Numerical investigation of thermal management in photovoltaic cells with phase changing materials (PCM) and high conductivity inserts

Abstract

Photovoltaic cells' electrical conversion efficiency from incident solar radiation heavily depends on the cell temperature. A novel thermal management strategy aimed at keeping the cell temperature in the same order to maximize PV cell electrical conversion efficiency is proposed in this study. The study compares four solar module configurations: a conventional photovoltaic module (PVT module), a hybrid of conventional with PCM (PVT/PCM-I), an internally finned configuration with PCM (PVT/PCM-II), and a configuration where the bottom surface of PVT/PCM-II was cooled via convection (PVT/PCM-III). The developed 3D numerical model was solved via ANSYS software involving the solar ray tracing radiation model for incident solar radiations and a transient melting-solidification thermo-fluid model for modeling of the PCM. Numerical results were validated by comparing them against experimental results published in the literature. Results show that the conversion efficiency of PV cells reaches 16.84%, 18.65%, 18.83%, and 18.98% after 120 minutes for PVT module, PVT/PCM-I, PVT/PCM-II, and PVT/PCM-III, respectively while the specific electrical power produced reaches 75.30W/m2, 83.39W/m2, 84.19W/m2, and 89.42W/m2 for solar radiation of 540W/m2 and 26°C ambient temperature. A 5 mm increase in the fin height for PVT/PCM-II results in a 0.22% increase in efficiency while a 0.5m/s increase in the inlet velocity of the cooling air for PVT/PCM-III results in about 0.06% efficiency increase. Furthermore, performance evaluation of PVT/PCM-III was carried out with sample weather data of the Indian Institute of Technology-Delhi and the Algiers site. The hourly average of overall conversion efficiency for the respective sites reaches 16.70% and 16.84% for a conventional PV module and 19.04% and 19.19% for PVT/PCM-III where the conversion efficiency increases by 14% and 13.7% respectively.

Fotovoltaik hücrelerin elektriği güneş radyasyonundan üretmesindeki dönüşüm verimliliği büyük ölçüde hücre sıcaklığına bağlıdır. Bu çalışmada fotovoltaik (PV) hücre elektrik dönüşüm verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için hücre sıcaklığını aynı seviyede tutmayı amaçlayan yeni bir ısıl yönetim stratejisi önerildi. Çalışma dört güneş modülü konfigürasyonunu karşılaştırmaktadır: geleneksel fotovoltaik modülü (PVT modülü), faz değiştiren malzeme (PCM) ile geleneksel sistemin hibridi (PVT / PCM-I), PCM içerisinde kanatçıklar (PVT / PCM-II) ve PVT / PCM-II'nin alt yüzeyinin taşınım (PVT / PCM-III) ile soğutulduğu yapılar. Geliştirilen 3B sayısal model, güneş radyasyonlarının izlenmesini içeren radyasyon modelini ve PCM'nin modellenmesi için erime-katılaşma termo-akışkan modellerini içermektedir ve ANSYS yazılımı aracılığıyla çözülmüştür. Sayısal sonuçlar literatürde yayınlanan deneysel sonuçlarla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Sonuçlar, PVT, PVT/PCM-I, PVT/PCM-II, ve PVT/PCM-III için 120 dakika sonra dönüşüm verimliliğinin sırasıyla %16.84, %18.65, %18.83 ve %18.98'e ulaştığını göstermektedir. Üretilen elektrik gücü yine sırasıyla 75.30W/m2, 83.39W/m2, 84.19W/m2 ve 89,42W/m2'ye, 540W/m2 ışınım akısı ve 26°C ortam sıcaklığındaki durum için ulaşır. PVT/PCM-II için kanatçık yüksekliğindeki 5 mm'lik artış verimlilikte %0.22'lik bir artışa neden olurken, PVT/PCM-III için soğutma havasının giriş hızında 0.5 m/s'lik bir artış yaklaşık %0.06 verimlilik artışına neden olur. Ayrıca, PVT / PCM-III'ün performans değerlendirmesi, Hindistan Teknoloji Enstitüsü-Delhi ve Cezayir sitelerinin örnek hava durumu verileri ile doğrulanmıştır. İlgili siteler için genel dönüşüm verimliliğinin saatlik ortalaması, geleneksel bir PV modülü için dönüşüm verimliliği %16.70 ve %16.84'e ve PVT / PCM-III için %19.04 ve %19.19'a ulaşır, bu ise dönüşüm verimliliğinin sırasıyla %14 ve %13.7 arttığını gösterir.