组串式逆变器的散热改进——无风扇设计|深圳市美克能源科技股份有限公司

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组串式逆变器的散热改进——无风扇设计

2015-4-20

光伏逆变器作为太阳能发电系统的核心设备,其可靠性决定着光伏系统的安全运行,而影响光伏逆变器可靠性的重要因素之一就是逆变器的散热性能。逆变器的核心器件功率开关对温度比较敏感,温度的变化会影响其开通和关断过程,当温度过高时会导致功率开关性能衰减甚至损坏,因此逆变器的散热方案优劣决定着产品的性能和质量。

近年来,组串式地面电站在全球得到广泛应用。相比集中式电站,组串式电站有明显优势,具体体现在以下几点:发电量高,占地面积小,无需机房,运行可靠,维护方便简单。特别是针对分布式屋顶、山地丘陵项目,组串式方案有着无可比拟的优势。

光伏电站一般选在沙漠、高原等阳光充足的地方,这些区域冬季温度极低,夏季温度非常高,风沙大,海拔高,光照强,有些站点甚至位于海边,腐蚀性强。在这些应用场景中,组串式逆变器通过挂墙、挂光伏板支架或者挂独立安装架等方式直接暴露在室外,外部部件被雨水、沙尘腐蚀和老化风险严重。如何做到既能适应恶劣环境,又能满足逆变器的散热,成为了大家最关心的问题。

一、组串式逆变器业界常用散热方式及问题

逆变器散热主要有自然散热和风冷散热两种方式,影响散热能力的关键因素是对流换热系数。一般情况下,风冷散热的换热系数比自然对流高一个数量级,因此在组串式逆变器外部增加风扇可以大大提升散热能力,行业厂商普遍采用这种方式散热。但组串式逆变器应用环境较差,其对外部风扇的防护性能要求较高。当前室外型风扇防护等级一般只能达到IP54/IP55,外部有风扇设计导致整体系统防护等级无法达到IP65。同时为了避免雨水直接冲刷风扇,设计散热方案时,风道会变得很复杂,风道形式受限,一旦风扇失效,散热能力衰减严重,这样会使得逆变器输出功率降额,发电量减少,严重影响客户利益。更为关键的是,因风扇常年暴露在雨水和沙尘中,腐蚀严重,寿命急剧下降,逆变器生命周期内需要多次更换风扇,维护成本极高。

下图为某户外环境电站,逆变器运行一年后,风扇积灰和腐蚀的剖析图片,从图片可以看出,腐蚀情况非常严重。

组串式逆变器的发展趋势和挑战——无风扇设计

图1 某户外电站逆变器风扇积尘腐蚀示意图

二、组串式逆变器散热问题的应对解决方案

无外部风扇设计方案虽然散热能力不如强迫风冷方案,但由于逆变器外部无需安装风扇,防护等级可以达到IP65,而且噪声低,可靠性高,消除因风扇失效散热能力衰减导致的功率降额,易维护,成本低。

随着输出功率提升和体积减小,散热能力将是组串式逆变器设计的最大瓶颈。针对这个问题,可以通过采用铜铝复合、热管、均温板等强化方式减小热阻,提升散热器散热能力。另一种重要方式是腔体内部增加扰流风扇来改善内部热点和提升腔体散热能力,扰流风扇由于在腔体内部,不存在防护问题,即使失效,对整体散热能力和功率影响不大。散热设计方案效果如图2,3所示。

组串式逆变器的发展趋势和挑战——无风扇设计

图2 无外部风扇,自然散热,防沙能力强 图3 内部强制扰流,合理布局,消除热点

从表1可以看出,无外部风扇的组串式逆变器,无论是防护等级和可靠性,还是防腐蚀能力,都有明显优势。虽然散热能力相对较弱,但可以通过华为独特的高效散热方案解决。

组串式逆变器的发展趋势和挑战——无风扇设计

表1 有外部风扇和无外部风扇散热方案比较

组串式逆变器由于大多工作在高温、多粉尘、风吹日晒、雨淋等恶劣的户外应用,如果采用强迫风冷,风扇极易损坏、寿命较短,频繁的更换风扇除影响产品的发电量外,还会带来昂贵的维护费用;另外,如逆变器安装在用户外墙及阁楼处,强迫风冷的噪声将容易引起客户的投诉。而采用自然散热的产品,无风扇,产品运行的长期可靠性高,噪声低,所以自热散热、无风扇设计成为户外小功率逆变器的关键竞争力。

随着组串式逆变器的大量商用,高发电量,维护便捷甚至免维护是客户关注的核心指标,逆变器外部风扇的存在对以上指标的实现是一道严重障碍,因此无外部风扇设计对组串式逆变器来说,既是挑战,也是未来必然的发展趋势。

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