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1 引言
隨著分布式光伏的大力發展，25~60kW功率等級的組串式逆變器在工商業屋頂及小型山丘電站上得以廣泛應用。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，面臨風吹日曬，甚至沙塵等惡劣使用環境的挑戰，組串式逆變器所配置的外部風扇是否能滿足戶外使用所要求的防水、防塵及鹽霧要求呢？筆者接下來帶領大家對國內某知名組串式逆變器廠家所選用高防護戶外風扇進行深入的剖析。
2 組串式逆變器風扇散熱的必要性
《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冷散熱方式更為適宜。《不同散熱方式組串式逆變器散熱能力調查》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現，在同樣的環境溫度下，強制風冷的逆變器內部環境溫度及核心器件溫度比自然冷卻的逆變器低約20℃左右，強制風冷的逆變器散熱性能更優，實際使用壽命更有保障，逆變器可在較高的環境溫度下滿功率輸出，保證發電量。國內某光伏電站運行狀況調研發現，采用自然冷卻方式的組串式逆變器由于散熱性能差，高溫環境下會出現降額運行，導致逆變器發電量損失。再次驗證了“當組串式逆變器單機功率大于25kW時，采用強制風冷散熱方式更為適宜”設計觀點的正確性。筆者通過調研發現主流逆變器廠家25kW功率等級以上的產品大都采用強制風冷散熱方式，如SMA、Sungrow、Delta等，并采用IP65高防護等級的戶外型風扇，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 此風扇非彼風扇之防護篇
世界上第一臺風扇起源于1880年，美國人舒樂首次將葉片裝在電動機上后接通電源，葉片飛速轉動，陣陣涼風撲面而來。部分人對風扇印象可能還停留在風扇噪音大，防水防塵能力差，線圈容易生銹，使用壽命短，容易壞的階段。但隨著風扇使用場合的多樣化，使用環境對風扇防護設計及壽命不斷提出挑戰，經過風扇廠家的不斷設計創新，風扇防護能力及壽命得以大大提高。目前高防護、長壽命的戶外型風扇已應用在通信電信、電力電子等領域。此風扇所指為組串式逆變器采用的高防護戶外風扇，而彼風扇所指為傳統的普通無防護風扇或低防護風扇，二者的性能有一定差異，需要對兩種風扇進行深入剖析，以改變人們對風扇的固有印象。
3.1 風扇高防護工藝介紹
高防護戶外風扇主要由框架﹑扇葉﹑PCB板、定子、轉子、軸承六部分組成。風扇防護工藝主要是針對內部線圈及PCB板上的電子部件進行保護。普通無防護風扇或低防護的風扇，風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，極易導致風扇失效，同時風扇線圈長時間暴露在空氣中也會導致生銹。與低防護風扇的防護工藝相比，高防護戶外風扇采用環氧樹脂或硅膠對整個風扇線圈和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標準規定的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扇的防護性能，筆者選取了嶄新的主流高防護戶外風扇以及在某光伏電站使用了3年的高防護戶外風扇作為試驗樣品，進行防水、防沙塵、防鹽霧能力測試，通過檢測高防護戶外風扇測試前后的轉速、電流、絕緣電阻等核心電氣指標，發現測試前后核心電氣指標在誤差范圍內，完全符合IEC60529標準規定的IP65防護等級的設計要求。
3.2 風扇防水能力測試
針對IPX5防護等級的風扇，按照IEC60529標準要求在距離機殼表面2.5米到3米的范圍內使用一個標準測試噴嘴從所有可行方向對風扇樣品進行噴濺，水流量在12.5升/分鐘，最短測試持續時間3分鐘。測試結束后，對風扇核心電氣指標進行檢測，誤差在范圍內，將風扇拆分內部無進水痕跡。
3.3 風扇防塵能力測試
針對IP6X防護等級的風扇，按照IEC60529標準將風扇樣品置于密封的沙塵箱內，沙塵箱內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。測試結束后，同樣對風扇核心電氣指標進行檢測，誤差在范圍內，拆分后風扇定子、轉子完好，無沙塵侵入內部軸承及PCB板等關鍵區域。
3.4 風扇防鹽霧能力測試
針對防鹽霧能力測試，按照IEC60068-2-52《鹽水噴霧循環試驗》標準將風扇樣品放入鹽霧箱內，在15℃～35℃溫度下，用質量百分比濃度為5%的氯化鈉溶液連續噴霧24小時，然后存儲12小時為一次循環，總共測試3個循環。測試結束后，同樣對風扇核心電氣指標進行檢測，誤差在范圍內，拆分后風扇軸承、線圈、PCB板等關鍵區域無生銹痕跡。
4 此風扇非彼風扇之壽命篇
