Faz Değiştiren Malzeme Kullanılarak Tasarlanan Ayarlanabilir Güneş Enerjisi Yönetim Yapılarının Çok Amaçlı Sayısal Tasarımı

Abstract

Faz değişimi malzemeleri (PCM'ler), sürekli dış enerji girintisi olmadan optik ve termal özelliklerin sıcaklığa duyarlı modülasyonunu sağlayarak uyarlanabilir güneş yönetimini sağlar. PCM tabanlı akıllı pencereler ve ayarlanabilir fotonik yapılar yaygın olarak incelenmiş olsa da, mevcut çalışmaların çoğu tek mimarilere veya izole optik metriklere odaklanmakta olup, termodinamik önem ve uzun vadeli dayanıklılık sınırlı dikkate alınmaktadır. Bu çalışmada, PCM özellikli ayarlanabilir güneş yönetimi yapılarının tasarımı için tamamen simülasyon temelli, çok amaçlı bir sayısal çerçeve geliştirilmiştir. Termokromik PCM'leri içeren genel kaplama benzeri yapılar, güneş dalga boyu aralığında spektral optik simülasyonlarla analiz edilir. PCM faz geçişi, sonlu geçiş bant genişliği ve histerezis ile sürekli bir süreç olarak modellenmiştir; bu da ideal olmayan faz geçiş davranışının gerçekçi temsilini sağlar. Güneş ağırlıklı optik metrikler, güneş geçirimciliği, ışık geçirimciliği ve güneş modülasyonu kabiliyeti dahil olmak üzere değerlendirilir ve güneş kaynaklı termal yük için bir vekil olarak emilen güneş enerjisinin enerji dengesi temelli değerlendirmesine bağlanır. Çok amaçlı optimizasyon, güneş modülasyonu, gün ışığı koruması ve termal etki arasındaki dengeleri sistematik olarak keşfetmek için kullanılır; böylece tek bir optimize edilmiş konfigürasyon yerine Pareto optimal tasarım setleri elde edilir. Sonuçlar, güneş ısısı kazanımının önemli ölçüde bastırılmasının kabul edilebilir görünür geçirimciliği korurken sağlanabileceğini ve ilgili değişikliklerin büyük ölçüde tasarıma bağlı olduğunu göstermektedir. Bozulma vekil senaryoları kullanılarak yapılan dayanıklılık analizi, yalnızca ideal koşullar için optimize edilmiş tasarımların belirgin performans kaybı yaşadığını, dayanıklılığa duyarlı çözümlerin işlevsel performanslarının çok daha büyük bir kısmını koruduğunu ortaya koymaktadır.

Keywords

• Faz değişim malzemeleri
• ayarlanabilir güneş enerjisi yönetimi
• akıllı pencereler
• çok amaçlı sayısal optimizasyon
• gün ışığı-ısı dengesi

Multi-Objective Numerical Design of Phase-Change-Material-Enabled Tunable Solar Management Structures

Abstract

Phase-change materials (PCMs) enable adaptive solar management by providing temperature-responsive modulation of optical and thermal properties without continuous external energy input. Although PCM-based smart windows and tunable photonic structures have been widely studied, most existing works focus on single architectures or isolated optical metrics, with limited consideration of thermodynamic relevance and long-term robustness. In this study, a fully simulation-based, multi-objective numerical framework is developed for the design of PCM-enabled tunable solar management structures. Generic coating-like structures incorporating thermochromic PCMs are analyzed using spectral optical simulations across the solar wavelength range. The PCM phase transition is modeled as a continuous process with finite transition bandwidth and hysteresis, enabling realistic representation of non-ideal phase-transition behavior. Solar-weighted optical metrics, including solar transmittance, luminous transmittance, and solar modulation capability, are evaluated and coupled to an energy-balance-based assessment of absorbed solar power as a proxy for solar-induced thermal load. Multi-objective optimization is employed to systematically explore trade-offs between solar modulation, daylight preservation, and thermal impact, yielding Pareto-optimal design sets rather than a single optimized configuration. The results show that significant suppression of solar heat gain can be achieved while maintaining acceptable visible transmittance, and that the associated trade-offs are strongly design dependent. Robustness analysis using degradation proxy scenarios further reveals that designs optimized solely for ideal conditions suffer pronounced performance loss, whereas robustness-aware solutions retain a substantially larger fraction of their functional performance.

