Електроника за енергетика и нова енергия

С непрекъснатата оптимизация на глобалните енергийни структури и напредъка в технологиите за възобновяема енергия, силовата електроника играе все по-важна роля в системите за нова енергия. От фотоволтаични инвертори до системи за производство на енергия от вятър, и достигайки до системи за съхранение на енергия и превозни средства с нова енергия , електронните устройства за управление на мощността са практически навсякъде. Въпреки това, изискванията за висока плътност на мощността, висока ефективност и удължен срок на служба водят до това тези устройства да генерират значителни количества топлина по време на работа. Ако тази топлина не се управлява ефективно, това не само намалява ефективността на устройствата, но и сериозно компрометира надеждността и живота на системата. Следователно, като основен компонент за топлинното управление в системите за електронно управление на мощността, проектирането и прилагането на радиатори има голямо значение за развитието на индустрията на нова енергия.

Електронни устройства за управление на мощността като IGBT, MOSFET и силови диоди генерират значителна топлина при високочестотни и високомощностни работни условия. Повишаването на температурата води до увеличени загуби при превключване, по-висим импеданс на проводимост, ускорено стареене на полупроводниковите материали и може дори да предизвикае топлинен пробой. Следователно радиаторите в системите за силова електроника служат не просто като пасивни охлаждащи елементи, а като критични компоненти, осигуряващи стабилност на системата, по-дълъг живот и по-висока ефективност. Особено при приложения в новите енергийни технологии, където силовите устройства често работят непрекъснато при променливи околни температури, производителността на радиаторите директно влияе върху надеждната работа на системата.

• Фотovoltaic инвертори

Фотоволтаичните инвертори са сърцевината на слънчевите фотоволтаични системи и преобразуват постоянния ток в променлив. Електрическите компоненти в инверторите генерират топлина по време на операциите с високочестотно комутиране. Недостатъчното топлинно управление може да доведе до намалена ефективност на инвертора или дори до неговото изключване. Често срещаните конфигурации на радиатори включват изтеглени алуминиеви радиатори и охлаждащи плочи с течност. Изтеглените алуминиеви радиатори подобряват отвеждането на топлина чрез оптимизирани ребрести структури, които позволяват охлаждане чрез естествена конвекция или принудителна въздушна циркулация. Охлаждащите плочи с течност, от друга страна, използват циркулиращи течности за отвеждане на топлината, което ги прави подходящи за фотоволтаични инвертори с висока плътност на мощността или за затворени среди.

• Станция за зареждане на електрически превозни средства

Зарядните станции генерират значително количество топлина по време на ефективния пренос на енергия, като производителността на радиаторите директно определя надеждността, безопасността и продължителността на експлоатация. Основните силови модули (като IGBT или SiC MOSFET) имат значителни загуби на мощност при преобразуването на променлив ток от мрежата в постоянен ток, необходим за батерията, като тази енергия се отделя под формата на топлина. При несвоевременно отвеждане на тази топлина основните компоненти прегряват, което води до намаляване на ефективността, влошаване на производителността или дори до постоянни повреди. Ефективна система за термично управление е от решаващо значение за осигуряване на стабилна работа на зарядните станции при висока температура и натоварване и за поддържане на номиналната изходна мощност (например 120 kW, 360 kW или по-висока), което директно влияе на безопасността при зареждане и потребителското изживяване.

В момента за термичното управление на зарядните станции се използват предимно два технически подхода: въздушно охлаждане и течно охлаждане :

1. Радиатори с принудително въздушно охлаждане: Това е разпространено решение за зарядни станции от първо поколение и със средна до ниска мощност. Принципът включва увеличаване на контактната повърхност между силовите компоненти и въздуха чрез охладителни ребра, след което се използват вентилатори за принудителен конвективен топлообмен. Този подход се характеризира с проста конструкция и по-ниска цена, но охлаждащата му ефективност е ограничена, шумът от вентилаторите е значителен, а също така е чувствителен към прах в околната среда, което затруднява удовлетворяването на изискванията за развитие на по-висока плътност на мощността.

2. Системи с течностно охлаждане: За високомощни бързи зарядни устройства (обикновено 150 kW и нагоре) течностното охлаждане е станало основния подход. Тази система използва плочи за течностно охлаждане, които плътно допират до компонентите, генериращи топлина. След усвояване на топлината, охлаждащата течност пренася топлината до отдалечен топлообменник тип течност-към-течност или течност-към-въздух (основния радиатор) за отвеждане. Охлаждането с течност значително надминава въздушното по ефективност, осигурява по-компактни размери, предоставя запечатана защита за критичните вътрешни компоненти и значително намалява шума. В момента ултрабързите зарядни устройства дори разширяват течностното охлаждане до кабела на зарядното гърло, осигурявайки безопасност и лека конструкция при високи токове.

Бързото развитие на силовата електроника и системите за нова енергия поставя все по-високи изисквания към топлоотводите. Чрез оптимизиран дизайн, внимателен подбор на материали и интелигентно управление, топлоотводите не само ефективно решават предизвикателствата при термичния контрол, но също така повишават ефективността на системите, удължават живота на компонентите и допринасят за устойчивото развитие на технологиите за нова енергия. В бъдеще, с непрекъснатото развитие на материалознанието и методите за термичен контрол, топлоотводите ще станат незаменими основни компоненти в индустрията на новата енергия, осигурявайки здрава техническа подкрепа за постигане на прехода към зелена енергия.