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1 引言
隨著分布式光伏的大力發(fā)展，25~60kW功率等級的組串式逆變器在工商業(yè)屋頂及小型山丘電站上得以廣泛應(yīng)用。為了提高逆變器的散熱性能，延長逆變器的實際使用壽命，主流25kW以上功率等級的組串式逆變器大都采用IP65高防護能力的戶外型風(fēng)扇散熱。由于組串式逆變器一般就近安裝在組件的下方或旁邊，面臨風(fēng)吹日曬，甚至沙塵等惡劣使用環(huán)境的挑戰(zhàn)，組串式逆變器所配置的外部風(fēng)扇是否能滿足戶外使用所要求的防水、防塵及鹽霧要求呢？筆者接下來帶領(lǐng)大家對國內(nèi)某知名組串式逆變器廠家所選用高防護戶外風(fēng)扇進行深入的剖析。
2 組串式逆變器風(fēng)扇散熱的必要性
《散熱方案選擇主要取決于逆變器功率》一文從理論分析認為：當(dāng)組串式逆變器單機功率大于25kW時，散熱熱流密度較大，從散熱效果的角度采用強制風(fēng)冷散熱方式更為適宜?！恫煌岱绞浇M串式逆變器散熱能力調(diào)查》一文則通過實驗對比不同散熱方式的兩廠家組串式逆變器散熱能力發(fā)現(xiàn)，在同樣的環(huán)境溫度下，強制風(fēng)冷的逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度及核心器件溫度比自然冷卻的逆變器低約20℃左右，強制風(fēng)冷的逆變器散熱性能更優(yōu)，實際使用壽命更有保障，逆變器可在較高的環(huán)境溫度下滿功率輸出，保證發(fā)電量。國內(nèi)某光伏電站運行狀況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用自然冷卻方式的組串式逆變器由于散熱性能差，高溫環(huán)境下會出現(xiàn)降額運行，導(dǎo)致逆變器發(fā)電量損失。再次驗證了“當(dāng)組串式逆變器單機功率大于25kW時，采用強制風(fēng)冷散熱方式更為適宜”設(shè)計觀點的正確性。筆者通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)主流逆變器廠家25kW功率等級以上的產(chǎn)品大都采用強制風(fēng)冷散熱方式，如SMA、Sungrow、Delta等，并采用IP65高防護等級的戶外型風(fēng)扇，以滿足逆變器IP65防護等級前提下，提高逆變器的散熱性能。
3 此風(fēng)扇非彼風(fēng)扇之防護篇
世界上第一臺風(fēng)扇起源于1880年，美國人舒樂首次將葉片裝在電動機上后接通電源，葉片飛速轉(zhuǎn)動，陣陣涼風(fēng)撲面而來。部分人對風(fēng)扇印象可能還停留在風(fēng)扇噪音大，防水防塵能力差，線圈容易生銹，使用壽命短，容易壞的階段。但隨著風(fēng)扇使用場合的多樣化，使用環(huán)境對風(fēng)扇防護設(shè)計及壽命不斷提出挑戰(zhàn)，經(jīng)過風(fēng)扇廠家的不斷設(shè)計創(chuàng)新，風(fēng)扇防護能力及壽命得以大大提高。目前高防護、長壽命的戶外型風(fēng)扇已應(yīng)用在通信電信、電力電子等領(lǐng)域。此風(fēng)扇所指為組串式逆變器采用的高防護戶外風(fēng)扇，而彼風(fēng)扇所指為傳統(tǒng)的普通無防護風(fēng)扇或低防護風(fēng)扇，二者的性能有一定差異，需要對兩種風(fēng)扇進行深入剖析，以改變?nèi)藗儗︼L(fēng)扇的固有印象。
3.1 風(fēng)扇高防護工藝介紹
高防護戶外風(fēng)扇主要由框架﹑扇葉﹑PCB板、定子、轉(zhuǎn)子、軸承六部分組成。風(fēng)扇防護工藝主要是針對內(nèi)部線圈及PCB板上的電子部件進行保護。普通無防護風(fēng)扇或低防護的風(fēng)扇，風(fēng)扇線圈繞組及部分電子器件直接暴露在空氣中，如圖1(a)所示，由于防護等級較低，若PCB板上電子器件接觸濕氣或灰塵堆積，極易導(dǎo)致風(fēng)扇失效，同時風(fēng)扇線圈長時間暴露在空氣中也會導(dǎo)致生銹。與低防護風(fēng)扇的防護工藝相比，高防護戶外風(fēng)扇采用環(huán)氧樹脂或硅膠對整個風(fēng)扇線圈和PCB板進行完全密封，杜絕濕氣、灰塵、鹽霧等對繞組及電子器件的影響，能夠達到IEC60529標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IP65以上防護等級，完全可以放置在戶外使用，如圖1(b)所示。
