Konstrukcyjny projekt ochrony falownika fotowoltaicznego

Wraz z dynamicznym rozwojem branży energii odnawialnej zastosowanie fotowoltaiki staje się coraz powszechniejsze. Fotowoltaniczne falowniki, stanowiące kluczowy komponent systemów fotowoltaicznych, pracują w warunkach zewnętrznych i muszą wytrzymywać bardzo surowe, a nawet ekstremalne warunki środowiskowe.

W przypadku zewnętrznych inwerterów fotowoltaicznych ich konstrukcja musi spełniać normę IP65. Tylko przy spełnieniu tej normy nasze inwertery mogą pracować bezpiecznie i wydajnie. Klasa IP określa stopień ochrony obudowy urządzeń elektrycznych przed wnikaniem cząstek obcych. Norma ta pochodzi z międzynarodowej komisji elektrotechnicznej (IEC) – standardu IEC 60529 – i w 2004 roku została przyjęta jako amerykańska norma narodowa. Pod pojęciem „klasa IP65” rozumie się, że „IP” to skrót od „Ingress Protection” (stopień ochrony), „6” oznacza stopień odporności na pył (klasa 6: całkowita ochrona przed wnikaniem pyłu), a „5” – stopień odporności na wodę (klasa 5: produkt nie ulega żadnym uszkodzeniom po poddaniu go deszczowi).

Aby spełnić powyższe wymagania projektowe, konstrukcja inwerterów fotowoltaicznych musi być wykonywana z niezwykłą precyzją i ostrożnością. Właśnie to jest główną przyczyną częstych problemów występujących w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Jak więc skonstruować odpowiedni produkt – inwerter – o wysokiej jakości?

Obecnie w branży stosuje się głównie dwa podstawowe sposoby zabezpieczenia przestrzeni między pokrywą inwertera a obudową. Pierwszy z nich polega na zastosowaniu silikonowej uszczelki wodoodpornej. Taka uszczelka ma zwykle grubość około 2 mm; jest umieszczana pomiędzy pokrywą a obudową i zapewnia wodoodporność oraz ochronę przed pyłem poprzez docisk. Jednakże efektywność tego rozwiązania jest ograniczona przez stopień deformacji i twardość uszczelki, dlatego nadaje się ono wyłącznie do małych obudów inwerterów o mocy 1–2 kW. W przypadku obudów o większej mocy zabezpieczenie to naraża na większe ryzyko.

Poniższy wykres pokazuje:

Z drugiej strony zastosowano poliuretanową piankę RAMPF pochodzenia niemieckiego, która jest wytwarzana w procesie formowania poprzez pianowanie sterowane numerycznie i bezpośrednio przyklejana do elementów konstrukcyjnych, takich jak górna pokrywa; jej stopień odkształcenia może osiągać nawet 50%. Wszystkie te cechy są szczególnie odpowiednie dla projektów ochronnych stosowanych w przypadku średnich i dużych inwerterów wyprodukowanych przez naszą firmę.

Poniższy wykres przedstawia

Co więcej, co jeszcze ważniejsze, w procesie projektowania konstrukcji, aby zapewnić wysoką wytrzymałość i nieprzepuszczalność wody, należy zaprojektować wodoodporną żłobkę pomiędzy pokrywą skrzynki inwertera fotowoltaicznego a samą skrzynką, tak aby nawet jeśli mgła wodna przedostała się przez szczelinę między pokrywą a skrzynką i dostała się do wnętrza inwertera, krople wody zostałyby skierowane do zbiornika wewnętrznej wody i odprowadzone na zewnątrz, co uniemożliwiłoby ich przedostanie się do wnętrza skrzynki.

W ostatnich latach rynek fotowoltaiki jest wyjątkowo konkurencyjny. Aby ograniczyć koszty, niektórzy producenci falowników dokonali pewnych uproszczeń i zastąpieniu w projektach ochronnych oraz w wykorzystywanych materiałach. Na przykład, jak pokazano na poniższym rysunku:

Po lewej stronie zastosowano konstrukcję skierowaną na obniżenie kosztów. Obudowa została wykonana poprzez gięcie i formowanie, a kontrola kosztów opiera się przede wszystkim na materiałach i technologiach obróbki blachy. W porównaniu z trójfalową obudową po prawej stronie, obudowa po lewej posiada znacznie mniej kanałów odprowadzających wodę oraz o wiele mniejszą wytrzymałość. Takie rozwiązania mają duży potencjał zastosowania w zakresie poprawy wodoodporności inwertera.

Ponadto, ponieważ obudowa falownika została zaprojektowana zgodnie z klasą ochrony IP65, a podczas pracy falownika temperatura w jego wnętrzu wzrasta, różnica ciśnienia wynikająca z wysokiej temperatury wewnątrz i zmian warunków otoczenia może prowadzić do przedostawania się wody i uszkodzenia wrażliwych elementów elektronicznych. Aby temu zapobiec, na obudowie falownika zwykle montujemy wodoodporny zawór oddychający. Taki zawór umożliwia efektywną równowagę ciśnienia, redukuje kondensację wewnątrz urządzeń uszczelniających oraz jednocześnie zapobiega przedostawaniu się kurzu i cieczy, co zwiększa bezpieczeństwo, niezawodność i żywotność produktów falownikowych.

Wynika z tego, że odpowiednie projektowanie konstrukcji inwertera fotowoltaicznego wymaga starannego i precyzyjnego opracowania oraz wyboru odpowiednich rozwiązań – dotyczy to zarówno projektowania obudowy, jak i wybranych materiałów. W przeciwnym razie niedopatrzenie w projekcie spowodowane chęcią ograniczenia kosztów może stworzyć poważne zagrożenia dla długoterminowej i stabilnej pracy inwertera fotowoltaicznego.