Efficient Photovoltaic Thermal Management by Thermo-Physically Enhanced Phase Change Materials. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF organized.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 15 October 2026. Download (8MB)

Arabic Abstract

الألواح الكهروضوئية هي مصدر مهم للطاقة المتجددة حيث تقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. ومع ذلك، فإن أحد التحديات الرئيسية لهذه الألواح هو تدهور أدائها مع ارتفاع درجة حرارتها. لمعالجة هذه المشكلة، يمكن تحقيق التبريد السلبي للألواح الكهروضوئية باستخدام المواد متغيرة الطور. تعتبر هذه المواد تقنية حديثة لإدارة الحرارة بشكل سلبي، خالية من الضوضاء، ولا تستهلك طاقة، ولا تنتج أي انبعاثات. تمتلك المواد متغيرة الطور سعة عالية لتخزين الحرارة الكامنة، مما يسمح لها بامتصاص الحرارة وتخزينها عند درجة حرارة ثابتة أثناء تحولها الطوري، مما يساعد في الحفاظ على درجة حرارة سطح أقل. يتم بعد ذلك تحرير الطاقة المخزنة عندما تعود المادة إلى حالتها الأصلية نظرًا لأهمية هذا الموضوع، يتم تقديم مراجعة شاملة للأساسيات، وإعداد المواد، وطرق توصيفها، وخصائصها الحرارية والفيزيائية، بالإضافة إلى فوائد استخدام المواد متغيرة الطور المعززة بالجسيمات النانوية في إدارة حرارة الألواح الكهروضوئية. علاوة على ذلك، يتم تسليط الضوء على أهمية توظيف تقنيات التعلم الآلي للحصول على فهم أعمق وأكثر سهولة لهذا المجال تبحث هذه الدراسة تجريبيًا في تأثير استخدام أنواع مناسبة وغير مناسبة من المواد متغيرة الطور على إدارة الحرارة وتحسين أداء الطاقة للألواح الكهروضوئية باستخدام نهج تقني جديد. كما تتناول إعداد وتوصيف المواد متغيرة الطور ذات الموصلية الحرارية العالية لتعزيز إدارة الحرارة باستخدام الجسيمات النانوية لأكاسيد المعادن. بالإضافة إلى ذلك، تستكشف هذه الدراسة تطبيقات التعلم الآلي في التنبؤ بالموصلية الحرارية للمواد متغيرة الطور المعززة بأكاسيد المعادن. تتناول الدراسة أيضًا عمليات تحضير وتوصيف وتطبيق المواد متغيرة الطور المستقرة الشكل في إدارة الحرارة في الألواح الكهروضوئية. وقد توصلت الدراسة إلى نتائج هامة، حيث أثبتت المواد متغيرة الطور فعاليتها العالية في إدارة حرارة الألواح الكهروضوئية، مما أدى إلى خفض درجة حرارة الألواح بمقدار ١٠ درجات مقارنة بالألواح غير المبردة. ومع ذلك، فإن اختيار نقطة انصهار مناسبة للمادة متغيرة الطور يعد أمرًا ضروريًا، حيث قد يكون لدرجات الانصهار المنخفضة جدًا أو المرتفعة تأثير سلبي على كفاءة إدارة الحرارة. إحدى المشكلات الرئيسية في المواد متغيرة الطور هي موصليتها الحرارية المنخفضة، مما يؤثر على عملية نقل الحرارة بشكل عام. يؤدي هذا الانخفاض في الموصلية الحرارية إلى ذوبان المادة متغيرة الطور أولاً بالقرب من السطح، بينما تبقى الطبقات الخلفية في الحالة الصلبة. وقد أظهر دمج الجسيمات النانوية داخل المواد متغيرة الطور تحسنًا كبيرًا في الموصلية الحرارية، حيث زادت الجسيمات النانوية لأكاسيد المعادن من الموصلية الحرارية بنسبة ٢٤٨٪. أظهرت التحليلات الحرارية والكيميائية نتائج واعدة، ومع ذلك، لا تزال استقرار الجسيمات النانوية داخل المادة متغيرة الطور تشكل تحديًا رئيسيًا. بالإضافة إلى ذلك، تقدم هذه الدراسة نموذج تعلم آلي عالي الدقة بقيمة ٠.٩٢ للتنبؤ بالموصلية الحرارية لمختلف المواد متغيرة الطور المعززة بالجسيمات النانوية لأكاسيد المعادن. كما تشير النتائج إلى أن المواد متغيرة الطور المستقرة الشكل تعالج العديد من المشكلات الرئيسية، بما في ذلك التسرب، وزاوية الميل، والاستقرار، وانخفاض الموصلية الحرارية. حيث أدى استخدام المواد المستقرة الشكل إلى زيادة الموصلية الحرارية للمواد متغيرة الطور بنسبة ٢٨٧٪، وخفض درجة حرارة الألواح الكهروضوئية بمقدار ٦.١ درجة مئوية، وتحسين كفاءة الألواح الكهروضوئية بنسبة تصل إلى ٩.٠٢٪

