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光伏逆变器散热方案选择与功率的关系

时间:2014-11-03 来源:solarbe 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:

摘要

随着光伏逆变器外形尺寸缩小和单机功率提高,对散热设计的要求越来越高。设计者必须综合考虑逆变器散热系统的散热效果、防护性、可安装性、可维护性,以及所付出的经济代价。其中,单机功率,是设计散热方案的重要依据。

逆变器散热技术包括自然冷却、强制风冷、液冷和相变冷却等形式。各种形式的工作原理和特点,如表1所示。

  研究表明,强制风冷的散热效率是自然冷却的10~20倍,更高效的散热方式还有液冷。从结构复杂程度和实现的难易程度来看,强制风冷散热系统比液冷系统简单、容易实现、可靠性高。因而,在电源行业首选强制风冷散热方式,其次考虑自然冷却、液冷等散热方式。

  图1 散热方式与热流密度的关系

  (注:图片引自美国内华达大学Yunus A.Cengel教授所著《Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications》一书)

  热流密度是指单位时间内,通过物体单位横截面积上的热量。如图1所示,在同等允许温升范围内,系统热流密度越大,所需的散热方式越苛刻。

  通常情况,电子元器件允许工作温升在40~60℃范围内。在温升60℃的允许上限条件下,自然冷却可承担最大热流密度为0.05W/cm2。当热流密度大于0.05W/cm2时,通过一些特殊手段可是自然冷却勉强提高散热效果,但需要牺牲工作性能、器件寿命或经济性等作为代价。在热流密度大于0.05W/cm2时,采用强制风冷散热方式,可得到令人满意的综合性能和经济性。当热流密度继续增大时,则需要选择液冷等其他散热方式。对于功率都在几MW的大型风能变流器,散热方式都是选用液冷;功率在100KW到1MW之间的集中型光伏逆变器,散热方式为强制风冷;而功率从几千瓦到几十千瓦的组串式光伏逆变器,则根据单机功率的从小到大,散热设计也从自然散热提升到强制风冷散热。

  图2 组串式光伏逆变器散热方式选择

  将理论分析转换为实际产品在散热方案上的比较选择,科学指导组串型光伏逆变器在产品设计上的散热方案应用。如图2所示,当功率小于20kW时,采用自然冷却可实现产品体积、重量与综合性能的最优匹配;当功率大于25kW时,散热热流密度较大,强制风冷则是比较经济、高效的实用手段;当功率在20kW至25kW之间,采用自然冷却和强制风冷所产生的综合性价比相当。市面上不同功率段逆变器所采用的散热方式如表2所示。

  表2 不同功率逆变器所采用的散热方式

总结:

散热技术包括自然冷却、强制风冷、液冷、相变冷却等形式,主要根据逆变器的功率进行选用。

组串式光伏逆变器一般工作在70℃以上的屋顶户外环境,高温环境下系统散热对产品的性能和寿命影响尤为重要。功率在20kW以下的逆变器,可以采用自然冷却方式;而功率在25kW以上的逆变器,采用强制风冷方式更为适宜。 

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