Welke technologieën voor warmteafvoer gebruiken zonneomvormers?

Welke technologieën voor warmteafvoer gebruiken zonneomvormers?

1. Natuurlijke koeltechnologie

1.1 Werkingsprincipe
Natuurlijke koeltechnologie is een eenvoudige manier waarop zonneomvormers warmte afvoeren. De warmteafvoer gebeurt hoofdzakelijk via natuurlijke luchtconvectie.Zonne-omvormersgenereren warmte tijdens bedrijf, waardoor de temperatuur van de omringende lucht stijgt en warme lucht ontstaat. Omdat de dichtheid van warme lucht lager is dan die van koude lucht, stijgt warme lucht op natuurlijke wijze op en wordt koude lucht aangevuld, wat een convectiecyclus creëert. Deze convectiecyclus kan de warmte in de omvormer naar de buitenomgeving brengen, waardoor warmte wordt afgevoerd.
Natuurlijke koeling vereist geen extra elektrische apparatuur, zoals ventilatoren of pompen, en biedt daarom voordelen zoals een eenvoudige structuur, lage kosten en een hoge betrouwbaarheid. De warmteafvoer is echter relatief laag en is daarom vooral geschikt voor situaties met een lage warmteontwikkeling of lage omgevingstemperaturen. In praktische toepassingen worden doorgaans enkele aanvullende maatregelen genomen om het effect van natuurlijke koeling te verbeteren. Door bijvoorbeeld het ontwerp van de omvormerbehuizing te optimaliseren en het oppervlak van het koellichaam te vergroten, kan het contactoppervlak tussen de lucht en de omvormerbehuizing effectief worden vergroot, waardoor de warmteafvoer wordt verbeterd. Bovendien kan een verstandige plaatsing van de omvormer, zodat er voldoende ruimte rondom de omvormer is voor luchtstroom, ook bijdragen aan een beter effect van natuurlijke koeling.

2. Geforceerde luchtkoeltechnologie

2.1 Warmteafvoerprincipe van een ventilator
Geforceerde luchtkoeling is een van de belangrijkste manieren om warmte af te voeren in zonne-omvormers. De kern hiervan is het gebruik van ventilatoren om de luchtstroom te forceren en de warmteafvoer in de omvormer te versnellen. De ventilator genereert een luchtstroom door te draaien, voert de warme lucht snel af in de omvormer en voert koude lucht van buitenaf aan voor een efficiënte convectiewarmtewisseling. Studies hebben aangetoond dat de warmteafvoerefficiëntie van geforceerde luchtkoeling vele malen hoger is dan die van natuurlijke koeling, wat met name geschikt is voor omvormers met een hoge warmteproductie. Bijvoorbeeld, in een zonne-omvormer met een vermogen van 10 kW kan de interne temperatuur na gebruik van geforceerde luchtkoeling met ongeveer 20 °C worden verlaagd in vergelijking met natuurlijke koeling, wat de stabiliteit en levensduur van de omvormer aanzienlijk verbetert.
2.2 Optimalisatie van het luchtkanaalontwerp
Het ontwerp van het luchtkanaal is cruciaal voor het effect van geforceerde luchtkoeling. Een goede lay-out van het luchtkanaal zorgt ervoor dat de luchtstroom soepel en efficiënt door de omvormer stroomt, waardoor kortsluiting of lokale wervelingen worden voorkomen. Bij het daadwerkelijke ontwerp wordt meestal gebruikgemaakt van CFD-software (Computational Fluid Dynamics) voor simulatieanalyse om de vorm en grootte van het luchtkanaal te optimaliseren. Door bijvoorbeeld een geleideplaat in de omvormer te plaatsen, kan de luchtstroom langs een vooraf bepaald pad worden geleid, waardoor de warmteverdeling gelijkmatiger wordt. Bovendien kan het ontwerp met meerdere kanalen het stroomoppervlak van de luchtstroom vergroten en de warmteafvoerefficiëntie verder verbeteren. Experimenten tonen aan dat het geoptimaliseerde ontwerp van het luchtkanaal de warmteafvoer van de omvormer met meer dan 30% kan verbeteren, waardoor het uitvalpercentage als gevolg van slechte warmteafvoer effectief wordt verlaagd.