為了從實驗的角度再次驗證高防護戶外風(fēng)扇的防護性能，筆者選取了嶄新的主流高防護戶外風(fēng)扇以及在某光伏電站使用了3年的高防護戶外風(fēng)扇作為試驗樣品，進行防水、防沙塵、防鹽霧能力測試，通過檢測高防護戶外風(fēng)扇測試前后的轉(zhuǎn)速、電流、絕緣電阻等核心電氣指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)測試前后核心電氣指標(biāo)在誤差范圍內(nèi)，完全符合IEC60529標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IP65防護等級的設(shè)計要求。
3.2 風(fēng)扇防水能力測試
針對IPX5防護等級的風(fēng)扇，按照IEC60529標(biāo)準(zhǔn)要求在距離機殼表面2.5米到3米的范圍內(nèi)使用一個標(biāo)準(zhǔn)測試噴嘴從所有可行方向?qū)︼L(fēng)扇樣品進行噴濺，水流量在12.5升/分鐘，最短測試持續(xù)時間3分鐘。測試結(jié)束后，對風(fēng)扇核心電氣指標(biāo)進行檢測，誤差在范圍內(nèi)，將風(fēng)扇拆分內(nèi)部無進水痕跡。
3.3 風(fēng)扇防塵能力測試
針對IP6X防護等級的風(fēng)扇，按照IEC60529標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)扇樣品置于密封的沙塵箱內(nèi)，沙塵箱內(nèi)充滿了被攪動起來的直徑大小在50μm至75μm之間的滑石粉，測試時間為8小時。測試結(jié)束后，同樣對風(fēng)扇核心電氣指標(biāo)進行檢測，誤差在范圍內(nèi)，拆分后風(fēng)扇定子、轉(zhuǎn)子完好，無沙塵侵入內(nèi)部軸承及PCB板等關(guān)鍵區(qū)域。
3.4 風(fēng)扇防鹽霧能力測試
針對防鹽霧能力測試，按照IEC60068-2-52《鹽水噴霧循環(huán)試驗》標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)扇樣品放入鹽霧箱內(nèi)，在15℃～35℃溫度下，用質(zhì)量百分比濃度為5%的氯化鈉溶液連續(xù)噴霧24小時，然后存儲12小時為一次循環(huán)，總共測試3個循環(huán)。測試結(jié)束后，同樣對風(fēng)扇核心電氣指標(biāo)進行檢測，誤差在范圍內(nèi)，拆分后風(fēng)扇軸承、線圈、PCB板等關(guān)鍵區(qū)域無生銹痕跡。
4 此風(fēng)扇非彼風(fēng)扇之壽命篇
風(fēng)扇壽命主要由軸承內(nèi)潤滑油的含量、種類以及使用環(huán)境決定。風(fēng)扇壽命可通過不同的技術(shù)方法測試得到。IPC-9591《空氣轉(zhuǎn)動裝置的性能參數(shù)(機械，電氣，環(huán)境和質(zhì)量/可靠性)》標(biāo)準(zhǔn)中聲明了空氣轉(zhuǎn)動裝置包括風(fēng)扇、鼓風(fēng)機以及其他強制空氣運動裝置，并詳細給出了空氣轉(zhuǎn)動裝置的壽命測試方法：即通過在高溫下加速試驗得到的實測壽命，利用轉(zhuǎn)換公式推算出正常工作溫度范圍下的使用壽命。
IPC-9591標(biāo)準(zhǔn)中的推算公式為，其中為加速測試時的環(huán)境溫度，為在溫度下的實測壽命，為需折算到環(huán)境溫度，為推算出的溫度時的使用壽命。筆者通過咨詢國際幾大主流風(fēng)扇廠家，如NMB、EBM和SANYO，大都采用IPC-9591的標(biāo)準(zhǔn)來給出各自風(fēng)扇產(chǎn)品的壽命曲線。圖5所示為某國際主流風(fēng)扇廠家利用IPC-9591標(biāo)準(zhǔn)的推算方法給出的壽命曲線及數(shù)據(jù)。
以組串式逆變器最惡劣環(huán)境溫度50℃考慮，風(fēng)扇正常運行時間可達60319小時。一般逆變器廠家會采用智能強制風(fēng)冷控制，只有在逆變器模塊溫度達到70℃以上時風(fēng)扇才會滿轉(zhuǎn)。在正常一天內(nèi)，風(fēng)扇滿轉(zhuǎn)時間大約為6小時，陰雨天情況下運行時間會縮短，以此為計算條件可得風(fēng)扇使用壽命約為60319/6/365=27.5年。
