散熱方案選擇主要取決于逆變器功率

隨著光伏逆變器外形尺寸縮小和單機(jī)功率提高，對(duì)散熱設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。設(shè)計(jì)者必須綜合考慮逆變器散熱系統(tǒng)的散熱效果、防護(hù)性、可安裝性、可維護(hù)性，以及所付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。其中，單機(jī)功率，是設(shè)計(jì)散熱方案的重要依據(jù)。

逆變器散熱技術(shù)包括自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷和相變冷卻等形式。各種形式的工作原理和特點(diǎn)，如表1所示。

研究表明，強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱效率是自然冷卻的10~20倍，更高效的散熱方式還有液冷。從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和實(shí)現(xiàn)的難易程度來(lái)看，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)比液冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、可靠性高。因而，在電源行業(yè)首選強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式，其次考慮自然冷卻、液冷等散熱方式。

圖1 散熱方式與熱流密度的關(guān)系(注：圖片引自美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)YunusA.Cengel教授所著《Heat and Mass Transfer:Fundamentals and Applications》一書)

熱流密度是指單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)物體單位橫截面積上的熱量。如圖1所示，在同等允許溫升范圍內(nèi)，系統(tǒng)熱流密度越大，所需的散熱方式越苛刻。

通常情況，電子元器件允許工作溫升在40~60℃范圍內(nèi)。在溫升60℃的允許上限條件下，自然冷卻可承擔(dān)最大熱流密度為0.05W/cm2。當(dāng)熱流密度大于 0.05W/cm2時(shí)，通過(guò)一些特殊手段可是自然冷卻勉強(qiáng)提高散熱效果，但需要犧牲工作性能、器件壽命或經(jīng)濟(jì)性等作為代價(jià)。在熱流密度大于0.05W /cm2時(shí)，采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式，可得到令人滿意的綜合性能和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)熱流密度繼續(xù)增大時(shí)，則需要選擇液冷等其他散熱方式。對(duì)于功率都在幾MW的大型風(fēng)能變流器，散熱方式都是選用液冷;功率在100KW到1MW之間的集中型光伏逆變器，散熱方式為強(qiáng)制風(fēng)冷;而功率從幾千瓦到幾十千瓦的組串式光伏逆變器，則根據(jù)單機(jī)功率的從小到大，散熱設(shè)計(jì)也從自然散熱提升到強(qiáng)制風(fēng)冷散熱。

圖2 組串式光伏逆變器散熱方式選擇

將理論分析轉(zhuǎn)換為實(shí)際產(chǎn)品在散熱方案上的比較選擇，科學(xué)指導(dǎo)組串型光伏逆變器在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的散熱方案應(yīng)用。如圖2所示，當(dāng)功率小于20kW時(shí)，采用自然冷卻可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品體積、重量與綜合性能的最優(yōu)匹配;當(dāng)功率大于25kW時(shí)，散熱熱流密度較大，強(qiáng)制風(fēng)冷則是比較經(jīng)濟(jì)、高效的實(shí)用手段;當(dāng)功率在20kW至 25kW之間，采用自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷所產(chǎn)生的綜合性價(jià)比相當(dāng)。市面上不同功率段逆變器所采用的散熱方式如表2所示。

表2 不同功率逆變器所采用的散熱方式

總結(jié)：散熱技術(shù)包括自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷、相變冷卻等形式，主要根據(jù)逆變器的功率進(jìn)行選用。

組串式光伏逆變器一般工作在70℃以上的屋頂戶外環(huán)境，高溫環(huán)境下系統(tǒng)散熱對(duì)產(chǎn)品的性能和壽命影響尤為重要。功率在20kW以下的逆變器，可以采用自然冷卻方式;而功率在25kW以上的逆變器，采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式更為適宜。