Google+

Milwaukee

Współczesne falowniki fotowoltaiczne osiągają coraz wyższe sprawności, niemniej jednak, w wyniku strat związanych z działaniem układów elektronicznych wydzielają one duże ilości ciepła i dlatego wymagają intensywnego chłodzenia. W konstrukcjach produkowanych w ostatnich latach nadal najczęściej spotyka się chłodzenie wymuszone (aktywne), a niniejszy artykuł odpowiada na pytanie dlaczego ma ono więcej zalet, niż chłodzenie pasywne.

dlaczego-chlodzenie-aktywne-jest-lepsze-w-falownikach-pv

Definicje

Chłodzenie aktywne zawiera wentylator wymuszający przepływ powietrza w bezpośrednim otoczeniu powierzchni radiatora, ułatwiając odprowadzanie z niego ciepła. W starszych falownikach wentylator miał stałą prędkość obrotową, w nowszych: prędkość obrotowa wentylatora jest regulowana automatycznie zależnie od temperatury mierzonej na radiatorze. Co ważne, odpowiednia konstrukcja kanałów wentylacyjnych radiatora eliminuje kontakt przepływającego powietrza z układami i elementami elektronicznymi wewnątrz falownika, dzięki temu unika się ich zakurzenia lub zabrudzenia.
Chłodzenie pasywne polega na odprowadzaniu ciepła tylko w wyniku konwekcji swobodnej powietrza wokół radiatora. Układ taki wymaga wydajnego radiatora, który może stanowić znaczną część objętości falownika i ponad połowę jego wagi. Jest to element, który nagrzewa się do tak wysokich temperatur, że jego dotknięcie grozi poparzeniem. Mimo koncepcji pasywnego chłodzenia głównego radiatora, w wielu konstrukcjach wewnątrz obudowy montowany jest wentylator, który zapewnia cyrkulację powietrza i eliminuje możliwość powstania punktowych miejsc o bardzo wysokiej temperaturze, tzw. hot-spotów.
Na rysunku 2 przedstawiono porównanie procesu oddawania ciepła – wykonane kamerą termowizyjną – w przypadku chłodzenia aktywnego i pasywnego. W tym drugim wypadku chłodzony element ma znacznie (ok. 10°C) wyższą temperaturę.

Wpływ temperatury na żywotność urządzeń elektronicznych

Rys. 1. Ograniczenie mocy wyjściowej w funkcji temperatury otoczenia Rys. 1. Ograniczenie mocy wyjściowej w funkcji temperatury otoczenia

Elementy elektroniczne, w tym urządzenia półprzewodnikowe, rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne i inne są podatne na uszkodzenia w wyniku przegrzania. Przewidywana żywotność jakiegokolwiek elementu, a co za tym idzie: całego produktu zbudowanego z tych elementów silnie zależy od temperatury w jakiej one pracują. W rzeczywistości podwyższenie temperatury o 10 stopni Celsjusza jest powszechnie uznawane za zmniejszenie żywotności urządzenia o połowę. Podobnie, obniżenie temperatury o 10 stopni może podwoić oczekiwaną żywotność.
temperatura+10°C=(czas życia)/2

Dlaczego temperatura ma aż takie znaczenie?

Rys. 2. Różnice w rozkładzie temperatur dla chłodzenia aktywnego i pasywnego Rys. 2. Różnice w rozkładzie temperatur dla chłodzenia aktywnego i pasywnego

Obszar inżynierii niezawodności dostarcza wielu narzędzi do oszacowania średniego czasu do awarii (ang. Mean Time To Failure, MTTF) oraz średniego czasu między awarią (ang. Mean Time Between Failure, MTBF) dla danego produktu, a temperatura zawsze stanowi kluczowy czynnik w tych obliczeniach. Dlatego inżynierowie zawsze określają maksymalną temperaturę roboczą dla produktów elektronicznych.
Dla przykładu produkt przetwarzający energię został zaprojektowany do pracy w środowisku o temperaturze do 50° Celsjusza przy założeniu MTBF, np. 20 000 godzin. Działanie produktu przy 60°C skutecznie skróci czas jego życia o połowę. Alternatywnie, jeśli otoczenie zostałoby schłodzone do 40°C, MTBF może zostać wydłużony do 40 000 godzin.
Na temperaturę elementu elektronicznego wpływa temperatura otoczenia, ciepło wytwarzane przez sam element i skuteczność odbierania ciepła przez system chłodzenia. Temperatura komponentu może być zmniejszona poprzez poprawę któregokolwiek z tych czynników, a to bezpośrednio przekłada się na jego dłuższą żywotność. Bardziej wydajny komponent wydzieli mniej ciepła, a aktywny system chłodzenia jest w stanie szybciej odebrać ciepło.

