隨著近年來大型地面光伏電站項目建設競爭日益激烈，光伏產品的成本優(yōu)化已不能僅僅局限于降低設備本身的單一成本，而是應當著眼全局，通過提高設備集成度，采用優(yōu)化的設計方案從而降低整個系統的度電成本，以達到提高投資收益率的目的。

一、氣候環(huán)境危害

光伏發(fā)電系統尤其是電氣設備、運行效率、安全穩(wěn)定性和壽命對工作環(huán)境有著嚴格的要求，而受限于國土資源性質的原因，光伏電站的運行環(huán)境恰恰是西部高原寒荒地區(qū)、中部山地丘陵和東部沿海地區(qū)。系統設備常年經受高濕、高溫、鹽霧、風沙等惡劣環(huán)境影響，尤其對作為光伏電站核心設備的逆變器來說，無疑是對其環(huán)境適應性、運行可靠性的嚴峻考驗。

風冷式集中式逆變器是通過系統內部的強制風冷通道直接與外界進行交替換氣。這樣一來，外界空氣中所含有的污染物(如：鹽霧顆粒、沙塵、潮氣等)很容易通過排風系統直接進入到逆變器箱體內，從而附著在逆變室內的各元器件上(如：IGBT模塊、電路板、配電開關、銅排、通風罩等)。長此已久，具有腐蝕性的氯離子通過金屬表面的裂縫、孔隙穿透金屬表面的氧化物薄膜層與內部金屬發(fā)生化學反應，降低設備器件的發(fā)電效率，導致產品失效。

由于沿海地區(qū)晝夜溫差大、常年空氣潮濕，這對于設備穩(wěn)定運行也有危害。逆變器日間工作時機體溫度較高，夜間氣溫驟降空氣中的水蒸氣會凝結在停止工作的設備上，待白天設備啟動溫度上升，機體表面的水蒸氣蒸發(fā)，但水中所含的鹽霧顆粒等在設備元器件上凝滯，對設備內部器件進行腐蝕。 從而引起放電、爬電、閃絡事故。

二、環(huán)境影響設備故障案例

從以上現象可以看出，光伏電站如果建設在鹽霧、沙塵及高濕環(huán)境下，要想滿足25年以上發(fā)電壽命的要求，在電站建設初期，項目業(yè)主就要對設備的選型以及各元器件進行嚴把關。而作為光伏電站核心設備逆變器來說，其環(huán)境適應性、發(fā)電效率、防護等級、運維便利性等因素都要重點斟酌慎選。一般企業(yè)宣稱防護等級IP54(“5”代表：防塵;“4”代表：防噴水)的直通風式逆變器，其防塵過濾網、防護涂層只可以阻擋和阻隔部分大顆粒沙塵，而對鹽霧、濕氣、凝露起不到保護作用。

三、水冷一體化逆變器解難題

【防鹽霧、防風沙、防凝露設計】

通過上述對沿海地區(qū)高濕度、鹽霧、凝露等惡劣環(huán)境分析，業(yè)內主流廠家生產的風冷型逆變器在實際項目運行中出現很多無法解決的難題。針對這些難題，北京能高完全自主研發(fā)的水冷型一體化逆變站SunTener2500，該產品采用了獨特的水循環(huán)散熱系統，可使柜體完全密閉從而做到防鹽霧、防風沙、防凝露，有效解決設備運行在高原寒荒、多風沙以及沿海地區(qū)，而造成了降容、散熱效率低以及器件腐蝕等原因而導致的故障問題。

水冷型一體化箱式逆變器采用內外空氣完全隔絕的方式，主體采用方鋼型材、槽鋼型材和復合夾芯板結構，堅硬的結構強度可承載來自外部及箱變房內逆變器重量;而復合夾芯板中防火保溫巖棉層可有效隔絕外部濕熱空氣對箱變房內部設備的侵蝕;箱體柜門四周采用橡膠密封條處理，可隔絕外部潮濕、鹽堿空氣進入。

