Integration of PV modules with phase change materials: experimental testing, model validation and optimization

The experimental campaign compared four photovoltaic modules: one conventional and three equipped with Phase Change Materials (PCMs) with melting temperatures of 18°C, 29°C, and 48°C, during a period of 47 days, in summer conditions. By integrating a data acquisition system, sensors, and microinverters, thermal and electrical performances were measured under real operating conditions. The results highlighted that the PV-PCM48 module achieved the best performance, maintaining lower operating temperatures and leading to a 6.84% increase in energy output compared to the reference module. The PV-PCM29 module also showed a positive effect on energy production, with a 3.14% increase, although lower than that of PV-PCM48. Conversely, the PV-PCM18 module exhibited a negligible negative effect on energy production, with a 0.65% reduction during the considered period. The lumped parameter mathematical model developed for system optimization demonstrated excellent predictive capabilities for electrical production, showing high accuracy in simulating the photovoltaic module performance. The thermal modeling also provided consistent results, capturing the key thermal dynamics of the system, thereby confirming the model validity as a valuable tool for the design and optimization of PV-PCM systems. These findings offer significant insights for future improvements in PCM integration into photovoltaic modules, highlighting the potential of PCM technologies to enhance photovoltaic efficiency under specific climatic conditions.

La campagna sperimentale ha confrontato quattro moduli fotovoltaici: uno convenzionale e tre dotati di Materiali a Cambiamento di Fase (PCM) con temperature di fusione di 18°C, 29°C e 48°C, durante un periodo di 47 giorni in condizioni estive. Attraverso l'integrazione di un sistema di acquisizione dati, sensori e microinverter, sono state misurate le prestazioni termiche ed elettriche in condizioni operative reali. I risultati hanno evidenziato che il modulo PV-PCM48 ha ottenuto le migliori prestazioni, mantenendo temperature operative inferiori e comportando un aumento del 6,84% della produzione di energia rispetto al modulo di riferimento. Anche il modulo PV-PCM29 ha mostrato un effetto positivo sulla produzione energetica, con un aumento del 3,14%, sebbene inferiore rispetto al PV-PCM48. Al contrario, il modulo PV-PCM18 ha mostrato un effetto negativo trascurabile sulla produzione di energia, pari a una riduzione dello 0,65% durante il periodo considerato. Il modello matematico a parametri concentrati sviluppato per l’ottimizzazione del sistema ha mostrato un'eccellente capacità predittiva della produzione elettrica, con un'accuratezza elevata nella simulazione delle prestazioni del modulo fotovoltaico. Anche la modellazione termica ha fornito risultati coerenti, catturando le principali dinamiche termiche del sistema, confermando così la validità del modello come strumento utile per la progettazione e l’ottimizzazione di sistemi PV-PCM. Questi risultati forniscono importanti indicazioni per futuri miglioramenti nell’integrazione dei PCM nei moduli fotovoltaici, dimostrando il potenziale delle tecnologie PCM di migliorare l’efficienza dei sistemi fotovoltaici in condizioni climatiche specifiche.