Faz değiştiren malzeme dolgulu kanatlı tüpler ile entegre edilmiş yeni tip fotovoltaik modül tasarımı ve analizi

Abstract

Fotovoltaik (PV) panellerde artan yüzey sıcaklığı verimi düşürmekte ve panel ömrünü kısaltmaktadır. Bu nedenle sürdürülebilir termal yönetim kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada, helisel kanatlı ısı emici ve faz değişim malzemesi (FDM) temelli pasif soğutma yöntemleri deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel tasarım kapsamında, 6, 8 ve 10 mm hatve aralıklarına sahip alüminyum helisel kanatlı ısı emiciler geliştirilmiş; bu ısı emiciler tüp formuna dönüştürülerek FDM'siz ve RT31, RT35 ve RT42 tip faz değişim malzemeleri ile doldurulmuş konfigürasyonlar oluşturulmuştur. Ayrıca tüp sayısının soğutma performansına etkisini belirlemek amacıyla sistemler 33, 22 ve 11 tüplü yerleşim düzenlerinde test edilmiştir. Enerji verimi sonuçları incelendiğinde, hem FDM'siz hem de FDM dolgulu uygulamalarda 8 mm hatve geometrisinin referans panele kıyasla en yüksek performans iyileşmesini sağladığını göstermiştir. 33 tüplü ve 8 mm hatveli konfigürasyonda referans panele göre güç ve enerji verim artışları RT42 için %7,24, RT31 için %7,11–%7,12 ve RT35 için %6,78–%6,79 aralığında belirlenmiştir. Tüp sayısının azaltılmasıyla birlikte referans panele göre elde edilen performans kazanımlarının oransal olarak azaldığı gözlemlenmiştir. Yüzey sıcaklıkları referans panel esas alınarak değerlendirildiğinde, en yüksek sıcaklık düşüşü 33 tüplü ve 8 mm hatveli RT42 uygulamasında 10,19°C olarak belirlenmiştir. Aynı konfigürasyonda RT31 ve RT35 uygulamalarında referans panele kıyasla sırasıyla 9,78°C ve 9,50°C düzeyinde sıcaklık azalması elde edilmiştir. Bu sonuçlar, faz değişim malzemesi entegrasyonunun panel sıcaklığını daha kararlı bir aralıkta tuttuğunu göstermektedir. Ekserji analizi sonuçları, tüm FDM uygulamalarında referans panele kıyasla anlamlı düzeyde ekserji verimi artışı sağlandığını ortaya koymuştur. En yüksek ekserji verimi iyileşmesi 33 tüplü ve 8 mm hatveli RT42 konfigürasyonunda %37,05 olarak belirlenmiş; RT31 ve RT35 uygulamalarında ise bu artış oranları sırasıyla %36,3 ve %35,56 düzeyinde gerçekleşmiştir. Bulgular, 8 mm hatve aralığının ısı transferi ile termal yayılım arasında optimum denge sağladığını ve tüp sayısındaki artışın sistemin ısıl kontrol kapasitesini güçlendirdiğini göstermektedir. Genel değerlendirme sonucunda, PV sistemlerde enerji ve ekserji performansının artırılmasında hatve geometrisi, tüp sayısı ve faz değişim malzemesi türünün birlikte ve bütüncül bir yaklaşımla optimize edilmesinin kritik öneme sahip olduğu ortaya konulmuştur.Increasing surface temperature in photovoltaic (PV) panels reduces efficiency and shortens panel lifespan. Therefore, sustainable thermal management is critical. In this study, passive cooling methods based on helical finned heat sinks and phase change materials (PCM) were experimentally investigated. Within the experimental design, aluminum helical finned heat sinks with fin pitches of 6, 8, and 10 mm were developed. These heat sinks were subsequently transformed into tubular configurations and implemented both without PCM and filled with RT31, RT35, and RT42 phase change materials. In addition, to evaluate the effect of tube number on cooling performance, the systems were tested in configurations consisting of 33, 22, and 11 tubes. When the energy efficiency results were examined, it was observed that the 8 mm pitch geometry provided the highest performance improvement compared to the reference panel in both PCM-free and PCM-filled applications. In the configuration with 33 tubes and an 8 mm pitch, the increases in power output and energy efficiency relative to the reference panel were determined to be 7.24% for RT42, 7.11–7.12% for RT31, and 6.78–6.79% for RT35. It was also observed that the proportional performance gains obtained relative to the reference panel decreased as the number of tubes was reduced. When surface temperatures were evaluated relative to the reference panel, the highest temperature reduction was achieved in the 33-tube, 8 mm pitch RT42 configuration with a decrease of 10.19°C. Under the same configuration, temperature reductions of 9.78°C and 9.50°C were obtained for RT31 and RT35, respectively. These findings indicate that PCM integration maintains the panel temperature within a more stable operating range. Exergy analysis results revealed that all PCM applications provided significant improvements in exergy efficiency compared to the reference panel. The highest exergy efficiency enhancement was obtained in the 33-tube, 8 mm pitch RT42 configuration with an increase of 37.05%, while the corresponding improvements were 36.3% for RT31 and 35.56% for RT35. The results indicate that the 8 mm fin pitch provides an optimal balance between heat transfer and thermal distribution, and that increasing the tube number strengthens the thermal control capacity of the system. As a result of the overall evaluation, it has been revealed that improving the energy and exergy performance of PV systems critically depends on the integrated and holistic optimization of fin pitch geometry, tube number, and phase change material type.