【內部水循環(huán)散熱系統】

箱體內逆變器是通過一套高效水冷散熱系統與外界進行冷熱交換，一體化逆變站內采用北京能高自主知識產權的微氣候控制系統，可使逆變房內的電子元器件工作在最佳工況，有效提高設備的穩(wěn)定性，延長其使用壽命。

整個一體化電站水冷系統分為內外兩個循環(huán)，其中內循環(huán)水冷系統通過不銹鋼管道和非金屬軟管連接了主要發(fā)熱元件的水冷散熱板，吸收設備工作產生的熱量;外循環(huán)水冷系統通過外部的主換熱器向外界散發(fā)熱量，當散熱介質溫度高于設定值，頂部的兩個軸流風機啟動強迫空水換熱器冷卻，使散熱介質溫度基本恒定;內外兩個循環(huán)通過電動三通閥連接，智能控制內外循環(huán)冷卻劑在主管道內的比重。水冷系統通過無縫焊接不銹鋼管道與各部分器件外部的經過特殊處理鋁制換熱器連接，即實現了熱交換又完全阻止了腐蝕，如圖7所示。

圖7

四、水冷型PK風冷型技術優(yōu)勢

【IGBT與散熱器之間貼合方面】

一般風冷型逆變器IGBT與散熱器之間通過一層導熱硅脂與散熱器緊密貼合，由于風冷型逆變器是通過強制風機吹動散熱片來達到散熱的效果，這種散熱方式受外界空氣溫度高低影響較大，而IGBT中材料復雜，并且這些材料的熱膨脹系數各不相同，在溫度變化比較大的散熱片上容易使一部分材料變形，導致IGBT與散熱器之間貼合不緊密，這樣會降低IGBT長期運行可靠性。

水冷型逆變器的IGBT與散熱片之間也是通過一層導熱硅脂緊密貼合，而散熱器內部是通過復雜的水路管道中的冷水來帶走IGBT所產生的熱量，水路管道中的水溫一直保持在20-30°C之間，散熱器溫度變化很小，這樣就減少了IGBT內部器件的變形量，從而提高了IGBT長期運行可靠性。

【散熱效率方面】

水冷散熱技術通過冷卻液體的內部循環(huán)將熱量帶出，形成熱循環(huán);風冷散熱技術通過空氣流通將熱量帶出，形成熱循環(huán)。水冷散熱器的散熱效率可以達到風冷型的3倍，從散熱介質來說，液體的比熱容是空氣的4倍，這不僅極大的提高了散熱系統的散熱效率，也可降低功率器件的熱循環(huán)沖擊，提高可靠性。從整個柜體散熱來說，保證柜內溫度穩(wěn)定也對提升整機可靠性有重要的作用。以同為關鍵零部件的直流支撐電容為例進行說明，如圖7所示，當電容在其標稱熱點溫度以下時，柜內溫度每升高5°C，電容失效率增大約1倍;而在其熱點溫度以上時，柜內溫度每升高5°C，電容失效率增大約4～5倍。因此，保證柜內溫度穩(wěn)定非常關鍵。傳統風冷逆變器通過在柜內設計特定的空氣流通路徑來完成柜內功率零部件的熱循環(huán)，有一定的不確定性(如空氣路徑可能不完全按照設計的預期流通)。而水冷逆變器由于有更高的散熱效率，大部分熱量已通過冷卻液體帶出，散布到柜內空間中的熱量較風冷型逆變器更為減少，同時，水冷逆變器為全密封柜體設計，柜內余熱也是通過空氣/水熱交換器來完成散熱，逆變器柜內有熱擾動風機，避免器件表面自然散逸的熱量在局部積累，可以更為穩(wěn)定的控制柜內溫度波動，提升關鍵零部件可靠性。

