箱式一體化光伏逆變站通風(fēng)散熱研究

李泊佳 譚興煜 華致然

摘要：太陽(yáng)能能源是一種目前階段具備有十分廣泛的前景的再生能源。在早期建設(shè)過(guò)程當(dāng)中，光伏電站是一種較為分散式的土建形式，這樣一種形式的光伏電站具備有擴(kuò)容優(yōu)化過(guò)程較為困難、施工周期十分漫長(zhǎng)的特點(diǎn)。因此，一體化箱式的光伏電站逐漸成為我國(guó)光伏建站的基本發(fā)展方向，這樣一體化形式的光伏電站儼然已經(jīng)成為了目前階段光伏建站的一個(gè)新式發(fā)展方向。本文針對(duì)箱式一體化光伏逆變站通風(fēng)散熱進(jìn)行探討分析，以期為相關(guān)人員帶來(lái)一些參考。

關(guān)鍵詞：箱式一體化;光伏逆變站;通風(fēng)散熱

光伏發(fā)電的基礎(chǔ)成本將在一定程度上受到上網(wǎng)電價(jià)、稅收政策等多方面因素的影響，另外在光伏電站的建設(shè)初期的投資較高，并且其最終收益的回收周期常規(guī)上將要在15年左右。并且如果再適當(dāng)將碳交易、補(bǔ)貼等政策加入到其中，最終造成的實(shí)際性損失將會(huì)更多。另外，由于光伏組件當(dāng)中繼承了逆變柜、控制柜等多種設(shè)備，這也導(dǎo)致了最終電站的熱密度很高并且由于溫度的提升也導(dǎo)致部件的壽命出現(xiàn)縮短的情況。

一、通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)的一般規(guī)則

在開展通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)遵循相關(guān)行業(yè)規(guī)范[1]。在設(shè)計(jì)工作開展的初期通過(guò)將電子、電氣、通風(fēng)散熱等多方面結(jié)構(gòu)進(jìn)行平衡優(yōu)化，以此來(lái)讓總體設(shè)計(jì)達(dá)到與要求相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)。

另外，箱式一體化光伏逆變站的通風(fēng)散熱的過(guò)程應(yīng)當(dāng)更多地遵循從上向下的整體性規(guī)劃[2]。但與此同時(shí)也要開展由下網(wǎng)上的逐步形細(xì)致化設(shè)計(jì)工作。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，電站的通風(fēng)熱設(shè)計(jì)等級(jí)可以詳細(xì)劃分為系統(tǒng)級(jí)、模塊級(jí)以及板級(jí)[3]。在每一個(gè)級(jí)別的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中都應(yīng)當(dāng)詳細(xì)遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行：首先進(jìn)行相應(yīng)熱損耗的計(jì)算過(guò)程，其次計(jì)算需風(fēng)量，在確定了通風(fēng)散熱系統(tǒng)后進(jìn)行進(jìn)、出風(fēng)口的詳細(xì)設(shè)計(jì)、隨后合理確定管道尺寸—針對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型—并對(duì)最終選型情況進(jìn)行核算—在最后針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的相應(yīng)圖紙進(jìn)行繪制。除開應(yīng)用傳統(tǒng)情況下的通風(fēng)散熱方式意外嗎，通過(guò)應(yīng)用一些流場(chǎng)仿真軟件同樣可以從根本上提升通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用效率。

二、進(jìn)、出風(fēng)口設(shè)計(jì)

在行業(yè)內(nèi)部，通常規(guī)格為1MW等光伏逆變器的實(shí)際效率大約為98.5%左右[4]。一般在較為惡劣的情況當(dāng)中，由于其系統(tǒng)性所帶來(lái)的損耗大約在30KW左右，依據(jù)這樣的損耗數(shù)值來(lái)展開通風(fēng)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并不會(huì)影響到最終設(shè)計(jì)方式的有效性。

通風(fēng)量的計(jì)算方式為：

在這一公式當(dāng)中，q是在單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)際散熱量，w為在單位時(shí)間內(nèi)空氣的質(zhì)量，Cp的含義為空氣比熱容，△T代表進(jìn)風(fēng)口以及出風(fēng)口間的實(shí)際溫度差。

在單位時(shí)間內(nèi)部，空氣質(zhì)量方程在轉(zhuǎn)化為空氣密度以及空氣流量的實(shí)際表達(dá)式為：

在這一公式當(dāng)中，p為空氣密度，L代表空氣流量，通過(guò)將兩個(gè)總是綜合后可以得出空氣流量的實(shí)際表示公式為：

在這一公式當(dāng)中，p為實(shí)際過(guò)程中的損耗功率。

在本次研究過(guò)程中，出風(fēng)口以及進(jìn)風(fēng)口之間的溫度差選擇為15℃，空氣密度選擇當(dāng)溫度在25℃時(shí)的基本數(shù)據(jù)1.2kg/m3，絕干空氣比熱為1.01KJ。在1MW電站當(dāng)中的實(shí)際損耗為3KW，經(jīng)過(guò)最終計(jì)算后得出的最終空氣流量應(yīng)當(dāng)為1.65m3/s，經(jīng)過(guò)綜合考量后最終得出的數(shù)值為6000m3/s，從根本上考慮到溫度熱點(diǎn)以及通風(fēng)效率的實(shí)際存在，因此最終需要的空氣流量應(yīng)當(dāng)大于最終計(jì)算值的1.6倍。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)出口以及出風(fēng)口分別選擇設(shè)計(jì)在箱體的下部分以及上部分[5]。最終構(gòu)造呈現(xiàn)對(duì)角布置，實(shí)際設(shè)計(jì)的位置應(yīng)當(dāng)適應(yīng)結(jié)合詳細(xì)的熱分布特點(diǎn)以及具體模塊進(jìn)行綜合分析。

