Koeling voor de omvormer

De extra gemonteerde koeling gericht op de omvormer van de zonnepanelen.

De eerdere Sungrow omvormer hing ook al keurig binnen de goed geisoleerde schuur/tuinhuis (voorzien van 2 houten wanden, daartussen 10 cm Isover Unipan (ook op het dak), en ventilatieopeningen) maar raakte al snel oververhit in de standaard configuratie. De SMA Sunnyboy die ik hier nog had liggen heb ik daarvoor zolang voor in de plaats gemonteerd. Met zonnige dagen kon ik goed merken dat ook daar de koeling (met niet al te kleine aluminium koelplaat met vinnen) ook behoorlijk warm werd. Dus…. iets om te verfijnen 🙂

Initieel een voorhanden zijnde kamer-ventilator geplaatst, op een tijdklok. Hiermee draait de kamer-ventilator wanneer maximale instraling verwacht wordt (vaak tussen 10.00u tot 16.00u). Maar het blijft behelpen, zeker als die ventilator maximaal 45 Watt verbruikt (op hoogste stand).

Vandaag dan naar de elektronica zaak gereden en een 120mm ventilator gehaald.  Je ziet dat de ventilator redelijk dik is, ik schat zo’n 2 cm. Ik heb die bewust gekozen zodat de fans voldoende hoek en oppervlak maken waardoor een stevige luchtstroom ontstaat.

Met een oudere voeding kreeg ik deze snel aan de praat, waarna ik de ventilator voorzien heb van een 2,1 mm plug zodat ik met een simpele handeling de voeding er aan kan bevestigen. Een digitale/schakelende voeding op de ventilator heb ik ook geprobeerd, doch dat resulteerde niet in het gewenste resultaat: als deze combinatie al werkte, dan kwam er amper een luchtstroom op gang!

Gecombineerd zal het geheel (ventilator en voeding) zo’n 5 a 6 Watt bedragen, waarbij de meeropbrengst terug te vinden zal in een koelere omvormer, met langduriger hoog rendement (het scenario van de-rating (terugschakelen bij hoge temperaturen) zal niet of veeeeeel later kunnen optreden)). In het najaar (zeg vanaf oktober) kan ik deze geforceerde luchtkoeling weer uitschakelen.

Overigens, hangt je omvormer geheel buiten in de open lucht (wat heel goed mogelijk is met de SMA Sunnboy serie), dan is deze vorm van geforceerde koeling niet eens nodig: door de wind zal volgens mij voldoende warmte afgevoerd worden van de omvormer en koelplaat.

 

Hoe bereken je een en ander?

Leuk vond ik de tijd van de elektronica-opleiding waar ik o.a. heb mogen rekenen aan de bekende schakelingen, maar ook aan koelplaten/heatsink. Aangezien ik een en ander niet exact kan achterhalen qua ontwerp van de door mij gebruikte SunnyBoy 1700 omvormer kan ik wel een klein voorbeeldje opstellen.

In nevenstaand figuur is een halfgeleider (hier een transistor in TO-3 behuizing) gemonteerd op een koelplaat/heatsink.

Zodra de halfgeleider in bedrijf is, wordt er ook energie als warmte vrijgegeven.

 

 

  • Tj: junction temperature: de temperatuur die binnenin de transistor ontstaat
  • Rth(j−mb):(mb: mounting base): warmteweerstand tussen de junctie en transistorbehuizing. (ook wel case-R genoemd)
  • Rth(mb−h):(h: heatsink): warmteweerstand tussen transistorbehuizing en koelplaat
  • Rth(h−a):weerstand tussen koelplaat(heatsink) en omgeving (ambient)
  • Rth(j−a):thermische weerstand van componenten zonder koellichaam!

Deze temperaturen moeten allemaal zo klein mogelijk zijn!