風扇壽命主要由軸承內潤滑油的含量、種類以及使用環境決定。風扇壽命可通過不同的技術方法測試得到。IPC-9591《空氣轉動裝置的性能參數(機械，電氣，環境和質量/可靠性)》標準中聲明了空氣轉動裝置包括風扇、鼓風機以及其他強制空氣運動裝置，并詳細給出了空氣轉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，利用轉換公式推算出正常工作溫度范圍下的使用壽命。
IPC-9591標準中的推算公式為，其中為加速測試時的環境溫度，為在溫度下的實測壽命，為需折算到環境溫度，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扇廠家，如NMB、EBM和SANYO，大都采用IPC-9591的標準來給出各自風扇產品的壽命曲線。圖5所示為某國際主流風扇廠家利用IPC-9591標準的推算方法給出的壽命曲線及數據。
以組串式逆變器最惡劣環境溫度50℃考慮，風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冷控制，只有在逆變器模塊溫度達到70℃以上時風扇才會滿轉。在正常一天內，風扇滿轉時間大約為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扇使用壽命約為60319/6/365=27.5年。
通常情況下不需要對風扇進行維護，即便出現最壞的情況需要更換風扇時，也可快速的對風扇進行更換。以某知名廠家的組串式逆變器為例，風扇位于機箱外側，采用可拆卸的固定方式，更換一只風扇所需時間平均在1分鐘左右，并且更換風扇逆變器無需停機。
高防護戶外風扇由于采用了整個線圈及PCB板完全灌封的防護工藝，從設計上完全可以達到IP65以上防護等級。通過對主流的高防護戶外風扇進行實驗測試，結果表明高防護戶外風扇完全符合IP65防護等級要求，能夠滿足在風沙大、腐蝕性強、風吹日曬雨淋等惡劣環境中長期可靠運行的要求。高防護風扇的防護等級及壽命設計完全匹配組串式逆變器整機防護及壽命設計要求。
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
(2) 《不同散熱方式組串式逆變器散熱能力調查》-世紀新能源網
(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展，25~60kW功率等級的組串式逆變器在工商業屋頂及小型山丘電站上得以廣泛應用。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，面臨風吹日曬，甚至沙塵等惡劣使用環境的挑戰，組串式逆變器所配置的外部風扇是否能滿足戶外使用所要求的防水、防塵及鹽霧要求呢？筆者接下來帶領大家對國內某知名組串式逆變器廠家所選用高防護戶外風扇進行深入的剖析。
2 組串式逆變器風扇散熱的必要性
《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冷散熱方式更為適宜。《不同散熱方式組串式逆變器散熱能力調查》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現，在同樣的環境溫度下，強制風冷的逆變器內部環境溫度及核心器件溫度比自然冷卻的逆變器低約20℃左右，強制風冷的逆變器散熱性能更優，實際使用壽命更有保障，逆變器可在較高的環境溫度下滿功率輸出，保證發電量。國內某光伏電站運行狀況調研發現，采用自然冷卻方式的組串式逆變器由于散熱性能差，高溫環境下會出現降額運行，導致逆變器發電量損失。再次驗證了“當組串式逆變器單機功率大于25kW時，采用強制風冷散熱方式更為適宜”設計觀點的正確性。筆者通過調研發現主流逆變器廠家25kW功率等級以上的產品大都采用強制風冷散熱方式，如SMA、Sungrow、Delta等，并采用IP65高防護等級的戶外型風扇，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 此風扇非彼風扇之防護篇
世界上第一臺風扇起源于1880年，美國人舒樂首次將葉片裝在電動機上后接通電源，葉片飛速轉動，陣陣涼風撲面而來。部分人對風扇印象可能還停留在風扇噪音大，防水防塵能力差，線圈容易生銹，使用壽命短，容易壞的階段。但隨著風扇使用場合的多樣化，使用環境對風扇防護設計及壽命不斷提出挑戰，經過風扇廠家的不斷設計創新，風扇防護能力及壽命得以大大提高。目前高防護、長壽命的戶外型風扇已應用在通信電信、電力電子等領域。此風扇所指為組串式逆變器采用的高防護戶外風扇，而彼風扇所指為傳統的普通無防護風扇或低防護風扇，二者的性能有一定差異，需要對兩種風扇進行深入剖析，以改變人們對風扇的固有印象。
3.1 風扇高防護工藝介紹