通常情況下不需要對風(fēng)扇進行維護，即便出現(xiàn)最壞的情況需要更換風(fēng)扇時，也可快速的對風(fēng)扇進行更換。以某知名廠家的組串式逆變器為例，風(fēng)扇位于機箱外側(cè)，采用可拆卸的固定方式，更換一只風(fēng)扇所需時間平均在1分鐘左右，并且更換風(fēng)扇逆變器無需停機。
高防護戶外風(fēng)扇由于采用了整個線圈及PCB板完全灌封的防護工藝，從設(shè)計上完全可以達到IP65以上防護等級。通過對主流的高防護戶外風(fēng)扇進行實驗測試，結(jié)果表明高防護戶外風(fēng)扇完全符合IP65防護等級要求，能夠滿足在風(fēng)沙大、腐蝕性強、風(fēng)吹日曬雨淋等惡劣環(huán)境中長期可靠運行的要求。高防護風(fēng)扇的防護等級及壽命設(shè)計完全匹配組串式逆變器整機防護及壽命設(shè)計要求。
參考文獻：
(1) 《散熱方案選擇主要取決于逆變器功率》-北極星太陽能光伏網(wǎng)
(2) 《不同散熱方式組串式逆變器散熱能力調(diào)查》-世紀(jì)新能源網(wǎng)
(3) IEC 60529-2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code)[S]
(4) IEC 60068-2-52 Environmental testing - Part 2: Tests - Test Kb: Salt mist, cyclic (sodium chloride solution)[S]
(5) IPC 9591 Performance Parameters (Mechanical, Electrical, Environmental and Quality/Reliability) for Air Moving Devices[S]
隨著分布式光伏的大力發(fā)展，25~60kW功率等級的組串式逆變器在工商業(yè)屋頂及小型山丘電站上得以廣泛應(yīng)用。為了提高逆變器的散熱性能，延長逆變器的實際使用壽命，主流25kW以上功率等級的組串式逆變器大都采用IP65高防護能力的戶外型風(fēng)扇散熱。由于組串式逆變器一般就近安裝在組件的下方或旁邊，面臨風(fēng)吹日曬，甚至沙塵等惡劣使用環(huán)境的挑戰(zhàn)，組串式逆變器所配置的外部風(fēng)扇是否能滿足戶外使用所要求的防水、防塵及鹽霧要求呢？筆者接下來帶領(lǐng)大家對國內(nèi)某知名組串式逆變器廠家所選用高防護戶外風(fēng)扇進行深入的剖析。
2 組串式逆變器風(fēng)扇散熱的必要性
《散熱方案選擇主要取決于逆變器功率》一文從理論分析認為：當(dāng)組串式逆變器單機功率大于25kW時，散熱熱流密度較大，從散熱效果的角度采用強制風(fēng)冷散熱方式更為適宜?！恫煌岱绞浇M串式逆變器散熱能力調(diào)查》一文則通過實驗對比不同散熱方式的兩廠家組串式逆變器散熱能力發(fā)現(xiàn)，在同樣的環(huán)境溫度下，強制風(fēng)冷的逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度及核心器件溫度比自然冷卻的逆變器低約20℃左右，強制風(fēng)冷的逆變器散熱性能更優(yōu)，實際使用壽命更有保障，逆變器可在較高的環(huán)境溫度下滿功率輸出，保證發(fā)電量。國內(nèi)某光伏電站運行狀況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用自然冷卻方式的組串式逆變器由于散熱性能差，高溫環(huán)境下會出現(xiàn)降額運行，導(dǎo)致逆變器發(fā)電量損失。再次驗證了“當(dāng)組串式逆變器單機功率大于25kW時，采用強制風(fēng)冷散熱方式更為適宜”設(shè)計觀點的正確性。筆者通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)主流逆變器廠家25kW功率等級以上的產(chǎn)品大都采用強制風(fēng)冷散熱方式，如SMA、Sungrow、Delta等，并采用IP65高防護等級的戶外型風(fēng)扇，以滿足逆變器IP65防護等級前提下，提高逆變器的散熱性能。