一體式逆變電站的進(jìn)風(fēng)口安裝過(guò)程中應(yīng)用了百葉窗防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)這樣的方式來(lái)提升進(jìn)風(fēng)阻力，同樣也會(huì)對(duì)氣流起到一定的衰減性作用。設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意必須綜合化考量防塵網(wǎng)、百葉窗等設(shè)備的有效系數(shù)，并以此為基礎(chǔ)得出最終的自由進(jìn)風(fēng)口面積，如果百葉窗的實(shí)際通風(fēng)率為0.46，那么經(jīng)過(guò)箱體最終設(shè)計(jì)后的進(jìn)風(fēng)口自由通風(fēng)面積大約在1.2㎡左右。

最終經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的箱式一體化逆變站的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)如圖一所述，進(jìn)口風(fēng)選擇應(yīng)用旋風(fēng)式結(jié)構(gòu)，這樣就可以保障在進(jìn)風(fēng)的過(guò)程中保障沙塵的過(guò)濾性能，另外，進(jìn)風(fēng)口以及逆變器的本體在經(jīng)過(guò)彈性封條進(jìn)行連接后，可以很大程度上降低風(fēng)阻的出現(xiàn)。

三、變壓器室通風(fēng)設(shè)計(jì)

在箱式一體化逆變站設(shè)計(jì)工作中，通過(guò)應(yīng)用二分裂變器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了由兩臺(tái)500KW逆變器組成的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)[6]。這樣的結(jié)構(gòu)組成十分簡(jiǎn)單房展。想要使變壓器形成安全、可靠的通風(fēng)設(shè)計(jì)，則要保障在實(shí)際設(shè)計(jì)階段，選擇應(yīng)用通過(guò)下部進(jìn)風(fēng)，再由上部出風(fēng)的設(shè)計(jì)，并應(yīng)當(dāng)在變壓器室的地段部分設(shè)計(jì)一個(gè)出風(fēng)口，通過(guò)這樣的方式來(lái)形成一個(gè)煙筒式的效應(yīng)。在變壓器室的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，最為關(guān)鍵的部分就是針對(duì)出風(fēng)口面積的詳細(xì)計(jì)算。

在這一公式當(dāng)中，L實(shí)際代表的是空氣流量，P則代表?yè)p耗的功率。Cp代表空氣比熱容，△T代表進(jìn)風(fēng)口以及出風(fēng)口間的溫度差，p代表的是空氣密度，β代表散熱有效系數(shù)，這一在一般情況下會(huì)與流體的詳細(xì)路徑擁有十分密切的聯(lián)系。

通過(guò)綜合考慮變壓器運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中的散熱以及通風(fēng)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的仿真優(yōu)化，最終的實(shí)際布置結(jié)構(gòu)如圖二所示，通風(fēng)窗在箱體內(nèi)部當(dāng)中設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)流板，通過(guò)這樣的形式讓引導(dǎo)冷風(fēng)進(jìn)入到變壓器本體當(dāng)中，變壓器室的頂部要設(shè)置一個(gè)排風(fēng)口，最終排風(fēng)口選用為多層次的防雨防雪百葉，變壓器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中在50%的負(fù)載情況下主要依靠自然性通風(fēng)，在超出50%之后則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)強(qiáng)制通風(fēng)功能。

四、其他因素對(duì)散熱帶來(lái)的影響

在箱式一體化光伏逆變站工作過(guò)程當(dāng)中，海拔、空氣濕度等一些因素同樣會(huì)在一定程度上影響到逆變站的通風(fēng)散熱情況，這是因?yàn)橛捎诳陀^因素的變化導(dǎo)致空氣的密度以及比熱容也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，因此相應(yīng)的設(shè)計(jì)單元在設(shè)計(jì)工作的前期以及核算的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意針對(duì)系統(tǒng)設(shè)置周邊的環(huán)境因素做好詳細(xì)的調(diào)查工作。另外，由于箱式一體化逆變站擁有較為巨大的柜體，因此一些輻射散熱情況同樣可能會(huì)對(duì)通風(fēng)散熱情況造成一定的影響。對(duì)于柜體以及隔板來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)通過(guò)應(yīng)用著漆處理的情況，盡可能在設(shè)計(jì)過(guò)程中避免鍍鋁鋅鋼板的應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)：

對(duì)于逆變站的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)工作來(lái)說(shuō)，其具備有十分關(guān)鍵性的作用，如果出現(xiàn)因?yàn)椴涣嫉纳嵩O(shè)計(jì)從而引發(fā)箱體內(nèi)部的溫度得到提升，則有很大可能導(dǎo)致器件的性能出現(xiàn)惡化，并導(dǎo)致后續(xù)的損耗情況增加，引發(fā)后續(xù)系統(tǒng)功率出現(xiàn)降低，這也會(huì)直接性地影響到電站的最終經(jīng)濟(jì)效益，另外溫度的升高還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性降低，這一情況會(huì)導(dǎo)致電站無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，因此相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)采取針對(duì)性手段在提升散熱效率的同時(shí)最大程度降低逆變站的實(shí)際成本。

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