應(yīng)用 | Icepak應(yīng)用于光伏箱式逆變器的散熱分析

2017-10-30 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

對于熱功率集成度較高的集裝箱來說,通風(fēng)散熱是系統(tǒng)可靠性設(shè)計的重要內(nèi)容之一。根據(jù)光伏箱式逆變器的輸入條件及指標(biāo)要求,確定側(cè)面與底部進(jìn)風(fēng)、上出風(fēng)的通風(fēng)散熱方案,運用CFD仿真軟件ansys icepak對集裝箱在某地區(qū)夏季的最高氣溫等特定條件下的流場、溫度場仿真分析。通過分析流場、溫度,集裝箱方案設(shè)計滿足系統(tǒng)使用要求,并且從中摸索出一些關(guān)于風(fēng)道、風(fēng)機(jī)的設(shè)計依據(jù)。

光伏箱式逆變器是將光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所需的交直流配電、逆變和監(jiān)控通訊等設(shè)備集中安裝在一個特種封閉集裝箱內(nèi),完成光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制、數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸功能的裝置。光伏箱式逆變器因其成本低、安裝調(diào)試簡單、外形美觀、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力強而廣泛應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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光伏并網(wǎng)逆變器中發(fā)揮重要作用的主功率模塊 IGBT的熱耗是最大的,約10﹪的有功功率轉(zhuǎn)化為耗散功率,尤其是在集裝箱內(nèi)這種多臺設(shè)備緊湊布置且空間相對狹小的環(huán)境中這部分熱量會使 IGBT模塊中的二極管芯結(jié)溫升高,系統(tǒng)可靠性降低,甚至導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)或燒毀。因此應(yīng)對集裝箱及逆變器采取良好的通風(fēng)散熱措施,即使是在西北夏季最高氣溫下也能使集裝箱內(nèi)溫度保持在適宜的范圍內(nèi)。

1、理論基礎(chǔ)及仿真

集裝箱內(nèi)逆變器、直流柜、通訊柜采用雙排布置模式,配電箱壁掛在集裝箱墻壁上,集裝箱采用底進(jìn)風(fēng)上出風(fēng)的強制風(fēng)冷散熱模式。

光伏箱式逆變器的物理模型參數(shù)說明如下:

1)環(huán)境溫度為某地區(qū)七月份最高氣溫45℃,大氣壓909hPa,氣流狀態(tài)為紊流,系統(tǒng)求解的迭代次數(shù)為200次。

2)集裝箱尺寸為長4000mm×寬2700mm×高 2896 mm,逆變器 IGBT模塊360mm×215mm×152 mm,電抗器652mm×658mm×400mm。由于功耗器件集成度較高,且主要熱源IGBT熱耗分布較均勻,工程仿真熱模型采用均勻體積熱源等效實際熱源。在集裝箱前面和后面的門頁下端共安裝有6扇600mm×800mm的帶有防塵網(wǎng)的百葉窗側(cè)面進(jìn)風(fēng),其凈進(jìn)風(fēng)面積系數(shù)為0.7;在集裝箱地面上鋪設(shè)有菱形花紋鋼板底部進(jìn)風(fēng)。在直流柜、逆變器頂部安裝有獨立風(fēng)道將熱量直接引出集裝箱外。風(fēng)道設(shè)計依據(jù)考慮逆變器-風(fēng)道、集裝箱壁-風(fēng)道的空間接口尺寸,截面形狀接近于正方形,拐角處采用圓角光滑過渡,以降低風(fēng)道壓損。

在集裝箱的左右墻壁上內(nèi)嵌有 4臺軸流風(fēng)機(jī)以排出設(shè)備外循環(huán)熱量,風(fēng)機(jī)型號為EBM公司的W2E200-HK38-01,風(fēng)機(jī)排風(fēng)量最大為800m3 /h。風(fēng)機(jī)特性曲線如圖2所示。

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3) 鋼巖棉保溫板的傳熱系數(shù)為0.04W/(m?k),設(shè)備柜壁受太陽輻射吸收熱量而使柜壁溫度相對于環(huán)境溫度身高,為模擬太陽輻射效應(yīng),把icepak根據(jù)時區(qū)月份、日期、和經(jīng)緯度計算得到的太陽輻射熱流值143w/m2作為邊界條件施加在集裝箱壁面上。熱模型如圖3所示。

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圖4中IGBT模塊的管芯溫度是100.97℃,低于廠家提供的允許結(jié)溫155℃,滿足使用要求。但是這需要待到該地區(qū)夏天最高氣溫到現(xiàn)場進(jìn)行實驗測試才能驗證仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)之間的誤差。

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從圖5可以看出大的氣流速度出現(xiàn)在逆變器、直流柜專門通風(fēng)管道的出風(fēng)口,較低速度出現(xiàn)在散熱器翅片之間。接近正方形的矩形通風(fēng)管道取得較大的空氣輸送能力,流阻較小,在流場中無死區(qū)、回流現(xiàn)象,滿足系統(tǒng)散熱效果。風(fēng)機(jī)工作點為0.23m /s,50Pa,可見軸流風(fēng)機(jī)工作點位于風(fēng)量大,壓降小的右部分區(qū)域,避開了中間部分的不穩(wěn)定,區(qū)域,基本滿足應(yīng)用要求。

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2、結(jié)論

對于環(huán)境級以及系統(tǒng)級、板級、元件級的散熱分析問題,采用基于Ansys Icepak的分析能夠較準(zhǔn)確評估在實際運行中的溫度、流場、風(fēng)機(jī)工作點等,對該通風(fēng)散熱方案在某地區(qū)夏季高氣溫下,系統(tǒng)電力電子設(shè)備能否正常運行給予可靠的參考信息?？捎行е笇?dǎo)后續(xù)的光伏箱式逆變器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,為進(jìn)一步提升該產(chǎn)品的熱適應(yīng)性奠定良好基礎(chǔ)。

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