3. Vloeistofkoeltechnologie

3.1 Principe van koelmiddelcirculatie
Vloeistofkoeltechnologie absorbeert en voert de warmte die door de omvormer wordt gegenereerd af door middel van koelmiddelcirculatie. Wanneer het koelmiddel door het systeem circuleert, stroomt het door de warmtegenererende componenten van de omvormer en stijgt de temperatuur na het absorberen van warmte. Vervolgens komt het koelmiddel in de radiator, waar het warmte uitwisselt met de omgeving en de warmte afgeeft aan de lucht, waardoor warmteoverdracht en -afvoer plaatsvindt. Dit circulatieproces kan de warmte in de omvormer efficiënt afvoeren en de apparatuur binnen een geschikt temperatuurbereik houden. Vergeleken met luchtkoeltechnologie heeft vloeistofkoeltechnologie een hogere warmteafvoerefficiëntie, met name geschikt voor omvormers met een hoog vermogen en een hoge dichtheid. In grote omvormers met een vermogen van meer dan 50 kW kan vloeistofkoeltechnologie bijvoorbeeld de interne temperatuur onder de 50 °C houden, terwijl luchtkoeltechnologie het moeilijk kan vinden om zo'n lage temperatuur te bereiken. Bovendien heeft vloeistofkoeltechnologie een hoge thermische geleidbaarheid en is de specifieke warmtecapaciteit van het koelmiddel groot, waardoor er meer warmte kan worden opgenomen en het warmteafvoerproces stabieler en efficiënter verloopt.
3.2 Samenstelling van het vloeistofkoelsysteem
Het vloeistofkoelsysteem bestaat voornamelijk uit koelmiddel, een koelplaat, een circulatiepomp, een radiator en een leiding. Het koelmiddel is het kernmedium van het vloeistofkoelsysteem, meestal water, ethyleenglycol of een speciaal koelmiddel, dat een goede thermische geleidbaarheid en chemische stabiliteit heeft. De koelplaat staat in direct contact met de warmtegenererende componenten van de inverter om warmte over te dragen aan het koelmiddel. Deze is over het algemeen gemaakt van koper of aluminium met een hoge thermische geleidbaarheid. De circulatiepomp zorgt voor de circulatie van het koelmiddel en zorgt voor een continue stroming van het koelmiddel. De radiator is de plaats waar het koelmiddel warmte uitwisselt met de lucht en heeft meestal een vinstructuur om het warmteafvoeroppervlak te vergroten en de warmteafvoerefficiëntie te verbeteren. De leiding wordt gebruikt om de verschillende componenten in het systeem met elkaar te verbinden en een soepele stroming van het koelmiddel te garanderen. Een compleet vloeistofkoelsysteem kan een efficiënte warmteafvoer en een stabiele werking bereiken. Neem bijvoorbeeld het vloeistofkoelsysteem van een 30 kW-zonneomvormer: de koelmiddelcirculatie bedraagt ​​5 liter per uur, het warmteafvoeroppervlak van de radiator is 0,5 vierkante meter en het systeem kan de maximale temperatuur van de omvormer regelen op 45 °C. Vergeleken met luchtkoeling is de warmteafvoer met ongeveer 50% verbeterd, wat de prestaties en betrouwbaarheid van de omvormer aanzienlijk verbetert.

4. Heatpipe-warmteafvoertechnologie
4.1 Werkingsprincipe van heatpipe
De heatpipe is een efficiënt warmteoverdrachtselement en het werkingsprincipe ervan is gebaseerd op het faseovergangsproces van de interne werkvloeistof. De binnenkant van de heatpipe is vacuümgezogen en gevuld met een geschikte hoeveelheid werkvloeistof. Wanneer één uiteinde van de heatpipe (verdampingsgedeelte) wordt verwarmd, absorbeert de werkvloeistof warmte en verdampt tot stoom. De stoom stroomt onder invloed van een klein drukverschil naar het andere uiteinde (condensatiegedeelte), geeft warmte af in het condensatiegedeelte en condenseert weer tot vloeistof. De vloeistof stroomt vervolgens door capillaire kracht of zwaartekracht terug naar het verdampingsgedeelte om een ​​cyclus te voltooien. Dit proces stelt de heatpipe in staat om snel warmte over te dragen van het hete naar het koude uiteinde, en de thermische geleidbaarheid kan oplopen tot 10^4 - 10^6 W/(m·K), wat veel hoger is dan die van gewone metalen materialen. In een zonne-omvormer kan de heatpipe bijvoorbeeld de door het voedingsapparaat gegenereerde warmte snel overdragen aan de radiator, zodat de temperatuur van het voedingsapparaat effectief kan worden geregeld. Vergeleken met traditionele warmteafvoermethoden biedt heatpipe-technologie de voordelen van een hoge warmteoverdrachtsefficiëntie, compacte structuur en hoge betrouwbaarheid. Het kan het warmteafvoerprobleem van zonne-omvormers bij hoge vermogensdichtheid en beperkte ruimte effectief oplossen.
4.2 Materialen en structuren van heatpipes
De prestaties van heatpipes hangen grotendeels af van hun materialen en structuren. De behuizing van de heatpipe is meestal gemaakt van metalen met een hoge thermische geleidbaarheid en goede mechanische eigenschappen, zoals koper of aluminium. Koper heeft een hoge thermische geleidbaarheid en een goede compatibiliteit met de werkvloeistof, maar een hoge dichtheid; aluminium heeft een lage dichtheid en een laag gewicht, maar een relatief lage thermische geleidbaarheid. Afhankelijk van verschillende toepassingsscenario's en vereisten kunnen geschikte materialen worden geselecteerd. De werkvloeistof in de heatpipe is over het algemeen water, ethanol, aceton, enz. Deze vloeistoffen hebben een laag kookpunt en een hoge latente verdampingswarmte en kunnen een efficiënte faseovergangswarmteoverdracht bereiken bij een klein temperatuurverschil. De structuur van de heatpipe omvat voornamelijk een verdampingsgedeelte, een isolatiegedeelte en een condensatiegedeelte. Het verdampingsgedeelte is het gedeelte waar de heatpipe warmte absorbeert en is meestal ontworpen met een capillaire structuur, zoals gesinterd metaalpoeder, groeven, enz., om de capillaire kracht van de vloeistof te vergroten en de terugstroming van de vloeistof te bevorderen. De condensatiesectie is het deel waar de heatpipe warmte afgeeft. Het structurele ontwerp ervan moet bevorderlijk zijn voor de warmteafvoer, bijvoorbeeld door het gebruik van vinstructuren. De functie van de isolatiesectie is om de warmteoverdracht in de lengterichting van de heatpipe te verminderen en de warmteoverdrachtsefficiëntie van de heatpipe te verbeteren. Daarnaast kan de heatpipe ook worden geoptimaliseerd op basis van verschillende behoeften, zoals het gebruik van microchannel heatpipes, heatpipe arrays en andere structuren om de warmteafvoerprestaties verder te verbeteren. Bij de warmteafvoertoepassing van zonne-omvormers kan een verstandige selectie en ontwerp van de materialen en structuren van de heatpipes de warmteafvoervoordelen van de heatpipes ten volle benutten en voldoen aan de warmteafvoervereisten van de omvormer onder verschillende bedrijfsomstandigheden.