Keywords

• phase-change materials
• tunable solar management
• smart windows
• multi-objective numerical optimization
• daylighting–thermal trade-off

References

1. [1] X. Wang, Y. Sun, Y. Zhang, and Y. Long, “Thermochromic Materials for Smart Windows: A State-of-Art Review,” Front. Energy Res., vol. 9, Art. no. 800382, Dec. 2021. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.3389/fenrg.2021.800382, [Online].
2. [2] J. H. Ko, S. Y. Lee, J. Kim, and J. Rho, “A review of tunable photonics: Optically active materials and applications from visible to terahertz,” iScience, vol. 25, no. 8, Art. no. 104727, Jul. 2022. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1016/j.isci.2022.104727, [Online].
3. [3] C. Jiang, Z. Zhang, S. Wang, and Y. Long, “Phase-change VO₂-based thermochromic smart windows,” Light Sci. Appl., vol. 13, Art. no. 255, Sep. 2024. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1038/s41377-024-01560-9, [Online].
4. [4] X. Wen, Y. Li, M. Qiu, and Y. Zhang, “A large scale perfect absorber and optical switch based on phase change material GST,” Sci. China Mater., vol. 59, pp. 165–172, Mar. 2016. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1007/s40843-016-5099-x, [Online].
5. [5] O. Abed and L. Yousefi, “Tunable metasurfaces using phase change materials and transparent graphene heaters,” Opt. Express, vol. 28, no. 23, pp. 33876–33889, Nov. 2020. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1364/OE.404103, [Online].
6. [6] M. Kim, H. Kim, J. Park, J. Lee, and J. Rho, “Switchable diurnal radiative cooling by doped VO₂,” Opto-Electron. Adv., vol. 4, Art. no. 200006, 2021. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.29026/oea.2021.200006, [Online].
7. [7] Y. Zhou, X. Li, Z. Huang, and Y. Long, “VO₂ nanoparticles-based thermochromic smart windows,” ChemistrySelect, vol. 8, no. 45, Art. no. e202302259, 2023. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1002/slct.202302259, [Online].
8. [8] L. Wu, X. Chen, Z. Li, and S. Fan, “Phase-transition metamaterial smart window for radiative cooling and privacy protection,” Opt. Express, vol. 32, no. 23, pp. 41213–41229, Nov. 2024. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1364/OE.538463, [Online].

9. [9] L. Hu, Y. Zhang, S. Wang, and R. Yang, “Theoretical investigation of VO₂ smart window with large solar modulation and thermal emittance,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 268, Art. no. 112173, 2024. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1016/j.solener.2024.112734, [Online].
10. [10] X. Si, H. Zhu, Z. Yang, H. Wei, B. Chen, R. Wang, and Y. Zhan, “Adaptive Radiative Cooling via Spectral Decoupling in Bilayered Polymer/VO₂ Nanoparticle Nanocomposites,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 17, no. 8, pp. 12117–12124, 2025. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1021/acsami.4c20168, [Online].
11. [11] R. A. Maisha, M. M. Rahman, M. S. Islam, and M. M. Hasan, “Phase-change material based metasurface absorber surpassing 90% solar-thermal conversion efficiency,” Appl. Therm. Eng., vol. 280, Art. no. 128337, Dec. 2025. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2025.128337, [Online].
12. [12] M. H. Jahangir and R. Aboutorabi, “Comparison of Energy Consumption and Life Cycle Assessment in a Building Equipped with Smart Windows (Electrochromic, Thermochromic and Photochromic): Case Study in Tehran,” Results Eng., Art. no. 108878, Dec. 2025. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1016/j.rineng.2025.108878, [Online].
13. [13] H. Tan, X. Wu, S. Hu, Y. Ren, Y. Du, Q. Zhao, et al., “High-performance organic semiconductor near-infrared and shortwave-infrared photodetectors: a materials and device roadmap,” Chem. Sci., vol. 16, no. 46, pp. 21705–21744, Oct. 2025. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1039/D5SC06197K, [Online].
14. [14] Y. Yang, Y. Jeon, Z. Dong, J. K. Yang, M. Haddadi Moghaddam, D. S. Kim, et al., “Nanofabrication for nanophotonics,” ACS Nano, vol. 19, no. 13, pp. 12491–12605, 2025. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1021/acsnano.4c10964, [Online].
15. [15] X. Luo, B. Liu, W. Li, B. Li, H. Yuan, and Y. Su, “Triple-enhanced Sensory Textiles for Self-powered Infrared Detection,” Nano Energy, vol. 145, Art. no. 111438, Sep. 2025. Accessed on: Jan. 5, 2026, DOI: 10.1016/j.nanoen.2025.111438, [Online].
16. [16] I. O. Oguntoye, S. Padmanabha, M. Hinkle, T. Koutsougeras, A. J. Ollanik, and M. D. Escarra, “Continuously tunable optical modulation using vanadium dioxide Huygens metasurfaces,” ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 15, no. 34, pp. 41141–41150, Aug. 2023. Accessed on: May 2, 2026, DOI: 10.1021/acsami.3c08493, [Online].