Przy ciągłej optymalizacji globalnych struktur energetycznych oraz postępach w technologiach odnawialnych, elektronika mocy odgrywa coraz bardziej widoczną rolę w systemach nowych źródeł energii. Od falowników fotowoltaicznych po systemy generowania energii wiatrowej...
Przy ciągłej optymalizacji globalnych struktur energetycznych oraz postępach w technologiach odnawialnych, elektronika mocy odgrywa coraz bardziej widoczną rolę w systemach nowych źródeł energii. Od falowniki fotowoltaiczne po systemy generowania energii wiatrowej, a także sięgając do systemów magazynowania energii i pojazdów z napędem elektrycznym , urządzenia elektroniczne mocy są powszechnie stosowane. Jednak wymagania dotyczące wysokiej gęstości mocy, wysokiej sprawności i przedłużonego czasu użytkowania powodują, że urządzenia te wytwarzają znaczne ilości ciepła podczas pracy. Jeśli to ciepło nie zostanie skutecznie odprowadzone, nie tylko zmniejsza się sprawność urządzenia, ale również znacząco pogarsza się niezawodność i trwałość systemu. W związku z tym projektowanie i stosowanie radiatorów, jako podstawowego elementu zarządzania temperaturą w systemach elektroniki mocy, ma istotne znaczenie dla rozwoju przemysłu nowych energii.
Urządzenia elektroniczne mocy, takie jak IGBT, MOSFET i diody mocy generują znaczne ilości ciepła w warunkach pracy o wysokiej częstotliwości i dużej mocy. Wzrost temperatury prowadzi do zwiększenia strat przełączania, podwyższonego oporu przewodzenia, przyspieszonego starzenia materiału półprzewodnikowego i może nawet spowodować niekontrolowany wzrost temperatury. W związku z tym radiatory w systemach elektroniki mocy stanowią nie tylko bierne narzędzia chłodzenia, lecz kluczowe elementy zapewniające stabilność systemu, przedłużoną żywotność oraz zwiększoną efektywność. Szczególnie w zastosowaniach nowych źródeł energii, gdzie urządzenia mocy często pracują ciągle w warunkach zmieniającej się temperatury otoczenia, wydajność radiatorów ma bezpośredni wpływ na niezawodną pracę systemu.
Inwertery fotowoltaiczne stanowią rdzeń systemów PV, przekształcając prąd stały na przemienny. Elementy mocy w inwerterach generują ciepło podczas przełączania o wysokiej częstotliwości. Niewystarczające zarządzanie termiczne może prowadzić do obniżenia sprawności inwertera lub nawet jego wyłączenia. Do typowych konfiguracji radiatorów należą radiatory aluminiowe wytłaczane i płyty chłodzone cieczą. Radiatory aluminiowe wytłaczane zwiększają odprowadzanie ciepła dzięki zoptymalizowanej strukturze żeber, umożliwiając chłodzenie przez naturalną konwekcję lub wymuszone powietrze. Płyty chłodzone cieczą wykorzystują cyrkulujące płyny do usuwania ciepła, co czyni je odpowiednimi dla inwerterów PV o dużej gęstości mocy lub pracujących w zamkniętych środowiskach.
Stacje ładowania generują znaczące ilości ciepła podczas efektywnego przesyłania energii, a wydajność radiatorów bezpośrednio wpływa na niezawodność, bezpieczeństwo i czas pracy. Podstawowe moduły mocy (takie jak IGBT lub tranzystory SiC MOSFET) powodują duże straty mocy podczas konwersji prądu przemiennego z sieci na prąd stały wymagany przez baterię, uwalniając tę energię w postaci ciepła. Niezdolność do szybkiego odprowadzenia tego ciepła powoduje przegrzanie kluczowych komponentów, co prowadzi do obniżenia sprawności, spadku wydajności lub nawet trwałych uszkodzeń. Skuteczny system zarządzania temperaturą jest podstawowym warunkiem stabilnej pracy stacji ładowania w warunkach wysokiej temperatury i dużego obciążenia oraz utrzymania nominalnej mocy wyjściowej (np. 120 kW, 360 kW lub wyższej), co bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo ładowania i doświadczenie użytkownika.
Obecnie w zarządzaniu temperaturą stacji ładowania dominują dwa podejścia techniczne: chłodzenie powietrzem i chłodzenie cieczowe :
1. Radiatory z wymuszoną cyrkulacją powietrza: To typowe rozwiązanie dla stacji ładowania pierwszej generacji oraz o średniej i niskiej mocy. Zasada działania polega na zwiększeniu powierzchni kontaktu między komponentami mocy a powietrzem za pomocą żeberek chłodzących, a następnie wykorzystaniu wentylatorów do wymuszonej wymiany ciepła konwekcyjnego. Rozwiązanie to charakteryzuje się prostą budową i niższym kosztem, jednak jego wydajność chłodzenia jest ograniczona, poziom hałasu wentylatorów jest znaczny, a urządzenie jest wrażliwe na kurz środowiskowy, co utrudnia spełnienie wymagań rozwoju o większej gęstości mocy.
2. Systemy chłodzone cieczą: W przypadku szybkich ładowarek o dużej mocy (zazwyczaj 150 kW i więcej) chłodzenie cieczą stało się głównym kierunkiem rozwoju. System ten wykorzystuje płyty chłodzące cieczą, które ściśle przylegają do elementów generujących ciepło. Po pochłonięciu ciepła, czynnik chłodzący transportuje je do oddalonego wymiennika ciepła ciecz–ciecz lub ciecz–powietrze (głównego radiatora) w celu odprowadzenia. Chłodzenie cieczą znacznie przewyższa chłodzenie powietrzem pod względem efektywności, oferuje bardziej kompaktowe rozwiązanie, zapewnia uszczelnioną ochronę kluczowych wewnętrznych komponentów oraz znacząco redukuje poziom hałasu. Obecnie w najnowocześniejszych ładowarkach ultra-szybkich chłodzenie cieczą obejmuje również przewód pistoletu ładowarki, gwarantując bezpieczeństwo i lekką konstrukcję przy wysokich natężeniach prądu.
Szybki rozwój elektroniki mocy i nowych systemów energetycznych stawia coraz wyższe wymagania względem wydajności radiatorów. Dzięki zoptymalizowanym projektom, starannemu doborowi materiałów oraz inteligentnej kontroli, radiatory nie tylko skutecznie rozwiązują problemy związane z zarządzaniem ciepłem, ale również zwiększają efektywność systemów, wydłużają żywotność komponentów i przyczyniają się do trwałego rozwoju technologii nowych źródeł energii. W perspektywie przyszłości, wraz z ciągłym postępem w nauce o materiałach i technikach chłodzenia, radiatory staną się niezastąpionymi elementami kluczowymi w branży nowych technologii energetycznych, zapewniając solidne wsparcie techniczne dla osiągnięcia przejścia ku zielonej energii.
EN
