Repositorio
Institucional

Narayan, Sunny

Efficiency Enhancement of Photovoltaic Panels via Air, Water, and Porous Media Cooling Methods: Thermal-Electrical Modeling

MDPI

SUSTAINABILITY

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Improving photovoltaic (PV) panel performance under extreme climatic conditions is critical for advancing sustainable energy systems. In hyper-arid regions, elevated operating temperatures significantly reduce panel efficiency. This study investigates and compares three cooling techniques-air cooling, water cooling, and porous media cooling-using thermal and electrical modeling based on CFD simulations in ANSYS. The numerical model replicates a PV system operating under peak solar irradiance (900 W/m2) and realistic ambient conditions in Adrar, Algeria. Simulation results show that air cooling leads to a modest temperature reduction of 6 degrees C and a marginal efficiency gain of 0.25%. Water cooling, employing a top-down laminar flow, reduces cell temperature by over 35 degrees C and improves net electrical output by 30.9%, despite pump energy consumption. Porous media cooling, leveraging passive evaporation through gravel, decreases panel temperature by around 30 degrees C and achieves a net output gain of 26.3%. Mesh sensitivity and validation against experimental data support the accuracy of the model. These findings highlight the significant potential of water and porous material cooling strategies to enhance PV performance in hyper-arid environments. The study also demonstrates that porous media can deliver high thermal effectiveness with minimal energy input, making it a suitable low-cost option for off-grid applications. Future work will integrate long-term climate data, real diffuser geometries, and experimental validation to further refine these models.Mejorar el rendimiento de los paneles fotovoltaicos (FV) en condiciones climáticas extremas es fundamental para el avance de los sistemas de energía sostenible. En regiones hiperáridas, las altas temperaturas de funcionamiento reducen significativamente la eficiencia de los paneles. Este estudio investiga y compara tres técnicas de refrigeración: refrigeración por aire, refrigeración por agua y refrigeración por medios porosos, utilizando modelos térmicos y eléctricos basados ​​en simulaciones CFD en ANSYS. El modelo numérico reproduce un sistema FV que opera bajo una irradiancia solar máxima (900 W/m²) y condiciones ambientales realistas en Adrar, Argelia. Los resultados de la simulación muestran que la refrigeración por aire produce una modesta reducción de temperatura de 6 °C y una ganancia marginal de eficiencia del 0,25 %. La refrigeración por agua, mediante un flujo laminar descendente, reduce la temperatura de la celda en más de 35 °C y mejora la producción eléctrica neta en un 30,9 %, a pesar del consumo de energía de la bomba. La refrigeración por medios porosos, aprovechando la evaporación pasiva a través de grava, disminuye la temperatura del panel en unos 30 °C y logra una ganancia de producción neta del 26,3 %. La sensibilidad de la malla y la validación con datos experimentales respaldan la precisión del modelo. Estos hallazgos resaltan el importante potencial de las estrategias de refrigeración con agua y materiales porosos para mejorar el rendimiento fotovoltaico en entornos hiperáridos. El estudio también demuestra que los medios porosos pueden ofrecer una alta eficacia térmica con un consumo mínimo de energía, lo que los convierte en una opción adecuada y de bajo costo para aplicaciones fuera de la red eléctrica. En trabajos futuros se integrarán datos climáticos a largo plazo, geometrías reales de difusores y validación experimental para perfeccionar aún más estos modelos.

artículo original

photovoltaic systems

passive and active cooling

thermal performance

energy conversion efficiency

CFD simulation

sustainable energy technologies

10.3390/su17146559

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PERFORMANCE ENHANCEMENT

TEMPERATURE

IMPROVEMENT

PERFORMANCE ENHANCEMENT

TEMPERATURE

IMPROVEMENT

Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Ingeniería Mecánica

Otras Ingenierías y Tecnologías

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WOS:001535989400001

Efficiency Enhancement of Photovoltaic Panels via Air, Water, and Porous Media Cooling Methods: Thermal-Electrical Modeling

artículo original

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SUSTAINABILITY

Green & Sustainable Science & Technology

Environmental Sciences

Environmental Studies

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