圖8

【防護等級方面】

設備內部采用全封閉設計，熱傳導采用空氣/水熱交換器冷卻系統，使兩個相互隔離的空間進行熱傳導，水冷型逆變器的熱交換通過不銹鋼管路與外部換熱器進行連接，一端與逆變器內部相通，另一端與外部換熱器相通，柜內的熱空氣被吸入熱交換器內，熱空氣的熱量通過散熱器再由管路傳到熱交換器的另一端，然后通過外部空氣的流動將熱量排到大氣中。其優(yōu)點是專門用于多塵、潮濕、多污垢及高熱負載的地區(qū)，可以通過調節(jié)進口水溫度和流量來改變熱交換器的功率。全封閉的內部空間可以達到更高的防護等級(IP65)，減少柜內積塵對設備造成的不利影響。

【運維便利方面】

一般風冷型逆變器是通過高風壓的大風機強制風冷散熱，散熱過程中難免會有沙塵的進入，為了解決防風沙的問題需要在進風口出增加了一層防塵棉來防止風沙進入逆變器毀壞器件。這就出現了后期要定期清洗、更換防塵棉的工作。

水冷型逆變器是一種全封閉，與外界沒有任何空氣交換的設計，設備上沒有通風窗和防塵棉。這樣就減少了防塵棉的清洗、更換的時間從而為客戶節(jié)約了后期的維護成本、同時提高了運維的便利性。

五、水冷型設計特點

【一體化系統集成，微氣候控制技術】

SunTener 2500水冷型一體化逆變器對輔助設備進行了高度集成，內部包括：逆變器、配電設備、冷卻系統、通信單元、信息采集單元、微環(huán)境內循環(huán)控制單元、安防設備等，實現了全狀態(tài)信息監(jiān)控，為未來無人值守型電站建設打下了堅實基礎。獨有的微環(huán)境內循環(huán)控制單元借助冷卻系統，可以實現逆變站及逆變器內部溫、濕度調節(jié)，使逆變設備及核心部件運行在最佳的環(huán)境條件下，提高系統效率及使用壽命。

【內部空間充分便于維護】

室內兩臺逆變器面對面安裝格局，中間留有足夠的空間方便人員操作維護。通道的底板為活動板，方便底部線纜的維護;而活動底板上鋪設的絕緣皮層，起到絕緣作用，保障室內設備安全穩(wěn)定運行。此外，箱房內還配備有消防系統、照明系統及其他輸入輸出單元，如圖8所示。

圖8

【榮獲多項技術性專利】

(1)ZL 2014 2 0027437.X 一種水冷變流器內循環(huán)系統

(2)ZL 2014 2 0024766.9 一種水冷型預裝式光伏電站

(3)ZL 2014 2 0027417.2 一種大功率光伏逆變器

(4)ZL 2013 2 0509753.6 一種IGBT模塊功率單元

(5)ZL 2014 2 0050839.1 翼展式一體化光伏電站

(6)ZL 2013 3 0413254.2 光伏變流器(1250HE)

(7)ZL 2013 2 0477441.1 一種IGBT功率模塊 等...

【總結】

以40MW光伏電站為例，傳統1MW陣列單元設計需要40個逆變單元，而2.5MW一個陣列單元的新設計，只需16個逆變單元，可降低系統投資近220萬元。且水冷型逆變器將傳統2-3個月的維護周期延長至2年以上，有效提高運維便捷性的同時又幫助業(yè)主節(jié)省了后期維護成本。綜上所述，水冷散熱技術相對于風冷散熱技術擁有更明顯的優(yōu)勢，它不僅適用于我國東部沿海地區(qū)還可投用于西部寒荒地帶使用，具有很高的環(huán)境適用性、發(fā)電高效性、運維便利性、投資高效性。

北京能高多年來屹立在光伏產業(yè)的風雨中，懷揣著那份對綠色新能源的執(zhí)著探索與勇于創(chuàng)新的發(fā)展理念，將客戶的實際訴求及光伏電站的穩(wěn)定運行作為企業(yè)前進的原動力，用技術創(chuàng)新讓客戶滿意、用質量保衛(wèi)電站運行安全，切合實際為客戶節(jié)省投資成本。今后北京能高會繼續(xù)在技術領域中研制出更貼合客戶需求的產品，通過新技術和資源整合提高光伏電站的便捷性和穩(wěn)定性。