3 此風(fēng)扇非彼風(fēng)扇之防護篇
世界上第一臺風(fēng)扇起源于1880年，美國人舒樂首次將葉片裝在電動機上后接通電源，葉片飛速轉(zhuǎn)動，陣陣涼風(fēng)撲面而來。部分人對風(fēng)扇印象可能還停留在風(fēng)扇噪音大，防水防塵能力差，線圈容易生銹，使用壽命短，容易壞的階段。但隨著風(fēng)扇使用場合的多樣化，使用環(huán)境對風(fēng)扇防護設(shè)計及壽命不斷提出挑戰(zhàn)，經(jīng)過風(fēng)扇廠家的不斷設(shè)計創(chuàng)新，風(fēng)扇防護能力及壽命得以大大提高。目前高防護、長壽命的戶外型風(fēng)扇已應(yīng)用在通信電信、電力電子等領(lǐng)域。此風(fēng)扇所指為組串式逆變器采用的高防護戶外風(fēng)扇，而彼風(fēng)扇所指為傳統(tǒng)的普通無防護風(fēng)扇或低防護風(fēng)扇，二者的性能有一定差異，需要對兩種風(fēng)扇進行深入剖析，以改變?nèi)藗儗︼L(fēng)扇的固有印象。
3.1 風(fēng)扇高防護工藝介紹
高防護戶外風(fēng)扇主要由框架﹑扇葉﹑PCB板、定子、轉(zhuǎn)子、軸承六部分組成。風(fēng)扇防護工藝主要是針對內(nèi)部線圈及PCB板上的電子部件進行保護。普通無防護風(fēng)扇或低防護的風(fēng)扇，風(fēng)扇線圈繞組及部分電子器件直接暴露在空氣中，如圖1(a)所示，由于防護等級較低，若PCB板上電子器件接觸濕氣或灰塵堆積，極易導(dǎo)致風(fēng)扇失效，同時風(fēng)扇線圈長時間暴露在空氣中也會導(dǎo)致生銹。與低防護風(fēng)扇的防護工藝相比，高防護戶外風(fēng)扇采用環(huán)氧樹脂或硅膠對整個風(fēng)扇線圈和PCB板進行完全密封，杜絕濕氣、灰塵、鹽霧等對繞組及電子器件的影響，能夠達到IEC60529標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IP65以上防護等級，完全可以放置在戶外使用，如圖1(b)所示。
圖1 風(fēng)扇的防護工藝（點擊查看大圖）
為了從實驗的角度再次驗證高防護戶外風(fēng)扇的防護性能，筆者選取了嶄新的主流高防護戶外風(fēng)扇以及在某光伏電站使用了3年的高防護戶外風(fēng)扇作為試驗樣品，進行防水、防沙塵、防鹽霧能力測試，通過檢測高防護戶外風(fēng)扇測試前后的轉(zhuǎn)速、電流、絕緣電阻等核心電氣指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)測試前后核心電氣指標(biāo)在誤差范圍內(nèi)，完全符合IEC60529標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IP65防護等級的設(shè)計要求。
3.2 風(fēng)扇防水能力測試
針對IPX5防護等級的風(fēng)扇，按照IEC60529標(biāo)準(zhǔn)要求在距離機殼表面2.5米到3米的范圍內(nèi)使用一個標(biāo)準(zhǔn)測試噴嘴從所有可行方向?qū)︼L(fēng)扇樣品進行噴濺，水流量在12.5升/分鐘，最短測試持續(xù)時間3分鐘。測試結(jié)束后，對風(fēng)扇核心電氣指標(biāo)進行檢測，誤差在范圍內(nèi)，將風(fēng)扇拆分內(nèi)部無進水痕跡。
圖2 防水能力測試實驗
3.3 風(fēng)扇防塵能力測試
針對IP6X防護等級的風(fēng)扇，按照IEC60529標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)扇樣品置于密封的沙塵箱內(nèi)，沙塵箱內(nèi)充滿了被攪動起來的直徑大小在50μm至75μm之間的滑石粉，測試時間為8小時。測試結(jié)束后，同樣對風(fēng)扇核心電氣指標(biāo)進行檢測，誤差在范圍內(nèi)，拆分后風(fēng)扇定子、轉(zhuǎn)子完好，無沙塵侵入內(nèi)部軸承及PCB板等關(guān)鍵區(qū)域。
圖3 防塵能力測試實驗
3.4 風(fēng)扇防鹽霧能力測試
