transition from conventional fossil fuel-based energy systems to more sustainable energy solutions underline the necessity to come up with new renewable energy technologies. This thesis proposes an improved thermal management system incorporating Phase Change Materials (PCM) and Thermoelectric Generators (TEG) in the conventional photovoltaic systems within the framework of a Net Zero Energy Building (NZEB). The study explicitly tackles significant performance limitations in existing renewable technologies by leveraging the latent heat storage capacity of PCM and the waste heat recovery capability of TEG. Mathematical modelling and a MATLAB computer code are developed to predict the performance of the considered system components. Furthermore, a computational fluid dynamics (CFD) simulation is conducted and validated for the PV-PCM system. Simulations are performed using the validated code to examines hourly and seasonal performance of the considered integrated photovoltaic systems i.e., PVPCM, PVTEG, PVTEGPCM, PVT, and PVTPCM considering the climatic environmental conditions of Dhahran City, Saudi Arabia. The results show that the hybrid PVT-PCM systems demonised superior thermal management, significant energy yield improvements, and substantial reductions in photovoltaic surface temperatures comparing with the other considered systems. On the other hand, the PVTEGPCM configuration achieved a 7.24% enhancement of energy yield per unit installed capacity and thus reduced the needed installation area by approximately 22.2% compared to conventional PV systems. Comprehensive economic analyses based on Levelized Cost of Electricity (LCOE), Net Present Benefit (NPB), Payback Period (PBP), and Benefit-Cost ratios were performed, emphasizing economic trade-offs in the adoption of advanced hybrid systems. While systems with TEG showed increased power generation, their economic feasibility was impaired by increased initial costs of components relative to less complicated setups such as PVPCM. PVPCM systems showed the more desirable benefit to cost ratio, suggesting attractive economic returns. Environmental analyses demonstrated that all the configurations being studied achieved a 100% renewable fraction, reducing annual CO₂ emissions by approximately 33.2 tons from traditional sources of energy. The integrated implementation of these sorts of technologies in buildings greatly reduced heat transfer, optimized energy production, and significantly enhanced building overall sustainability. In summary, the thesis brings forth the imperative balance between technological innovation, economic viability, and environmental gains, offering multidimensional suggestions for the integration of hybrid photovoltaic systems in prospective sustainable building designs, particularly in areas affected by adverse climatic conditions, such as Saudi Arabia.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Sharafi, Abdullah
Committee Members:	Mokheimer, Esmail and Abubakar, Abba
Depositing User:	MUHAMMAD ABBASI (g202211200)
Date Deposited:	03 Jul 2025 10:21
Last Modified:	03 Jul 2025 10:21
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143598