Zabezpieczenie przed przegrzaniem – ograniczenie mocy wyjściowej

Rys. 3. Straty wynikające z ograniczenia mocy wyjściowej w upalne dni Rys. 3. Straty wynikające z ograniczenia mocy wyjściowej w upalne dni

Dodatkowym zabezpieczeniem, w które wyposażone są falowniki, jest zaprogramowana funkcja ograniczania mocy wyjściowej uzależniona od temperatury mierzonej bezpośrednio na radiatorze. W przypadku gdyby wartość ta była zbyt duża i zagrażała bezpieczeństwu komponentów falownika, moc wyjściowa jest ograniczana, proporcjonalnie zmniejszając również straty energii, czyli główną przyczynę zbyt wysokiej temperatury. W kartach katalogowych wiodących producentów falowników podawana jest taka charakterystyka, i z reguły jest ona odnoszona do temperatury otoczenia, ponieważ taką temperaturę użytkownik lub instalator może łatwo zmierzyć (rys. 1). Warto zauważyć, że w przypadku chłodzenia pasywnego ograniczenie mocy wyjściowej następuje przy znacznie niższych temperaturach.
Jest to bardzo istotny parametr, ponieważ bezpośrednio przekłada się na mniejsze uzyski energii z instalacji fotowoltaicznej. Straty wynikające z ograniczania mocy wyjściowej aktywowanego w niskich temperaturach otoczenia (25-30°C) mogą sięgnąć nawet ,strong>15%! Na rysunku 3 przedstawiono porównanie przebiegu mocy wyjściowej rzeczywistej elektrowni <100kWp uzależnionej od temperatury otoczenia. Symulowany przebieg mocy wyjściowej dla falownika z chłodzeniem pasywnym wykazuje znacznie niższe wartości dla temperatur otoczenia powyżej 25°C, a to przekłada się bezpośrednio na uzyski energii.

Zalety chłodzenia aktywnego - podsumowanie

Każdorazowo decydując się na zastosowanie konkretnego modelu falownika warto uprzednio szczegółowo zapoznać się z kartą katalogową urządzenia oraz instrukcją jego montażu. W przypadku naziemnych instalacji PV zaleca się instalowanie falowników na konstrukcji wsporczej zaraz pod modułami fotowoltaicznymi. Montaż od strony północnej, pod modułami, w przewiewnym miejscu gwarantuje minimalne straty związane z grzaniem się falownika, pod warunkiem spełnienia wszystkich wymogów zdefiniowanych w instrukcji instalacji. Z kolei montaż w pomieszczeniu zamkniętym wymaga zapewnienia odpowiednio wydajnej wentylacji – również określonej w instrukcji instalacji. W obu przypadkach stosowanie falowników z chłodzeniem aktywnym znacznie upraszcza spełnienie tych wymogów.

Chłodzenie aktywneChłodzenie aktywne
Niższy koszt obsługi na przestrzeni wielu lat – praktycznie nie ma konieczności wykonywania czynności serwisowychNawet raz na pół roku wymagane jest czyszczenie radiatorów z kurzu i brudu, aby zapewnić maksymalną wartość oddawanego ciepła. Takie czynności serwisowe powodują duży koszt na przestrzeni kilkunastu lat działania elektrowni, natomiast brak ich przeprowadzenia może skutkować utratą gwarancji
Łatwość montażu – falownik jest mniejszy i lżejszy.Duży radiator może stanowić ponad połowę wagi całego falownika.
Większe bezpieczeństwo obsługiMożliwość poparzenia od gorącego radiatora.
Większe uzyski energii.W wysokich temperaturach pracy falownik dla bezpieczeństwa będzie ograniczał swoją moc wyjściową, a tym samym przetwarzał mniej energii.
Większa swoboda montażu – nawet w pozycji horyzontalnej.Dla zapewnienia wydajnego chłodzenia falownik musi zostać zainstalowany w sposób, który zapewni sugerowany przez producenta zakres temperatur otoczenia, a także odstępy od podłoża, sufi tu oraz innych falowników. Łączne spełnienie wymogów może ograniczyć lub wręcz wykluczyć dane miejsce montażu.
Dłuższa żywotność elektroniki ze względu na niższą temperaturę elementów falownika.Ze względu na podwyższoną temperaturę, czas życia produktu skraca się o połowę przy każdych dodatkowych 10°C.

dr inż. Maciej Piliński
Fronius Polska

dlaczego-chlodzenie-aktywne-jest-lepsze-w-falownikach-pv

Fronius Polska Sp. z o.o.
ul. G. Eiffel’a 8
44-109 Gliwice<
tel. 32 621 07 00
e-mial: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie obsługi JavaScript.
www.fronius.pl