Улучшение конструкции солнечных инверторов с помощью кремния

Аккумуляторная батарея Trojan 31XHS

Инверторы должны выдерживать высокие температуры, возникающие в процессе работы, иначе производительность и надёжность системы могут оказаться под угрозой. Коди Шонер из компании Dow Performance Silicones утверждает, что использование материалов на основе силикона для изготовления инверторов может улучшить теплоотвод и противопожарную защиту, а также обеспечить термическую стабильность, устойчивость к воздействию окружающей среды, электрическую изоляцию и эффективность работы.

Помимо своей основной функции — преобразования переменного тока в постоянный и оптимизации выходной мощности фотоэлектрической системы или системы «солнечная энергия плюс накопитель» — инверторы также должны быть огнестойкими, обеспечивать электробезопасность и выдерживать воздействие внешних условий. Устойчивость к воздействию окружающей среды имеет решающее значение, поскольку инверторы могут устанавливаться в жарких, влажных, сырых или соленых помещениях.

Долговечность также важна, поскольку инверторы должны обеспечивать надёжную работу в течение более чем 20 лет. Кроме того, разработчикам продукции нужны защитные материалы, которые подходят для крупносерийного производства и обладают набором функций для решения конкретных задач.

Преимущество силикона

Силиконы используются в качестве герметизирующих материалов и для других целей в инверторах, поскольку они выдерживают более высокие рабочие температуры, чем обычные альтернативы, такие как эпоксидные смолы или полиуретаны. По мере того как силовая электроника переходит на более высокое рабочее напряжение, выделяется больше тепла. Системы с более высоким напряжением могут повысить эффективность преобразования энергии и снизить потери, но используемые в них инверторы, как правило, дороже и требуют более тщательного контроля температуры. Более высокое напряжение также требует более надёжной электрической изоляции.

Одним из преимуществ силиконов является то, что они выпускаются в составах, соответствующих различным классам огнестойкости по стандарту UL, что делает их пригодными для применения в областях, требующих повышенной пожарной безопасности. Это особенно актуально для систем, использующих литий-ионные аккумуляторы, которые в редких случаях могут загореться.

Помимо огнестойкости, силиконы также обладают хорошей устойчивостью к воздействию окружающей среды, сохраняют свои механические свойства, устойчивы к растрескиванию, вызванному термоциклированием, и обеспечивают электроизоляцию. Они представлены в широком ассортименте, что позволяет производить их в больших объёмах.

Благодаря высокой устойчивости к воздействию окружающей среды силиконы могут выдерживать воздействие влаги, сырости и широкого диапазона температур, характерных для наружных установок. Они также устойчивы к коррозии в соленой воде. Благодаря своей мягкости и способности снижать напряжение, они обеспечивают защиту от механических ударов и вибрации. Такие нагрузки могут возникать во время транспортировки или установки из-за таких факторов окружающей среды, как сильный ветер, а также из-за постоянной работы и переключения питания в фотоэлектрическом инверторе.

Обычно силиконы обладают теплоизоляционными свойствами. Однако добавление теплопроводящих наполнителей также обеспечивает эффективный отвод тепла. По сравнению с воздухом, который в противном случае заполнял бы промежутки между источниками тепла и теплоотводами, материалы на основе силикона обладают более высокой теплопроводностью, то есть способностью рассеивать тепло. Они также имеют низкое тепловое сопротивление, то есть способность материала препятствовать потоку тепла.

Управление температурой

К теплопроводящим силиконовым материалам для фотоэлектрических инверторов относятся силиконовые герметики, термоинтерфейсные материалы (TIM), термопасты и термогели. Эти терморегулирующие материалы также используются в аккумуляторных системах накопления энергии (BESS), но в них применяются термоизолирующие, а не теплопроводящие силиконы.

Теплопроводящие силиконовые компаунды легко заполняют сложные геометрические формы в индуктивном модуле фотоэлектрического инвертора. Благодаря низкой вязкости их легко наносить с помощью автоматизированного оборудования для крупносерийного производства. После нанесения силиконовых компаундов на печатные платы (ПП) и их компоненты требуется отверждение. Некоторые продукты могут отверждаться при комнатной температуре, а не в энергозатратных печах, но печи все равно можно использовать для ускорения процесса.

Силиконовые термоинтерфейсы обладают более высокой теплопроводностью, чем силиконовые герметики. В инверторах они используются между печатными платами и биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), которые применяются для переключения при высоком напряжении. В солнечных батареях силиконовые термоинтерфейсы могут использоваться в инверторах постоянного/переменного тока напряжением 1500 В, которые рассчитаны на мощность до 300 кВт. Одним из преимуществ этих материалов является то, что их можно наносить в виде контактных площадок с помощью автоматизированного оборудования, трафаретной или тампонной печати, что ускоряет сборку по сравнению с ручным нанесением.

Силиконовые термопасты обеспечивают более тонкое соединение, чем силиконовые термоинтерфейсы. Это важно для терморегулирования, поскольку тепло проходит меньшее расстояние от источника тепла к радиатору. Силиконовые термопасты также легко поддаются доработке, а их вязкость варьируется от нетекучей до полутекучей. Поскольку они не затвердевают, они остаются в пастообразном состоянии, что помогает оптимизировать смачивание поверхности для снижения термического сопротивления.

Теплопроводящие силиконовые гели подходят для линий связи различной толщины, что обеспечивает гибкость при проектировании. Они дешевле, чем готовые термопрокладки, и могут использоваться для защиты IGBT-транзисторов. Благодаря текучести силиконовые термогели можно наносить в виде печатаемых прокладок или распределять как жидкий наполнитель зазоров. Эти мягкие, сжимаемые и снижающие напряжение материалы допускают доработку и подходят для электронных устройств с небольшими формами и сложной геометрией. Хотя они требуют отверждения, некоторые составы могут отверждаться при комнатной температуре.

Хотя в BESS используются многие из тех же теплопроводящих силиконов, что и в фотоэлектрических инверторах, в них также применяются огнестойкие силиконы, обладающие теплоизоляционными свойствами. Например, силиконовая пена представляет собой лёгкую альтернативу герметикам, а заливочная пена используется для заполнения пространства между отдельными элементами батареи.

В конструкциях BESS также могут использоваться силиконовые клеи для повышения механической стабильности. Эти клеи, доступные как в теплопроводящих, так и в теплоизоляционных вариантах, обеспечивают фиксацию компонентов, снижая вибрацию и давление на выводы компонентов.

По мере того как солнечная энергия продолжает менять подходы к производству, передаче и распределению электроэнергии, выбор материалов играет ключевую роль в обеспечении прогресса. Важно отметить, что материалы на основе силикона для инверторов обладают широкими возможностями настройки свойств и могут соответствовать специфическим требованиям к производительности и обработке. Однако разработка технологий будущего не может осуществляться по единому шаблону. Поэтому разработчикам важно выбирать современные силиконовые материалы, которые обладают теплопроводностью, поддерживают работу фотоэлектрических элементов и обеспечивают безопасность.