Vilka är värmeavledningsteknikerna för solväxelriktare?

Vilka är värmeavledningsteknikerna för solväxelriktare?

1. Naturlig kylteknik

1.1 Arbetsprincip
Naturlig kylningsteknik är ett grundläggande sätt för solväxelriktare att avleda värme, vilket huvudsakligen är beroende av naturlig konvektion av luft för att uppnå värmeavledning.Solväxelriktaregenerera värme under drift, vilket kommer att öka temperaturen på den omgivande luften och därigenom bilda varm luft. Eftersom densiteten av varm luft är mindre än den för kall luft, kommer varm luft naturligt att stiga, och kall luft kommer att fyllas på för att bilda en konvektionscykel. Denna konvektionscykel kan föra värmen inuti växelriktaren till den yttre miljön och därigenom uppnå värmeavledning.
Naturlig kylteknik kräver ingen extra kraftutrustning, såsom fläktar eller pumpar, så den har fördelarna med enkel struktur, låg kostnad och hög tillförlitlighet. Dess värmeavledningseffektivitet är dock relativt låg, och den är främst lämplig för tillfällen med låg värmegenerering eller låg omgivningstemperatur. I praktiska tillämpningar, för att förbättra effekten av naturlig kylning, används vanligtvis vissa hjälpåtgärder. Till exempel, genom att optimera utformningen av växelriktarhöljet och öka ytarean på kylflänsen, kan kontaktytan mellan luften och växelriktarhöljet effektivt ökas, och därigenom förbättra värmeavledningseffektiviteten. Dessutom kan en rimlig layout av växelriktarens installationsposition för att säkerställa att det finns tillräckligt med utrymme runt den för luftflöde också bidra till att förbättra effekten av naturlig kylning.

2. Forcerad luftkylningsteknik

2.1 Fläktens värmeavledningsprincip
Forcerad luftkylningsteknik är ett av de viktiga sätten att avleda värme i solväxelriktare. Dess kärna är att använda fläktar för att tvinga luftflödet och påskynda värmeavledningen inuti växelriktaren. Fläkten genererar luftflöde genom att rotera, släpper snabbt ut den varma luften inuti växelriktaren och introducerar extern kall luft för att bilda en effektiv konvektionsvärmeväxlingsprocess. Studier har visat att värmeavledningseffektiviteten för forcerad luftkylning är flera gånger högre än för naturlig kylning, speciellt lämplig för växelriktare med stor värmeutveckling. Till exempel, i en solomriktare med en effekt på 10kW, efter användning av forcerad luftkylningsteknik, kan dess inre temperatur minskas med cirka 20 ℃ jämfört med naturlig kylning, vilket avsevärt förbättrar växelriktarens stabilitet och livslängd.
2.2 Designoptimering av luftkanaler
Luftkanaldesign är avgörande för effekten av forcerad luftkylning. Rimlig luftkanalslayout kan säkerställa att luftflödet passerar smidigt och effektivt genom växelriktaren, vilket undviker kortslutning i luftflödet eller lokalt virvelfenomen. I den faktiska designen används vanligtvis programvara för beräkningsfluiddynamik (CFD) för simuleringsanalys för att optimera formen och storleken på luftkanalen. Till exempel, genom att sätta en styrplatta inuti växelriktaren, kan luftflödet styras att strömma längs en förutbestämd bana, vilket gör värmefördelningen mer enhetlig. Dessutom kan flerkanaligt luftkanaldesign öka luftflödets flödesarea och ytterligare förbättra värmeavledningseffektiviteten. Experiment visar att den optimerade luftkanaldesignen kan förbättra växelriktarens värmeavledningsprestanda med mer än 30 %, vilket effektivt minskar felfrekvensen orsakad av dålig värmeavledning.