English Abstract

Photovoltaic (PV) panels are an important source of renewable energy as they convert solar energy into electrical energy. However, a major challenge with PV panels is that their performance degrades as their temperature rises. To address this issue, passive cooling of PV panels can be achieved using phase change materials (PCMs). PCMs are considered a novel, zero-noise, zero-power, and zero-emission passive thermal management technology. These materials have a high latent heat storage capacity, allowing them to absorb and store heat at a constant temperature while undergoing a phase change, thereby maintaining a lower surface temperature. The stored energy is then released as the PCM returns to its initial state. Due to the significance of this topic, a comprehensive overview is provided on the fundamentals, preparation, characterization, and thermo-physical properties of nano-enhanced phase change materials (NEPCM), as well as the benefits of using them in PV thermal management. Additionally, the importance of employing machine learning techniques to gain a deeper and more accessible understanding of this field is highlighted. This study experimentally investigates the effect of using appropriate and non-appropriate types of PCM on PV thermal management and power performance using a novel technical approach. Moreover, it reports the preparation and characterization of thermal conductivity-enhanced phase change material for improved thermal management using metallic oxide nanoparticles. Furthermore, this study examines the application of machine learning in predicting the thermal conductivity of metallic oxide NEPCM. This study also addresses the preparation process, characterization, and application of shape stabilized phase change material in PV thermal management. Significant findings have been concluded from this study. Phase change materials (PCM) have demonstrated excellent thermal management performance for photovoltaic (PV) panels, reducing their temperature by 10 K compared to non-cooled PV panels. However, selecting an appropriate melting point for PCM is crucial, as both excessively low and high melting points can negatively impact thermal management efficiency. One major challenge with PCM is its low thermal conductivity, which affects the overall heat transfer process. Due to this limitation, PCM near the surface melts first, while the PCM at the back remains solidified. Incorporating nanoparticles into PCM has been shown to significantly enhance thermal conductivity, with metal oxide nanoparticles increasing thermal conductivity by 248%. Thermal and chemical analyses indicate promising results; however, the stability of nanoparticles within PCM remains a key concern. Additionally, this study presents a high-accuracy machine learning model with an R² value of 0.92 for predicting the thermal conductivity of various metal oxide nanoparticle-enhanced PCMs (NEPCMs). Results also indicate that shape-stabilized PCM (SSPCM) addresses several critical issues, including leakage, tilt angle dependence, stability, and low thermal conductivity. The SSPCM increased the thermal conductivity of PCM by 287%, reduced PV panel temperature by 6.1°C, and enhanced PV panel efficiency by up to 9.02%.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Ali, Hafiz
Committee Members:	Al-Ahmed, Amir and Ali, Shahid and Sathyamurthy, Ravishankar and Ali, Usman
Depositing User:	AHMAD MIAARI (g202113510)
Date Deposited:	19 Oct 2025 05:03
Last Modified:	19 Oct 2025 05:03
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143730