針對防鹽霧能力測試，按照IEC60068-2-52《鹽水噴霧循環(huán)試驗》標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)扇樣品放入鹽霧箱內(nèi)，在15℃～35℃溫度下，用質(zhì)量百分比濃度為5%的氯化鈉溶液連續(xù)噴霧24小時，然后存儲12小時為一次循環(huán)，總共測試3個循環(huán)。測試結(jié)束后，同樣對風(fēng)扇核心電氣指標(biāo)進行檢測，誤差在范圍內(nèi)，拆分后風(fēng)扇軸承、線圈、PCB板等關(guān)鍵區(qū)域無生銹痕跡。
圖4 防鹽霧能力測試結(jié)果
4 此風(fēng)扇非彼風(fēng)扇之壽命篇
風(fēng)扇壽命主要由軸承內(nèi)潤滑油的含量、種類以及使用環(huán)境決定。風(fēng)扇壽命可通過不同的技術(shù)方法測試得到。IPC-9591《空氣轉(zhuǎn)動裝置的性能參數(shù)(機械，電氣，環(huán)境和質(zhì)量/可靠性)》標(biāo)準(zhǔn)中聲明了空氣轉(zhuǎn)動裝置包括風(fēng)扇、鼓風(fēng)機以及其他強制空氣運動裝置，并詳細給出了空氣轉(zhuǎn)動裝置的壽命測試方法：即通過在高溫下加速試驗得到的實測壽命，利用轉(zhuǎn)換公式推算出正常工作溫度范圍下的使用壽命。
IPC-9591標(biāo)準(zhǔn)中的推算公式為，其中為加速測試時的環(huán)境溫度，為在溫度下的實測壽命，為需折算到環(huán)境溫度，為推算出的溫度時的使用壽命。筆者通過咨詢國際幾大主流風(fēng)扇廠家，如NMB、EBM和SANYO，大都采用IPC-9591的標(biāo)準(zhǔn)來給出各自風(fēng)扇產(chǎn)品的壽命曲線。圖5所示為某國際主流風(fēng)扇廠家利用IPC-9591標(biāo)準(zhǔn)的推算方法給出的壽命曲線及數(shù)據(jù)。
圖5 某國際主流風(fēng)扇的壽命曲線
以組串式逆變器最惡劣環(huán)境溫度50℃考慮，風(fēng)扇正常運行時間可達60319小時。一般逆變器廠家會采用智能強制風(fēng)冷控制，只有在逆變器模塊溫度達到70℃以上時風(fēng)扇才會滿轉(zhuǎn)。在正常一天內(nèi)，風(fēng)扇滿轉(zhuǎn)時間大約為6小時，陰雨天情況下運行時間會縮短，以此為計算條件可得風(fēng)扇使用壽命約為60319/6/365=27.5年。
通常情況下不需要對風(fēng)扇進行維護，即便出現(xiàn)最壞的情況需要更換風(fēng)扇時，也可快速的對風(fēng)扇進行更換。以某知名廠家的組串式逆變器為例，風(fēng)扇位于機箱外側(cè)，采用可拆卸的固定方式，更換一只風(fēng)扇所需時間平均在1分鐘左右，并且更換風(fēng)扇逆變器無需停機。
圖6 某知名廠家的組串式逆變器風(fēng)扇更換流程
5 結(jié)論高防護戶外風(fēng)扇由于采用了整個線圈及PCB板完全灌封的防護工藝，從設(shè)計上完全可以達到IP65以上防護等級。通過對主流的高防護戶外風(fēng)扇進行實驗測試，結(jié)果表明高防護戶外風(fēng)扇完全符合IP65防護等級要求，能夠滿足在風(fēng)沙大、腐蝕性強、風(fēng)吹日曬雨淋等惡劣環(huán)境中長期可靠運行的要求。高防護風(fēng)扇的防護等級及壽命設(shè)計完全匹配組串式逆變器整機防護及壽命設(shè)計要求。
參考文獻：
(1) 《散熱方案選擇主要取決于逆變器功率》-北極星太陽能光伏網(wǎng)
(2) 《不同散熱方式組串式逆變器散熱能力調(diào)查》-世紀(jì)新能源網(wǎng)
(3) IEC 60529-2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code)[S]
(4) IEC 60068-2-52 Environmental testing - Part 2: Tests - Test Kb: Salt mist, cyclic (sodium chloride solution)[S]
(5) IPC 9591 Performance Parameters (Mechanical, Electrical, Environmental and Quality/Reliability) for Air Moving Devices[S]
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