3. Vätskekylningsteknik

3.1 Princip för kylvätskecirkulation
Vätskekylningsteknik absorberar och avleder värmen som genereras av solomriktaren genom cirkulationen av kylvätska. När kylvätskan cirkulerar i systemet strömmar den genom växelriktarens värmealstrande komponenter och temperaturen stiger efter att ha absorberat värme. Därefter kommer kylvätskan in i radiatorn, där den utbyter värme med den omgivande miljön och leder bort värmen i luften och uppnår därmed värmeöverföring och avledning. Denna cirkulationsprocess kan effektivt ta bort värmen inuti växelriktaren och hålla utrustningen igång inom ett lämpligt temperaturområde. Jämfört med luftkylningsteknik har vätskekylningstekniken högre värmeavledningseffektivitet, speciellt lämplig för solväxelriktare med hög effekt och hög densitet. Till exempel, i stora solomriktare med en effekt som överstiger 50kW, kan flytande kylningsteknik kontrollera den inre temperaturen under 50 ℃, medan luftkylningstekniken kan ha svårt att nå en så låg temperatur. Dessutom har flytande kylteknik hög värmeledningsförmåga, och kylvätskans specifika värmekapacitet är stor, vilket kan absorbera mer värme, vilket gör värmeavledningsprocessen mer stabil och effektiv.
3.2 Sammansättning av vätskekylsystem
Vätskekylsystemet består huvudsakligen av kylvätska, kylplatta, cirkulationspump, kylare och rörledning. Kylvätskan är kärnmediet i det flytande kylsystemet, vanligtvis vatten, etylenglykol eller specialkylvätska, som har god värmeledningsförmåga och kemisk stabilitet. Kylplattan är i direkt kontakt med växelriktarens värmealstrande komponenter för att överföra värme till kylvätskan. Den är vanligtvis gjord av koppar eller aluminium med hög värmeledningsförmåga. Cirkulationspumpen tillhandahåller kraft för cirkulationen av kylvätskan för att säkerställa att kylvätskan kan flöda kontinuerligt. Radiatorn är platsen där kylvätskan utbyter värme med luften och antar vanligtvis en fenstruktur för att öka värmeavledningsytan och förbättra värmeavledningseffektiviteten. Rörledningen används för att ansluta de olika komponenterna i systemet för att säkerställa ett jämnt flöde av kylvätskan. Ett komplett vätskekylningssystem kan uppnå effektiv värmeavledning och stabil drift. Om man tar vätskekylsystemet i en 30kW solomriktare som ett exempel, är kylvätskecirkulationsflödet 5 liter per timme, värmeavledningsytan på radiatorn är 0,5 kvadratmeter, och systemet kan styra växelriktarens maximala temperatur vid 45°C. Jämfört med luftkylningsteknik förbättras värmeavledningseffektiviteten med cirka 50 %, vilket avsevärt förbättrar växelriktarens prestanda och tillförlitlighet.

4. Värmeledningsteknik för värmeavledning
4.1 Arbetsprincip för värmerör
Värmeröret är ett effektivt värmeöverföringselement och dess arbetsprincip är baserad på fasändringsprocessen för den interna arbetsvätskan. Insidan av värmeröret evakueras till ett visst vakuum och fylls med en lämplig mängd arbetsvätska. När ena änden av värmeröret (förångningssektionen) värms upp absorberar arbetsvätskan värme och förångas till ånga. Ångan strömmar till andra änden (kondensationssektionen) under inverkan av en liten tryckskillnad, avger värme i kondensationssektionen och kondenserar igen till vätska. Vätskan strömmar sedan tillbaka till förångningssektionen med kapillärkraft eller gravitation för att slutföra en cykel. Denna process gör det möjligt för värmeröret att snabbt överföra värme från den varma änden till den kalla änden, och dess värmeledningsförmåga kan vara så hög som 10^4 - 10^6 W/(m·K), vilket är mycket högre än för vanliga metallmaterial. Till exempel, i en solomriktare, kan värmeröret snabbt överföra värmen som genereras av kraftenheten till radiatorn, så att temperaturen på kraftenheten kan kontrolleras effektivt. Jämfört med traditionella värmeavledningsmetoder har värmeledningsvärmeavledningsteknik fördelarna med hög värmeöverföringseffektivitet, kompakt struktur och hög tillförlitlighet. Det kan effektivt lösa värmeavledningsproblemet för solväxelriktare under hög effekttäthet och begränsade utrymmesförhållanden.
4.2 Värmerörsmaterial och konstruktioner
Prestandan hos värmerör beror till stor del på deras material och strukturer. Värmerörets skal är vanligtvis tillverkat av metallmaterial med hög värmeledningsförmåga och goda mekaniska egenskaper, såsom koppar eller aluminium. Koppar har en hög värmeledningsförmåga och god kompatibilitet med arbetsvätskan, men har en hög densitet; aluminium har en låg densitet och låg vikt, men en relativt låg värmeledningsförmåga. Enligt olika applikationsscenarier och krav kan lämpliga material väljas. Arbetsvätskan inuti värmeröret är vanligtvis vatten, etanol, aceton, etc. Dessa vätskor har en låg kokpunkt och ett högt latent förångningsvärme och kan uppnå effektiv fasförändringsvärmeöverföring under en liten temperaturskillnad. Värmerörets struktur inkluderar huvudsakligen en förångningssektion, en isoleringssektion och en kondensationssektion. Förångningssektionen är den del där värmeröret absorberar värme och är vanligtvis utformad med en kapillärstruktur, såsom sintrat metallpulver, spår, etc., för att öka vätskans kapillärkraft och främja återflödet av vätskan. Kondensationssektionen är den del där värmeröret avger värme, och dess strukturella utformning bör främja värmeavledning, såsom användning av fenstrukturer. Isoleringsdelens funktion är att minska värmeöverföringen i värmerörets längdriktning och förbättra värmeöverföringseffektiviteten hos värmeröret. Dessutom kan värmeröret också optimeras enligt olika behov, såsom att använda mikrokanalvärmepipor, värmerörsarrayer och andra strukturer för att ytterligare förbättra värmeavledningsprestandan. I värmeavledningstillämpningen av solomriktare kan det rimliga urvalet och designen av värmerörens material och strukturer ge full spel åt värmeledningarnas fördelar med värmeavledning och uppfylla växelriktarens värmeavledningskrav under olika arbetsförhållanden.