5. Toepassing van nieuwe warmteafvoermaterialen

5.1 Koellichaam van aluminiumlegering
Koellichamen van aluminiumlegering worden veel gebruikt voor de warmteafvoer van zonne-omvormers. Aluminiumlegeringen kenmerken zich door een lage dichtheid en een laag gewicht, waardoor ze gemakkelijk te installeren en te transporteren zijn. De thermische geleidbaarheid is hoog en warmte kan snel worden overgedragen naar het oppervlak van het koellichaam en uitgewisseld met de lucht. De thermische geleidbaarheid van een koellichaam van 6063 aluminiumlegering kan bijvoorbeeld 200-237 W/(m·K) bereiken. In een kleine zonne-omvormer met een vermogen van 5 kW is de temperatuur van de apparatuur tijdens bedrijf na gebruik van een koellichaam van aluminiumlegering ongeveer 30 °C lager dan zonder koellichaam, wat de stabiliteit en levensduur van de omvormer effectief verbetert. Bovendien is de verwerkingstechnologie van koellichamen van aluminiumlegeringen geavanceerd, zijn de kosten relatief laag en zijn ze geschikt voor grootschalige productie. Door middel van oppervlaktebehandelingen zoals anodiseren kunnen de corrosiebestendigheid en esthetiek worden verbeterd, waardoor het toepassingsbereik verder wordt uitgebreid.
5.2 Koperen koellichaam
Koperen koellichamen spelen een belangrijke rol in de warmteafvoer van zonne-omvormers dankzij hun uitstekende thermische geleidbaarheid. De thermische geleidbaarheid van koper bedraagt ​​maar liefst 398 - 401 W/(m·K), wat veel hoger is dan die van aluminiumlegeringen, en kan warmte efficiënter geleiden. In zonne-omvormers met een hoge vermogensdichtheid, zoals apparaten met een vermogen van meer dan 20 kW, kunnen koperen koellichamen de warmte die door elektrische apparaten wordt gegenereerd snel afvoeren om een ​​stabiele werking van de apparatuur in omgevingen met hoge temperaturen te garanderen. Bijvoorbeeld, nadat een zonne-omvormer van 25 kW een koperen koellichaam heeft gebruikt, is de interne temperatuur ongeveer 10 °C lager dan die van een koellichaam van aluminiumlegering, wat de prestaties en betrouwbaarheid van de omvormer aanzienlijk verbetert. Koper heeft echter een hoge dichtheid, een hoog gewicht en hoge kosten, wat het gebruik ervan in sommige gewichts- en kostengevoelige toepassingen beperkt. Bovendien is de verwerkingsmoeilijkheid van koperen koellichamen relatief groot en is nauwkeurige verwerkingstechnologie vereist om hun kwaliteit en prestaties te garanderen.
5.3 Samengesteld koellichaam
Composiet koellichaam is een nieuw type warmteafvoermateriaal dat de afgelopen jaren geleidelijk is ontstaan ​​in de warmteafvoer van zonne-omvormers. Composietmaterialen bestaan ​​meestal uit twee of meer materialen met verschillende eigenschappen, die de voordelen van elk materiaal combineren. Zo hebben koolstofvezelversterkte composietmaterialen een hoge sterkte, een lage dichtheid, een goede thermische geleidbaarheid en een uitstekende corrosiebestendigheid. De thermische geleidbaarheid kan oplopen tot 150-300 W/(m·K), wat het gewicht van de radiator effectief kan verminderen en tegelijkertijd de warmteafvoerprestaties kan garanderen. In een 10 kW zonne-omvormer is de bedrijfstemperatuur van de apparatuur na gebruik van een koolstofvezelversterkte composietradiator ongeveer 15 °C lager dan die van een traditionele aluminiumradiator, en wordt het gewicht van de radiator met ongeveer 30% verminderd. Bovendien kunnen composietradiatoren worden aangepast aan verschillende behoeften, en kunnen de warmteafvoerprestaties en mechanische eigenschappen worden geoptimaliseerd door de samenstelling en structuur van het materiaal aan te passen. Het productieproces van composietradiatoren is echter relatief complex en de kosten hoog. Momenteel worden ze vooral gebruikt in hoogwaardige zonneomvormerproducten met hoge eisen aan warmteafvoer en een licht gewicht.

6. Selectie en optimalisatie van warmteafvoertechnologie

6.1 Selectie van warmteafvoermethoden voor omvormers met verschillende vermogens
Bij de keuze van warmteafvoermethoden voor zonne-omvormers moet rekening worden gehouden met factoren zoals vermogen, installatieomgeving en kosten. Voor omvormers met verschillende vermogensbereiken zijn er verschillende geschikte warmteafvoertechnologieën.
Omvormers met een laag vermogen (minder dan 5 kW): meestal wordt natuurlijke koeling gebruikt. Dit type omvormer genereert minder warmte en natuurlijke koeling kan aan de warmteafvoer voldoen. Voordelen zijn een eenvoudige constructie, lage kosten en hoge betrouwbaarheid. Zo kan een kleine omvormer voor zonne-energie voor thuisgebruik met een vermogen van 3 kW effectief gebruikmaken van natuurlijke convectie door het ontwerp van de behuizing te optimaliseren en het oppervlak van de koelplaat te vergroten, zodat de apparatuur stabiel werkt bij een normale omgevingstemperatuur.
Omvormers met een gemiddeld vermogen (5 kW - 20 kW): geforceerde luchtkoeling is een geschiktere keuze. Omvormers met een gemiddeld vermogen genereren meer warmte en natuurlijke koeling is moeilijk te voldoen aan de warmteafvoerbehoefte, terwijl geforceerde luchtkoeling de warmteafvoerefficiëntie aanzienlijk kan verbeteren. Neem bijvoorbeeld een 10 kW zonne-omvormer: na gebruik van geforceerde luchtkoeling kan de interne temperatuur met ongeveer 20 °C worden verlaagd in vergelijking met natuurlijke koeling, wat de stabiliteit en levensduur van de omvormer effectief verbetert. Bovendien kan de warmteafvoer verder worden verbeterd door het ontwerp van het luchtkanaal te optimaliseren, zoals het plaatsen van een geleideplaat en het gebruik van een meerkanaals luchtkanaal.
Omvormers met een hoog vermogen (meer dan 20 kW): vloeistofkoeling en heatpipe-warmteafvoertechnologie zijn de belangrijkste warmteafvoermethoden. Omvormers met een hoog vermogen genereren veel warmte en vereisen een extreem hoge warmteafvoerefficiëntie. Vloeistofkoeling heeft een hoge warmteafvoerefficiëntie en kan de interne temperatuur van de omvormer op een laag niveau regelen. Bijvoorbeeld, in grote zonne-omvormers met een vermogen van meer dan 50 kW kan vloeistofkoeling de interne temperatuur onder de 50 °C houden, terwijl luchtkoeling het moeilijk kan vinden om zo'n lage temperatuur te bereiken. Heatpipe-warmteafvoertechnologie heeft de voordelen van een hoge warmteoverdrachtsefficiëntie, compacte structuur en hoge betrouwbaarheid, en kan het warmteafvoerprobleem effectief oplossen bij een hoge vermogensdichtheid en beperkte ruimte. In praktische toepassingen kunnen vloeistofkoeling en heatpipe-warmteafvoertechnologie ook in combinatie worden gebruikt om het warmteafvoereffect verder te verbeteren.
6.2 Simulatie en optimalisatie van warmteafvoersysteem
Simulatie en optimalisatie van warmteafvoersystemen is een belangrijk middel om de warmteafvoerprestaties van zonne-omvormers te verbeteren. Door middel van computersimulatie en -analyse kan de haalbaarheid van warmteafvoeroplossingen vooraf worden geëvalueerd, kan het ontwerp van het warmteafvoersysteem worden geoptimaliseerd en kunnen R&D-kosten en -tijd worden verlaagd.
Simulatietools en -methoden: Computational Fluid Dynamics (CFD)-software is een veelgebruikte simulatietool voor warmteafvoersystemen. Het kan de lucht- en vloeistofstroom en het warmteoverdrachtsproces simuleren en biedt een wetenschappelijke basis voor het ontwerp van warmteafvoersystemen. Bijvoorbeeld, bij het ontwerp van een systeem voor geforceerde luchtkoeling kan de lay-out van de luchtkanalen worden geoptimaliseerd door de luchtstroom in de omvormer te simuleren met behulp van CFD-software. Dit voorkomt kortsluiting in de luchtstroom of lokale wervelstroomverschijnselen. Bij het ontwerp van een vloeistofkoelsysteem kan CFD-software de koelmiddelstroom en het warmteoverdrachtsproces simuleren en de structuur en afmetingen van de koelplaat, radiator en andere componenten optimaliseren.
Optimalisatiestrategie: Volgens de simulatieresultaten kunnen verschillende optimalisatiestrategieën worden toegepast om de prestaties van het koelsysteem te verbeteren. Voor geforceerde luchtkoeling kan de warmteafvoer worden verbeterd door het aantal ventilatoren te verhogen, de ventilatorsnelheid te verhogen, het ontwerp van de luchtkanalen te optimaliseren, enz. Zo kan de luchtstroom worden verhoogd en het warmteafvoereffect worden verbeterd door twee ventilatoren parallel of in serie aan te sluiten. Voor vloeistofkoelsystemen kunnen de warmteafvoerprestaties worden verbeterd door de circulatie van het koelmiddel te optimaliseren, het warmteafvoeroppervlak van de radiator te vergroten, de structuur van de koelplaat te verbeteren, enz. Bovendien kan het warmteafvoereffect verder worden verbeterd door geschikte warmteafvoermaterialen te selecteren en het oppervlaktebehandelingsproces van de radiator te optimaliseren.
Praktische toepassing: Met een 25 kW zonne-omvormer als voorbeeld werd het warmteafvoersysteem gesimuleerd en geanalyseerd met behulp van CFD-software. Hieruit bleek dat het oorspronkelijke luchtkoelsysteem een ​​lokaal wervelstroomfenomeen had, wat resulteerde in een lage warmteafvoerefficiëntie. Volgens de simulatieresultaten werd het ontwerp van de luchtkanalen geoptimaliseerd, werden geleidingsplaten en meerkanaals luchtkanalen toegevoegd en werd het warmteafvoeroppervlak van de radiator met 20% vergroot. Dit verbeterde de warmteafvoer van de omvormer met meer dan 30% en verlaagde effectief het uitvalpercentage als gevolg van slechte warmteafvoer.

7. Samenvatting
Er bestaan ​​verschillende warmteafvoertechnologieën voor zonne-energieomvormers, en elke technologie heeft zijn eigen unieke voordelen en toepassingsscenario's. Natuurlijke koeling is geschikt voor omvormers met een laag vermogen, een lage warmteontwikkeling of een lage omgevingstemperatuur vanwege de eenvoudige constructie, lage kosten en hoge betrouwbaarheid. Geforceerde luchtkoeling maakt gebruik van ventilatoren om de luchtstroom te forceren, en de warmteafvoerefficiëntie is vele malen hoger dan die van natuurlijke koeling. Het is geschikt voor omvormers met een gemiddeld vermogen. Door het ontwerp van de luchtkanalen te optimaliseren, kunnen de warmteafvoerprestaties verder worden verbeterd. Vloeistofkoeling heeft een hoge warmteafvoerefficiëntie en kan de interne temperatuur van de omvormer op een laag niveau regelen. Het is geschikt voor omvormers met een hoog vermogen en een hoge dichtheid. Heatpipe-warmteafvoertechnologie heeft een hoge warmteoverdrachtsefficiëntie, een compacte constructie en een hoge betrouwbaarheid, wat het warmteafvoerprobleem bij een hoge vermogensdichtheid en beperkte ruimte effectief kan oplossen. Nieuwe warmteafvoermaterialen zoals aluminiumlegering, koper en composietmaterialen hebben hun eigen kenmerken. Radiatoren van aluminiumlegering beschikken over een beproefde verwerkingstechnologie en zijn goedkoop, terwijl radiatoren van koper een uitstekende thermische geleidbaarheid hebben. Composietradiatoren hebben meerdere voordelen en zijn licht van gewicht, waardoor ze kunnen worden geselecteerd op basis van verschillende behoeften.
In praktische toepassingen vereist de selectie van de juiste warmteafvoertechnologie uitgebreide aandacht voor factoren zoals het vermogen, de installatieomgeving en de kosten van de omvormer. Omvormers met een laag vermogen maken meestal gebruik van natuurlijke koeling, omvormers met een gemiddeld vermogen zijn geschikt voor geforceerde luchtkoeling en omvormers met een hoog vermogen maken voornamelijk gebruik van vloeistofkoeling en heatpipe-warmteafvoertechnologie. Bovendien is de simulatie en optimalisatie van het warmteafvoersysteem een ​​belangrijk middel om de warmteafvoerprestaties te verbeteren. Door middel van simulatie en analyse met behulp van computationele vloeistofdynamica (CFD) kan de haalbaarheid van de warmteafvoeroplossing vooraf worden geëvalueerd, kan het ontwerp van het warmteafvoersysteem worden geoptimaliseerd en kunnen de R&D-kosten en -tijd worden verlaagd. In de toekomst, dankzij de voortdurende technologische vooruitgang en innovatie, zal de warmteafvoertechnologie van zonne-omvormers efficiënter en betrouwbaarder zijn, wat een sterke garantie biedt voor de stabiele werking van zonne-energieopwekkingssystemen.