Stel dat in de omvormer een aantal halfgeleiders (transistoren, MOSFET’s, Triac’s etcetera) zijn gemonteerd en allen aan de koelplaat bevestigd die boven op geplaatst is. Voor het gemak benoemen we deze in dit scenario als 1 halfgeleidercomponent (anders zul je per type/soort component ook de betreffende berekeningen seperaat moeten uitvoeren, en van daaruit de totale dissipatie voor het koellichaam moeten berekenen door een sommatie van de seperate berekeningen per halfgeleider gemonteerd aan de koelplaat).

Onderstaande berekeningen zijn gebaseerd op aannames. Voor juiste controle van koellichaam op apparatuur is het essentieel dat je verifieert met welke halfgeleiders en welk type behuizing je van doen hebt (alsmede eventueel geplaatste isolatie-materialen).

Omgevingstemperatuur (Tambient) vastgesteld op 25 graden Celsius.

Vermogen van de halfgeleider in de omvormer = 60 Watt (aanname)

Tjunction (maximaal) bij 25 graden Celsius = 200 graden C.

Maximale warmteweerstand is dan : Rth = (delta Tj-Ta)/ Vermogen halfgeleider = (200-25)/60 = 2,92 Kelvin/Watt (of : 2,92 ºC/W).

Rth(J-mb) = 1,5 ºC/W (afkomstig uit datasheets van de TO-3 behuizing transistor);

Rth(mb-h) = 0,6 °C/W (afkomstig van datasheets m.b.t. de aluminium oxyde-isolator met warmtegeleidende pasta/gel).

Rth(h-a) = 2,92 – 1,5 – 0,6 = 0,82 °C/W maximaal. (beter/juister is de notatie 0,82 Kelvin/Watt (K/W)).

Aan de hand van je benodigde afmeting (in dit geval op de omvormer) en de materialenlijst van het magazijn en/of leverancier, kun je dan een passende heatsink/koelplaat kiezen in het ontwerp van de omvormer. Deze is dan toereikend voor het functioneren van het apparaat/omvormer bij een omgevingstemperatuur van 25 graden Celsius en een koelplaat/heatsink die gebruik maakt van normale radiatie (uitstraling) van warmte.

Uiteraard hangt het formaat ook af van het materiaal: aluminium heeft heel andere eigenschappen als koper. Koper daarintegen is erg prijzig, maar geleidt warmte zeer goed (en heeft dus een lage warmtegeleidingsweerstand (koper = 390 W/m K, aluminium = 237 W/m K). Ergo: als je kiest voor koper als bronmateriaal voor de heatsink, dan kun je volstaan met bijna een half zo grote koelplaat ten opzicht van de keuze bij aluminium.

Is koper als materiaal te duur…. dan kun je ook nog werken met geforceerde luchtkoeling. Bij elektronica (computers/processoren) zit vaak een ventilator(tje) gemonteerd op de heatsink.

Bij een natuurlijke vorm van koeling (dus luchtstroom = 0) bedraagt de capaciteit voor de berekende koelplaat/heatsink 0,82 °C/W (of Kelvin/Watt) (in het voorbeeld).

Wordt een geforceerde luchtstroom toegepast via een ventilator, dan zakt deze capaciteit naar 0,22 * 0,82 = 0,18 °C/W (of Kelvin/Watt). De getoonde grafiek is als voorbeeld, overgenomen uit een boek van lang geleden.

Een fysieke besparing op het koeloppervlak van circa 1/5 deel van de oorspronkelijk berekende capaciteit. Zorg je echter voor grote/ruim bemeten koel-oppervlakte, dan zakken je temperaturen natuurlijk ook!

Ook de plaatsing is belangrijk: natuurlijke manier is dat warme lucht omhoog stijgt (thermiek is een goed voorbeeld). Door de koelvinnen van de heatsink zo te monteren kan een natuurlijke luchtstroom warmte afvoeren. Helaas heeft SMA gekozen de luchtkoeling bovenop de behuizing te plaatsen, met gevolg een wat minder optimale warmteafgifte (denk ik).