高防護戶外風扇主要由框架﹑扇葉﹑PCB板、定子、轉子、軸承六部分組成。風扇防護工藝主要是針對內部線圈及PCB板上的電子部件進行保護。普通無防護風扇或低防護的風扇，風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，極易導致風扇失效，同時風扇線圈長時間暴露在空氣中也會導致生銹。與低防護風扇的防護工藝相比，高防護戶外風扇采用環氧樹脂或硅膠對整個風扇線圈和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標準規定的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扇的防護性能，筆者選取了嶄新的主流高防護戶外風扇以及在某光伏電站使用了3年的高防護戶外風扇作為試驗樣品，進行防水、防沙塵、防鹽霧能力測試，通過檢測高防護戶外風扇測試前后的轉速、電流、絕緣電阻等核心電氣指標，發現測試前后核心電氣指標在誤差范圍內，完全符合IEC60529標準規定的IP65防護等級的設計要求。
3.2 風扇防水能力測試
針對IPX5防護等級的風扇，按照IEC60529標準要求在距離機殼表面2.5米到3米的范圍內使用一個標準測試噴嘴從所有可行方向對風扇樣品進行噴濺，水流量在12.5升/分鐘，最短測試持續時間3分鐘。測試結束后，對風扇核心電氣指標進行檢測，誤差在范圍內，將風扇拆分內部無進水痕跡。
圖2 防水能力測試實驗
3.3 風扇防塵能力測試
針對IP6X防護等級的風扇，按照IEC60529標準將風扇樣品置于密封的沙塵箱內，沙塵箱內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。測試結束后，同樣對風扇核心電氣指標進行檢測，誤差在范圍內，拆分后風扇定子、轉子完好，無沙塵侵入內部軸承及PCB板等關鍵區域。
圖3 防塵能力測試實驗
3.4 風扇防鹽霧能力測試
針對防鹽霧能力測試，按照IEC60068-2-52《鹽水噴霧循環試驗》標準將風扇樣品放入鹽霧箱內，在15℃～35℃溫度下，用質量百分比濃度為5%的氯化鈉溶液連續噴霧24小時，然后存儲12小時為一次循環，總共測試3個循環。測試結束后，同樣對風扇核心電氣指標進行檢測，誤差在范圍內，拆分后風扇軸承、線圈、PCB板等關鍵區域無生銹痕跡。
圖4 防鹽霧能力測試結果
4 此風扇非彼風扇之壽命篇
風扇壽命主要由軸承內潤滑油的含量、種類以及使用環境決定。風扇壽命可通過不同的技術方法測試得到。IPC-9591《空氣轉動裝置的性能參數(機械，電氣，環境和質量/可靠性)》標準中聲明了空氣轉動裝置包括風扇、鼓風機以及其他強制空氣運動裝置，并詳細給出了空氣轉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，利用轉換公式推算出正常工作溫度范圍下的使用壽命。
IPC-9591標準中的推算公式為，其中為加速測試時的環境溫度，為在溫度下的實測壽命，為需折算到環境溫度，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扇廠家，如NMB、EBM和SANYO，大都采用IPC-9591的標準來給出各自風扇產品的壽命曲線。圖5所示為某國際主流風扇廠家利用IPC-9591標準的推算方法給出的壽命曲線及數據。
圖5 某國際主流風扇的壽命曲線
以組串式逆變器最惡劣環境溫度50℃考慮，風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冷控制，只有在逆變器模塊溫度達到70℃以上時風扇才會滿轉。在正常一天內，風扇滿轉時間大約為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扇使用壽命約為60319/6/365=27.5年。
通常情況下不需要對風扇進行維護，即便出現最壞的情況需要更換風扇時，也可快速的對風扇進行更換。以某知名廠家的組串式逆變器為例，風扇位于機箱外側，采用可拆卸的固定方式，更換一只風扇所需時間平均在1分鐘左右，并且更換風扇逆變器無需停機。
圖6 某知名廠家的組串式逆變器風扇更換流程
5 結論高防護戶外風扇由于采用了整個線圈及PCB板完全灌封的防護工藝，從設計上完全可以達到IP65以上防護等級。通過對主流的高防護戶外風扇進行實驗測試，結果表明高防護戶外風扇完全符合IP65防護等級要求，能夠滿足在風沙大、腐蝕性強、風吹日曬雨淋等惡劣環境中長期可靠運行的要求。高防護風扇的防護等級及壽命設計完全匹配組串式逆變器整機防護及壽命設計要求。
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
(2) 《不同散熱方式組串式逆變器散熱能力調查》-世紀新能源網
(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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