5. Applicering av nya värmeavledningsmaterial

5.1 Aluminiumlegering kylfläns
Kylflänsar av aluminiumlegering används i stor utsträckning inom området för värmeavledning av solväxelriktare. Aluminiumlegering har egenskaperna låg densitet och låg vikt, vilket är lätt att installera och transportera. Dess värmeledningsförmåga är hög, och den kan snabbt överföra värme till kylflänsens yta och utbyta värme med luften. Till exempel kan värmeledningsförmågan hos kylflänsen gjord av 6063 aluminiumlegering nå 200-237 W/(m·K). I en liten solomriktare med en effekt på 5kW, efter att ha använt en kylfläns av aluminiumlegering, är temperaturen på utrustningen under drift cirka 30 ℃ lägre än den utan kylfläns, vilket effektivt förbättrar växelriktarens stabilitet och livslängd. Dessutom är bearbetningstekniken för kylflänsar av aluminiumlegering mogen, kostnaden är relativt låg och den är lämplig för storskalig produktion. Genom ytbehandlingsprocesser som anodisering kan dess korrosionsbeständighet och estetik också förbättras, vilket ytterligare utökar dess användningsområde.
5.2 Koppar kylfläns
Koppar kylflänsar spelar en viktig roll i värmeavledningen av solomriktare med deras utmärkta värmeledningsförmåga. Den termiska ledningsförmågan för koppar är så hög som 398 - 401 W/(m·K), vilket är mycket högre än för aluminiumlegering, och kan leda värme mer effektivt. I solväxelriktare med hög effekttäthet, såsom enheter med en effekt på mer än 20kW, kan kopparkylflänsar snabbt avleda värmen som genereras av kraftenheter för att säkerställa stabil drift av utrustningen i högtemperaturmiljöer. Till exempel, efter att en 25kW solomriktare använder en kopparkylfläns, är dess inre temperatur cirka 10 ℃ lägre än för en kylfläns av aluminiumlegering, vilket avsevärt förbättrar växelriktarens prestanda och tillförlitlighet. Koppar har dock en hög densitet, tung vikt och hög kostnad, vilket begränsar dess användning i vissa vikt- och kostnadskänsliga tillämpningsscenarier. Dessutom är bearbetningssvårigheten för kopparkylflänsar relativt stor, och exakt bearbetningsteknik krävs för att säkerställa deras kvalitet och prestanda.
5.3 Komposit kylfläns
Komposit kylfläns är en ny typ av värmeavledningsmaterial som successivt har vuxit fram inom området för värmeavledning av solinverter under de senaste åren. Kompositmaterial är vanligtvis sammansatta av två eller flera material med olika egenskaper, vilket kombinerar fördelarna med varje material. Till exempel har kolfiberförstärkta kompositmaterial hög hållfasthet, låg densitet, god värmeledningsförmåga och utmärkt korrosionsbeständighet. Dess värmeledningsförmåga kan nå 150-300 W/(m·K), vilket effektivt kan minska kylarens vikt samtidigt som värmeavledningsprestanda säkerställs. I en 10kW solväxelriktare, efter att ha använt en kolfiberförstärkt kompositradiator, är utrustningens driftstemperatur cirka 15 ℃ lägre än den för en traditionell aluminiumlegering, och kylarens vikt reduceras med cirka 30 %. Dessutom kan kompositradiatorer anpassas efter olika behov, och värmeavledningsprestanda och mekaniska egenskaper kan optimeras genom att justera materialets sammansättning och struktur. Tillverkningsprocessen för kompositradiatorer är dock relativt komplex och kostnaden är hög. För närvarande används de huvudsakligen i avancerade solinverterprodukter med höga krav på värmeavledningsprestanda och låg vikt.

6. Val och optimering av värmeavledningsteknik

6.1 Val av värmeavledningsmetoder för växelriktare med olika effekt
Valet av värmeavledningsmetoder för solomriktare måste överväga faktorer som effektstorlek, installationsmiljö och kostnad. För växelriktare med olika effektområden är lämpliga värmeavledningstekniker olika.
Lågeffektväxelriktare (mindre än 5kW): naturlig kylningsteknik används vanligtvis. Denna typ av växelriktare genererar mindre värme och naturlig kylning kan tillgodose dess behov av värmeavledning. Det har också fördelarna med enkel struktur, låg kostnad och hög tillförlitlighet. Till exempel kan en liten hushållssolväxelriktare med en effekt på 3kW effektivt utnyttja naturlig konvektionsvärmeavledning genom att optimera skaldesignen och öka ytarean på kylflänsen för att säkerställa att utrustningen fungerar stabilt vid normal omgivningstemperatur.
Växelriktare med medium effekt (5kW - 20kW): forcerad luftkylningsteknik är ett lämpligare val. Medelkraftiga växelriktare genererar mer värme och naturlig kylning är svår att tillgodose värmeavledningsbehoven, medan forcerad luftkylning avsevärt kan förbättra värmeavledningseffektiviteten. Med en 10kW solomriktare som exempel, efter att ha använt forcerad luftkylningsteknik, kan dess inre temperatur sänkas med cirka 20 ℃ jämfört med naturlig kylning, vilket effektivt förbättrar växelriktarens stabilitet och livslängd. Dessutom, genom att optimera luftkanaldesignen, såsom att sätta en styrplatta och använda en flerkanalig luftkanal, kan värmeavledningsprestandan förbättras ytterligare.
Högeffektsväxelriktare (större än 20kW): vätskekylningsteknik och värmeledningsteknik för värmeavledning är de viktigaste värmeavledningsmetoderna. Högeffektsväxelriktare genererar mycket värme och kräver extremt hög värmeavledningseffektivitet. Vätskekylningsteknik har hög värmeavledningseffektivitet och kan styra växelriktarens inre temperatur på en låg nivå. Till exempel, i stora solomriktare med en effekt på mer än 50kW kan vätskekylningsteknik styra den inre temperaturen under 50°C, medan luftkylningsteknik kan ha svårt att nå en så låg temperatur. Värmeledningsvärmeavledningsteknik har fördelarna med hög värmeöverföringseffektivitet, kompakt struktur och hög tillförlitlighet, och kan effektivt lösa värmeavledningsproblemet under hög effekttäthet och begränsade utrymmesförhållanden. I praktiska tillämpningar kan vätskekylningsteknik och värmeledningsteknik för värmeavledning också användas i kombination för att ytterligare förbättra värmeavledningseffekten.
6.2 Simulering och optimering av värmeavledningssystem
Simulering och optimering av värmeavledningssystem är ett viktigt sätt att förbättra värmeavledningsprestandan hos solomriktare. Genom datorsimulering och analys kan genomförbarheten av värmeavledningslösningar utvärderas i förväg, designen av värmeavledningssystem kan optimeras och FoU-kostnader och tid kan minskas.
Simuleringsverktyg och metoder: Computational fluid dynamics (CFD) programvara är ett vanligt använt simuleringsverktyg för värmeavledningssystem. Det kan simulera luft- och vätskeflödet och värmeöverföringsprocessen, vilket ger en vetenskaplig grund för utformningen av värmeavledningssystem. Till exempel, vid konstruktionen av ett forcerat luftkylsystem, genom att simulera luftflödet inuti växelriktaren genom CFD-programvara, kan luftkanalens layout optimeras för att undvika kortslutning av luftflödet eller lokala virvelströmsfenomen. Vid utformningen av vätskekylsystem kan CFD-programvara simulera kylvätskeflödet och värmeväxlingsprocessen och optimera strukturen och storleken på kylplattan, kylaren och andra komponenter.
Optimeringsstrategi: Enligt simuleringsresultaten kan en mängd olika optimeringsstrategier antas för att förbättra kylsystemets prestanda. För forcerat luftkylningssystem kan värmeavledningseffektiviteten förbättras genom att öka antalet fläktar, öka fläkthastigheten, optimera luftkanalens design etc. Till exempel kan luftflödet ökas och värmeavledningseffekten kan förbättras genom att två fläktar kopplas parallellt eller i serie. För flytande kylsystem kan värmeavledningsprestandan förbättras genom att optimera kylvätskans cirkulationsflöde, öka radiatorns värmeavledningsarea, förbättra kylplattans struktur, etc. Dessutom kan värmeavledningseffekten förbättras ytterligare genom att välja lämpliga värmeavledningsmaterial och optimera ytbehandlingsprocessen för radiatorn.
Praktiskt tillämpningsfall: Med en 25kW solomriktare som exempel simulerades och analyserades värmeavledningssystemet genom CFD-mjukvara, och det visade sig att det ursprungliga luftkylningssystemet hade ett lokalt virvelströmsfenomen, vilket resulterade i låg värmeavledningseffektivitet. Enligt simuleringsresultaten optimerades luftkanaldesignen, styrplattor och flerkanaliga luftkanaler lades till, och radiatorns värmeavledningsarea ökades med 20%, vilket förbättrade växelriktarens värmeavledningsprestanda med mer än 30%, vilket effektivt minskade felfrekvensen orsakad av dålig värmeavledning.

7. Sammanfattning
Det finns olika värmeavledningstekniker för solväxelriktare, och varje teknik har sina unika fördelar och tillämpliga scenarier. Naturlig kylteknik är lämplig för lågeffektsväxelriktare med låg värmegenerering eller låg omgivningstemperatur på grund av sin enkla struktur, låga kostnad och höga tillförlitlighet. Forcerad luftkylningsteknik använder fläktar för att tvinga luftflödet, och dess värmeavledningseffektivitet är flera gånger högre än naturlig kylning. Den är lämplig för växelriktare med medium effekt. Genom att optimera luftkanaldesignen kan värmeavledningsprestandan förbättras ytterligare. Vätskekylningsteknik har hög värmeavledningseffektivitet och kan styra växelriktarens inre temperatur på en låg nivå. Den är lämplig för växelriktare med hög effekt och hög densitet. Värmerörsvärmeavledningsteknik har hög värmeöverföringseffektivitet, kompakt struktur och hög tillförlitlighet, vilket effektivt kan lösa värmeavledningsproblemet under hög effekttäthet och begränsade utrymmesförhållanden. Nya värmeavledningsmaterial som aluminiumlegering, koppar och kompositmaterial har sina egna egenskaper. Aluminiumlegeringsradiatorer har mogen bearbetningsteknik och låg kostnad, kopparradiatorer har utmärkt värmeledningsförmåga och kompositradiatorer har flera fördelar och är lätta, som kan väljas enligt olika behov.
I praktiska tillämpningar kräver valet av lämplig värmeavledningsteknik omfattande övervägande av faktorer som effektstorlek, installationsmiljö och kostnad för omriktaren. Lågeffektsväxelriktare använder vanligtvis naturlig kylningsteknik, medelkraftiga växelriktare är lämpliga för forcerad luftkylningsteknik, och högeffektsväxelriktare använder huvudsakligen vätskekylningsteknik och värmeledningsteknik för värmeavledning. Dessutom är simulering och optimering av värmeavledningssystemet ett viktigt medel för att förbättra värmeavledningsprestandan. Genom simulering och analys av mjukvara för beräkningsfluiddynamik (CFD) kan värmeavledningslösningens genomförbarhet utvärderas i förväg, designen av värmeavledningssystemet kan optimeras och FoU-kostnaden och tiden kan minskas. I framtiden, med den kontinuerliga utvecklingen och innovationen av teknik, kommer värmeavledningstekniken för solenergiomriktare att bli mer effektiv och pålitlig, vilket ger en stark garanti för stabil drift av solenergisystem.