Stel je hebt geld genoeg over, dan zou je theoretisch de standaard aluminium koelplaat van de omvormer(s) kunnen vervangen door een van koper (uiteraard rekening houdend met elektrische isolatie van de halfgeleiders en de kwetsbaarheid van koper). Daarmaa zou je ook al een optimalere warmteafgifte kunnen realiseren. Maar schrik niet van de prijzen die je voor een koperen koellichaam van ca. 30 x 20 cm gaat betalen 😉

Tot zover een kort stukje educatieve basis-elektronica 😉 Uiteraard zijn vele zaken nog niet meegenomen, zoals fysieke vormgeving van de koelplaat/heatsink (standaard lamellen, of juist andere uitvoeringen). Maar laat het duidelijk wezen dat het hoofd koel houden in de elektronica en dus in de zonnestroom-productie een essentieel deel is om lang te mogen genieten van de omvormers!

Waarom schreef ik die berekeningen? Wel, ik ben eigenlijk stiekum benieuwd hoe de omvormer is ontworpen (in elk geval tot 60 graden Celsius omgevings temperatuur). Maar ik ben ook erg benieuwd of met een simpele aanpassing het mogelijk is een betere warmteafgifte van de heatsink te realiseren. Mocht iemand details hebben van interne componenten uit een omvormer die zijn gemonteerd aan de koelplaat: laat maar horen!

 

Datasheet informatie SUNON ventilator KDE1212PMS3-6A toegepast in dit verslag:

  • DC motor
  • 12 Volt DC bedrijfsspanning
  • 3,2 Watt
  • 120 x 120 mm (lengte x breedte)
  • PBT plastic/kunststof frame(behuizing)
  • 38 mm dikte
  • 83 Cubic Feet per Hour = ca. 140 m3/u
  • bearing type : sleeves
  • low speed (2400 RPM)
  • 6 polige motor/stator
  • Autostart

 

7 thoughts on “Koeling voor de omvormer”

  1. De SB 1700 is geschikt voor buiten, waarom prik je niet een paar kabeltjes door de muur van je tuinhuis?

  2. @Eric: da’s ook een optie, maar ik hou die apparatuur liever binnen uit het zicht van ongenode gasten 😉

    Ik heb zojuist via YouTube een korte opname gemaakt van de opstelling.

  3. Ik heb hetzelfde probleem mijn sunny boy 2500 werdt erg heet dus een 12 volt zonnepaneeltje van een accu bewaking gesloopt en een 12 volt ventilatortje op d koelribben geplaatst. Als de zon schijnt dan begint hij te draaien en als het donker wordt gaat hij weer uit. Ben nog wel van plan om een thermostaatje er tussen te zetten zodat hij aanloopt met de volle 12 volt lijkt mij beter.

  4. Let op bij het zonnepaneeltje, de fan zal uitvallen als er bewolking voor de zon schuift. Ik kies daarom liever voor een (energie-zuinige) fan en laat deze met een tijdklok schakelen op de uren dat er koeling gewenst is (van ca. 10.00u tot 18.00u).

  5. Vreemd hoor
    Je kunt toch verwachten dat de omvormer voldoende koelt voor een goede werking.
    Kun je niet met koperdraden zorgen voor passieve koeling?

  6. Helaas, de (aluminium) koelplaat van de SMA omvormer wordt behoorlijk warm. Natuurlijk is een koperen uitvoering met deze koelvinnen ook beter (qua warmtegeleiding), maar behoorlijk prijzig als je ze al kan vinden. Met een ventilator kan je toch een geforceerde luchtstroom richten, waardoor de warmteafgifte verbeterd wordt.

  7. Op zich werkt een klein zonnepaneeltje prima. Als een wolk voor de zon schuift, dan brengen de panelen ook even minder op en behoeft de omvormer ook even minder koeling.
    Ik had dit vorig jaar ook zo gemonteerd en zal dit komende week ook weer op gaan hangen. In de winter haal ik het kleine paneeltje van het dak. Kan ik gelijk de panelen even inspecteren.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *