ES2908802T3 - Sistemas y métodos para la gestión térmica en inversores de potencia comerciales - Google Patents

Sistemas y métodos para la gestión térmica en inversores de potencia comerciales Download PDF

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Abstract

Un sistema (100) de componentes electrónicos de potencia, que comprende: un compartimento (110) de componentes electrónicos sellado ambientalmente para alojar el equipo de componentes electrónicos de potencia; un ventilador (138) configurado para hacer circular aire dentro del compartimiento de componentes electrónicos sellado ambientalmente; una cámara (160) impelente dentro del compartimento de componentes electrónicos sellado para hacer circular el aire a través de una parte superior del compartimento y hacia abajo por una pared lateral interior del compartimento hasta el ventilador; un primer circuito (130) de refrigeración por líquido configurado para refrigerar el aire que fluye a través de la cámara impelente; un segundo circuito (150) de refrigeración por líquido configurado para refrigerar directamente el equipo de componentes electrónicos de potencia, el segundo circuito de refrigeración que está separado del primer circuito de refrigeración; y un controlador (145) para controlar independientemente los caudales de aire y los caudales de refrigerante del primer circuito de refrigeración por líquido y del segundo circuito de refrigeración por líquido.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistemas y métodos para la gestión térmica en inversores de potencia comerciales
Solicitudes relacionadas
La presente solicitud reivindica el beneficio de prioridad bajo 35 U.S.C. § 119(e) a la Solicitud Provisional de EE.UU. Número 62/352,431, titulada "SYSTEMS AND METHODS FOR THERMAL MANAGEMENT IN UTILITY SCALE POWER INVERTERS," presentada el 20 de junio de 2016.
La presente solicitud se relaciona con la Solicitud de Patente de EE.UU. con el Número de Serie 62/352,406 titulada “SYSTEMS AND METHODS FOR HUMIDITY CONTROL IN UTILITY SCALE POWER INVERTERS,” presentada el 20 de junio de 2016.
Antecedentes
Campo de invención
Las realizaciones de la presente invención se refieren generalmente a carcasas de inversores de potencia comerciales.
Análisis de la técnica relacionada
Un inversor de potencia, o inversor, es un dispositivo o circuito electrónico que convierte la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Los inversores se pueden usar en varios contextos diferentes, con diferentes fuentes de alimentación de CC (tal como baterías de ácido de plomo, paneles solares fotovoltaicos, turbinas eólicas, etc.), y se pueden diseñar para satisfacer diferentes demandas de energía de un sistema.
Los inversores solares comerciales, en particular, convierten la salida de CC variable de un panel solar fotovoltaico (PV) en una frecuencia de CA comercial para proporcionar energía ya sea a una red eléctrica comercial o a una red eléctrica local fuera de la red eléctrica. Los inversores solares están conectados a una pluralidad de células fotovoltaicas que proporcionan una entrada de CC al inversor. El inversor comprende al menos un puente de conversión de energía de CC a CA, unos componentes electrónicos del filtro asociado y un módulo de CA (salida). El puente de conversión de energía de CC a CA usa una pluralidad de interruptores electrónicos, típicamente transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), y diodos para convertir la entrada de CC en salida de CA. Para los inversores conectados a la red que proporcionan energía a una red eléctrica, la salida de CA se filtra para proporcionar una forma de onda de salida de CA adecuada para la red. Además, los inversores de potencia solar tienen funciones especiales adaptadas para su uso con conjuntos fotovoltaicos, que incluyen el seguimiento del punto de máxima potencia y la protección contra la formación de islas.
Durante el funcionamiento, diversos componentes de un inversor solar (que incluyen los puentes de conversión de energía y los componentes electrónicos/magnéticos del filtro) generan una cantidad significativa de calor y típicamente requieren refrigeración. Para inversores solares de baja potencia, proporcionar un flujo de aire de refrigeración alrededor de los componentes del módulo inversor que producen calor suele ser suficiente. La refrigeración por aire (usando ventiladores, extractores, radiadores, etc.) también se ha usado para la gestión térmica en inversores solares convencionales de alta potencia (>1 MW) donde la carcasa está ventilada (abierta al entorno). Sin embargo, los inversores solares de alta potencia generalmente requieren una refrigeración más sofisticada y, a veces, son refrigerados por líquido. Además, los requisitos de densidad de potencia para los inversores solares han seguido aumentando, de modo que la refrigeración por aire tradicional no se adapta bien a los requisitos de extracción de calor.
El circuito de refrigeración por líquido en los inversores solares de alta potencia a veces forma parte de un sistema de refrigeración más grande que se usa para otros fines. Para inversores solares de alta potencia, un enfoque de este tipo puede ser inadecuado para eliminar de forma fiable el calor generado. Además, la integración de un inversor solar en un sistema de refrigeración multisistema más grande in situ es una tarea especializada y hace que la instalación y el mantenimiento de tales inversores solares sean caros.
Algunos enfoques han descrito un inversor solar refrigerado por líquido en el que se bombea refrigerante líquido alrededor de elementos del inversor solar, en un solo circuito, para refrigerar elementos del módulo de CC, el módulo inversor, y/o el módulo de CA. El líquido refrigerante se puede dirigir a un intercambiador de calor en el que el líquido refrigerante es refrigerado por aire.
Los inversores solares deben poder funcionar en entornos hostiles (arenosos, polvorientos, calientes, fríos, junto al mar, condiciones climáticas variadas, etc.) y deben tener un requisito de vida útil prolongado (por ejemplo, 30 años) con requisitos de tiempo de actividad altos. El sistema de gestión térmica es preferiblemente robusto y fiable y para regular térmicamente y proteger el equipo caro y complejo en el inversor solar. Además, el sistema de gestión térmica es preferiblemente compacto, de funcionamiento eficiente y preferiblemente fácil de instalar y mantener.
El documento US2012/253571 describe ejemplos de sistemas de componentes electrónicos de potencia y métodos con control térmico según la técnica anterior disponible.
Compendio
La invención se define por las características de las reivindicaciones 1 y 10. Realizaciones adicionales se definen en las reivindicaciones dependientes.
En al menos una realización según los principios de la presente invención, un sistema de componentes electrónicos de potencia comprende un compartimiento de componentes electrónicos sellado ambientalmente para alojar un equipo de componentes electrónicos de potencia; un ventilador configurado para hacer circular aire dentro del compartimiento de componentes electrónicos sellado ambientalmente; una cámara impelente dentro del compartimiento de componentes electrónicos sellado para hacer circular el aire a través de una parte superior del compartimiento y hacia abajo por una pared lateral interior del compartimiento hasta el ventilador; un primer circuito de refrigeración por líquido configurado para refrigerar el aire que fluye a través de la cámara impelente; un segundo circuito de refrigeración por líquido configurado para refrigerar directamente el equipo de componentes electrónicos de potencia, el segundo circuito de refrigeración que está separado del primer circuito de refrigeración; y un controlador para controlar independientemente los caudales de aire y los caudales de refrigerante del primer circuito de refrigeración por líquido y el segundo circuito de refrigeración por líquido.
El equipo de componentes electrónicos de potencia del sistema puede incluir un inversor. El sensor ambiental interno y el sensor ambiental externo pueden ser sensores de temperatura para obtener información de temperatura dentro del compartimiento de componentes electrónicos sellado y fuera del compartimiento, respectivamente. En algunas realizaciones, el primer circuito de refrigeración por líquido incluye una pluralidad de intercambiadores de calor y un ventilador para hacer circular el aire a través de la cámara impelente. Además, el segundo circuito de refrigeración por líquido puede incluir una placa térmica. En otras realizaciones, el controlador se puede programar para analizar datos ambientales para controlar el caudal de los circuitos de refrigeración por líquido y el flujo de aire para mantener una temperatura preestablecida dentro del compartimento de componentes electrónicos sellado.
Un aspecto de la descripción se dirige a un sistema de componentes electrónicos de potencia que comprende un compartimento de componentes electrónicos sellado ambientalmente para alojar un equipo de componentes electrónicos de potencia, una cámara impelente dentro del compartimento de componentes electrónicos sellado para hacer circular de aire, un primer circuito de refrigeración por líquido configurado para refrigerar el aire que fluye a través de la cámara impelente, un segundo circuito de refrigeración por líquido configurado para refrigerar directamente el equipo de componentes electrónicos de potencia, y un controlador para controlar de forma independiente los caudales de aire y los caudales de refrigerante del primer circuito de refrigeración por líquido y el segundo circuito de refrigeración por líquido.
Las realizaciones del sistema pueden incluir además el equipo de componentes electrónicos de potencia que incorpora un inversor. El equipo de componentes electrónicos de potencia puede incluir un inversor. El primer circuito de refrigeración por líquido puede incluir una pluralidad de intercambiadores de calor y al menos un ventilador para hacer circular el aire a través de la cámara impelente. El controlador se puede programar para analizar datos ambientales para controlar los caudales de aire y refrigerante del primer y segundo circuito de refrigeración por líquido para mantener una temperatura preestablecida dentro del compartimiento de componentes electrónicos sellado. El primer circuito de refrigeración por líquido puede incluir un primer intercambiador de calor, un segundo intercambiador de calor, y una bomba para hacer circular un refrigerante líquido en el primer circuito de refrigeración por líquido. El sistema puede incluir además un ventilador para hacer circular aire dentro del compartimento de componentes electrónicos sellado, el ventilador que está configurado para aspirar aire a través del conducto y soplar aire a través del primer intercambiador de calor. El sistema puede incluir además al menos un ventilador para aspirar aire del exterior a través del segundo intercambiador de calor para reducir la temperatura del refrigerante líquido que pasa a través del segundo intercambiador de calor. El primer circuito de refrigeración por líquido puede incluir un primer intercambiador de calor y el segundo circuito de refrigeración por líquido puede incluir un segundo intercambiador de calor, el sistema que comprende además al menos un ventilador configurado para aspirar aire a través del primer intercambiador de calor y del segundo intercambiador de calor. La cámara impelente se puede configurar para dirigir aire a través de una parte superior o techo del compartimento de componentes electrónicos sellado y hacia abajo por una pared lateral interior del compartimento de componentes electrónicos sellado. El segundo circuito de refrigeración por líquido puede incluir un intercambiador de calor y una bomba para hacer circular refrigerante líquido en el segundo circuito de refrigeración por líquido. El segundo circuito de refrigeración por líquido se puede configurar para dirigir refrigerante a través del equipo de componentes electrónicos de potencia o a través de un dispositivo asociado con el equipo de componentes electrónicos de potencia. El refrigerante en el segundo circuito de refrigeración por líquido se puede configurar para fluir a través de canales dentro de una placa térmica en la que se monta un puente de conversión de energía. El refrigerante en el segundo circuito de refrigeración por líquido se puede configurar además para fluir a través de múltiples placas térmicas en contacto con los componentes electrónicos del filtro y los componentes magnéticos asociados. El refrigerante en el segundo circuito de refrigeración por líquido se puede configurar para fluir junto a o con interruptores electrónicos. El controlador se puede configurar para recibir datos ambientales de sensores ambientales para controlar el funcionamiento del primer circuito de refrigeración por líquido y el segundo circuito de refrigeración por líquido.
Otro aspecto de la descripción se dirige a un método de control térmico en un sistema de componentes electrónicos de potencia. En una realización, el método comprende: controlar el caudal de un primer circuito de refrigeración por líquido dentro de una cámara impelente de un compartimento de componentes electrónicos sellado para alojar el equipo de componentes electrónicos de potencia; y controlar el caudal de un segundo circuito de refrigeración por líquido configurado para refrigerar directamente el equipo de componentes electrónicos de potencia dentro del compartimento de componentes electrónicos sellado.
Las realizaciones del método de control térmico en un sistema de componentes electrónicos de potencia comprenden: controlar el caudal de un primer circuito de refrigeración por líquido dentro de una cámara impelente dentro de un compartimento de componentes electrónicos sellado para alojar el equipo de componentes electrónicos de potencia; hacer circular, en la cámara impelente, aire a través de una parte superior del compartimiento y hacia abajo por una pared lateral interior del compartimiento hasta un ventilador que hace circular el aire dentro del compartimiento; controlar el caudal de un segundo circuito de refrigeración por líquido configurado para refrigerar directamente el equipo de componentes electrónicos de potencia dentro del compartimiento de componentes electrónicos sellado, el segundo circuito de refrigeración que está separado del primer circuito de refrigeración; y controlar independientemente los caudales de aire del primer circuito de refrigeración por líquido y el segundo circuito de refrigeración por líquido.
El primer circuito de refrigeración por líquido puede incluir una pluralidad de intercambiadores de calor y al menos un ventilador para hacer circular el aire a través de la cámara impelente. El método puede incluir además aspirar aire del exterior del compartimento de componentes electrónicos sellado, y dirigir el aire a través de un intercambiador de calor para reducir la temperatura del refrigerante líquido que pasa a través del intercambiador de calor. El método puede incluir además analizar datos ambientales, y controlar los caudales del primer y segundo circuito de refrigeración por líquido para mantener una temperatura preestablecida dentro del compartimento de componentes electrónicos sellado. El segundo circuito de refrigeración por líquido se puede configurar para dirigir refrigerante a través del equipo de componentes electrónicos de potencia o a través de un dispositivo asociado con el equipo de componentes electrónicos de potencia. El refrigerante en el segundo circuito de refrigeración por líquido se puede configurar para fluir a través de canales dentro de una placa térmica en la que se monta un puente de conversión de energía. El refrigerante en el segundo circuito de refrigeración por líquido se puede configurar además para fluir a través de múltiples placas térmicas en contacto con los componentes electrónicos del filtro y los componentes magnéticos asociados. El refrigerante en el segundo circuito de refrigeración por líquido se puede configurar para fluir junto a o con interruptores electrónicos.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos no pretenden dibujarse a escala. En los dibujos, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en diversas figuras se representa por un número similar. Para mayor claridad, no todos los componentes pueden estar etiquetados en todos los dibujos. En los dibujos:
La figura 1 es un diagrama esquemático de una carcasa de equipo de potencia con un sistema de refrigeración según los principios de la invención;
La figura 2A es una vista isométrica de una realización de una parte de un sistema de refrigeración por líquido de doble circuito según los principios de la invención;
La figura 2B es una segunda vista isométrica de una realización de una parte de un sistema de refrigeración por líquido de doble circuito según los principios de la invención;
La figura 3 es una vista isométrica de una realización de una placa térmica que se puede usar según los principios de la invención;
La figura 4 es una vista frontal de una carcasa de inversor según los principios de la invención;
La figura 5 es una vista trasera de una carcasa de inversor según los principios de la invención;
La figura 6 es una vista lateral derecha de una carcasa de inversor según los principios de la invención;
La figura 7 es una vista lateral izquierda de una carcasa de inversor según los principios de la invención;
La figura 8 es una vista isométrica frontal/superior de una carcasa de inversor según los principios de la invención;
La figura 9 es una vista isométrica trasera/superior de una carcasa de inversor según los principios de la invención;
La figura 10 es una vista isométrica interior frontal/superior de una carcasa de inversor según los principios de la invención;
La figura 11 es una vista isométrica interior trasera/superior de una carcasa de inversor según los principios de la invención;
La figura 12 es un diagrama esquemático de un controlador usado en relación con realizaciones de la invención; y La figura 13 es un sistema de almacenamiento usado en relación con la figura 12.
Descripción detallada
A diferencia de los inversores convencionales, las realizaciones de la presente invención incluyen un compartimento sustancialmente sellado dentro de la carcasa de inversor comercial que alberga los componentes electrónicos (por ejemplo, el puente de conversión de energía y los componentes electrónicos del filtro, etc.). El compartimento sellado está diseñado para bloquear contaminantes tales como partículas, y evitar la entrada de agua líquida.
Para mantener el compartimento sellado, así como para cumplir con los requisitos de densidad de potencia, se usa un sistema de refrigeración por líquido para mantener los componentes electrónicos, los circuitos y la temperatura del aire dentro del compartimento sellado dentro de un intervalo de temperatura deseado.
La figura 1 muestra un diagrama esquemático simplificado de un sistema 100 inversor solar que comprende un sistema de refrigeración por líquido de doble circuito. El sistema 100 inversor solar comprende un compartimento 100 de componentes electrónicos sellado, que alberga diversos componentes que generan calor durante el funcionamiento del inversor solar, que incluyen (el)los puente(s) 115 de conversión de energía de CC a CA y los componentes electrónicos 120 del filtro. El sistema 100 inversor solar comprende además el gabinete 125 de refrigeración ventilada, que alberga diversos componentes del sistema de refrigeración por líquido. El refrigerante líquido es un refrigerante a base de glicol (etilenglicol), aunque se pueden usar otros refrigerantes líquidos adecuados.
El sistema de refrigeración incluye dos circuitos 130 y 150 de intercambio de calor. El primer circuito 130 de intercambio de calor refrigera el aire dentro del compartimiento 110 de componentes electrónicos sellado, y comprende dos intercambiadores 132 y 136 de calor, y una bomba 134 para hacer circular un refrigerante líquido en el primer circuito 130 de intercambio de calor. Un ventilador 138 hace circular aire dentro del compartimiento 110 de componentes electrónicos sellado, aspirándolo a través de un conducto 160 formado dentro del compartimiento 110 y soplándolo a través del aire hacia el intercambiador 132 de calor por líquido (el flujo de aire dentro del compartimiento se indica por las flechas negras), para que el calor se transfiera al refrigerante líquido en el circuito 130 a través del intercambiador 132 de calor. El conducto 160, que se puede denominar cámara impelente, dirige el flujo de aire a través de la parte superior o techo del compartimento 110 y hacia abajo por una pared lateral interior del compartimento. El refrigerante líquido en el circuito 130 luego se dirige a través del intercambiador 136 de calor de líquido a aire, que se monta en una pared externa del gabinete 125 de refrigeración. El aire del exterior es aspirado a través del intercambiador 136 de calor por un par de ventiladores 140a y 140b (como lo indica la flecha sombreada) y reduce la temperatura del refrigerante líquido que pasa a través del intercambiador 136 de calor. El primer circuito 130 de intercambio de calor está configurado para tener un grado de calor relativamente bajo, que es el diferencial de temperatura entre el refrigerante en el primer circuito 130 de intercambio de calor y el aire ambiente, por ejemplo, 60 °C para el refrigerante y 50 °C para el aire ambiente.
El segundo circuito 150 refrigera directamente los componentes electrónicos de potencia y los componentes magnéticos (que incluyen (el)los puente(s) 115 de conversión de energía de CC a CA y los componentes electrónicos 120 del filtro) dentro del gabinete 110 sellado. El segundo circuito 150 comprende una bomba 154 para hacer circular un refrigerante líquido en el segundo circuito 150 de intercambio de calor y un intercambiador 156 de calor de líquido a aire. El refrigerante en el circuito 150 se dirige a través de uno o más canales serpenteantes dentro de una placa térmica en la que se monta cada fase del puente 115 de conversión de energía de CC a CA, y luego a través de múltiples placas térmicas (en paralelo) que están en contacto con los componentes electrónicos 120 del filtro y los componentes magnéticos asociados. El calor se transfiere desde los componentes 115 y 120 (y opcionalmente desde otros componentes generadores de calor en el compartimento 110) al refrigerante líquido en el circuito 150, que luego se dirige a través del intercambiador 156 de calor de líquido a aire. El aire del exterior también es aspirado a través del intercambiador 156 de calor por los ventiladores 140a y 140b (como lo indica la flecha sombreada) y reduce la temperatura del refrigerante líquido que pasa a través del intercambiador 156 de calor. El segundo circuito 150 de intercambio de calor está configurado para tener calor de grado relativamente alto, que es el diferencial de temperatura entre el refrigerante en el primer circuito 150 de intercambio de calor y el aire ambiente, por ejemplo, 80 °C para el refrigerante y 50 °C para el aire ambiente.
El controlador 145 recibe datos ambientales de sensores ambientales (no mostrados aquí) para controlar el funcionamiento de los ventiladores 140a y 140b, así como la bomba 134 y la bomba 154 para regular la temperatura en el sistema. El controlador 145 también se puede configurar para controlar el funcionamiento de los dispositivos electrónicos dentro del gabinete 110. El controlador está configurado para controlar independientemente los caudales de aire y los caudales de refrigerante del primer circuito 130 de refrigeración por líquido y el segundo circuito 150 de refrigeración por líquido.
Los circuitos 130 y 150 de refrigeración están conectados de forma fluida a los depósitos 139 y 159 de refrigerante, respectivamente. Se usan conductos de paso de líquido sellados hacia el compartimento 110 de componentes electrónicos. Un par de calentadores 170a y 170b están colocados en el conducto 160, y se usan principalmente para elevar la temperatura dentro del compartimiento 110 durante el arranque del sistema 100 inversor solar (por ejemplo, para mitigar el riesgo de que se produzca condensación).
La temperatura de los componentes electrónicos de potencia (y el requerimiento de rechazo de calor asociado) es típicamente mucho más alta que la del aire que circula en el compartimiento 110. En otras palabras, el circuito 150 de refrigeración tenderá a calentarse más (y tendrá un diferencial de temperatura más alto o "delta T" con respecto a la temperatura exterior) que el circuito 130 de refrigeración. Cuanto mayor sea el delta T, más calor se puede rechazar para la misma configuración y tamaño del intercambiador de calor (q = h^AT).
En algunas implementaciones, el circuito 150 de refrigeración (para los componentes electrónicos de potencia) alcanza temperaturas superiores a los 75 °C, mientras que el circuito 130 (para el aire del compartimento 110) alcanza temperaturas del orden de los 60 °C.
La utilización de dos circuitos de refrigeración separados - uno para refrigerar el aire en el compartimiento de los componentes electrónicos y el otro para refrigerar los componentes electrónicos/magnéticos de potencia - permite una refrigeración rentable y energéticamente eficiente en el sistema inversor solar, y proporciona una excelente gestión térmica de los componentes electrónicos de potencia. El caudal de refrigerante puede ser diferente en los dos circuitos, para proporcionar un control independiente del delta Ts.
Los intercambiadores 136 y 156 de calor externos están preferiblemente dispuestos en una configuración apilada y comparten el mismo par de ventiladores 140a y 140b, como se muestra en la figura 1. Básicamente, esto duplica el flujo de aire a través de los intercambiadores de calor (en comparación con tener un ventilador para cada intercambiador de calor) y mejora el equilibrio rendimiento/coste. Debido a que el circuito 130 de refrigeración está funcionando a una temperatura más baja, el intercambiador 136 de calor está colocado para que el aire de refrigeración entrante pase a través de él primero, y luego a través del intercambiador 156 de calor que está apilado detrás de él. Esta configuración aumenta o maximiza el delta T para el circuito 130, y sigue proporcionando un delta T satisfactorio para el circuito 150 de refrigeración en el intercambiador 156 de calor.
Las figuras 2A y 2B son dos vistas isométricas diferentes de una realización de una parte de un sistema de refrigeración por líquido de doble circuito para su instalación en un sistema inversor solar. Los mismos números de referencia que se usaron en la figura 1 se usan en las figuras 2A y 2B para identificar componentes similares.
El primer circuito 130 de refrigeración está conectado a la bomba 134 de refrigeración, y al intercambiador 132 de calor, para refrigerar el aire que circula en un compartimiento de componentes electrónicos sellado por el ventilador 138. El refrigerante en el circuito 130 de refrigeración también se dirige a través del intercambiador 136 de calor donde es refrigerado por aire externo aspirado a través del intercambiador 136 de calor por los ventiladores 140a y 140b. El segundo circuito 150 de refrigeración está conectado a la bomba 154 de refrigeración. La bomba 154 de refrigeración dirige el refrigerante en paralelo a través de seis placas térmicas (tal como se muestra en la figura 3). Cada placa térmica se puede usar para refrigerar una fase de un puente de conversión de energía. Cada placa térmica está conectada de forma fluida al circuito 150 de refrigeración en una tubería 150a de entrada y una tubería 150b de salida. Luego, el refrigerante se dirige en paralelo a través de múltiples placas térmicas (no mostradas en las figuras 2A y 2B) para refrigerar los componentes electrónicos del filtro de CA (no mostrados en las figuras 2A y 2B) a través de las conexiones 150c y 150d de entrada y salida, respectivamente en el circuito 150. El refrigerante se dirige a través del intercambiador 156 de calor, que está apilado entre el intercambiador 136 de calor y los ventiladores 140a y 140b. El refrigerante en el circuito 150 es refrigerado por aire externo que es aspirado a través del intercambiador 156 de calor por los ventiladores 140a y 140b (después de pasar por el intercambiador 136 de calor).
La figura 3 es una vista isométrica de una realización de una placa 300 térmica que se puede conectar de forma fluida a la tubería 150a de entrada del circuito de refrigeración (de las figuras 2A y 2B) en el puerto 350a de entrada y a la tubería 150b de salida del circuito de refrigeración (de las figuras 2A y 2B) en el puerto 350b de salida. La placa 300 térmica está hecha preferiblemente de aluminio, aunque se podrían usar otros materiales térmicamente conductores adecuados. Cada fase de uno o más puentes de conversión de energía de CC a CA (por ejemplo, que comprenden transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y diodos) se puede montar directamente en una placa térmica. La placa 300 térmica comprende canales de flujo internos a través de los cuales se dirige el refrigerante. Por ejemplo, se pueden usar uno o más canales serpenteantes. Los canales se pueden configurar y/o el hardware electrónico se puede montar en la placa 300 térmica de modo que la refrigeración se dirija a las regiones donde más se necesita.
En otras realizaciones, el segundo circuito 150 de refrigeración por líquido está configurado para dirigir el refrigerante directamente a través del equipo de componentes electrónicos de potencia.
Las figuras 4-9 muestran diversas vistas de una carcasa 400 del inversor solar de 2 MW en el que se puede instalar el sistema de refrigeración mostrado en las figuras 2A y 2B. La carcasa 400 tiene varios paneles de acceso o puertas que permiten el acceso a compartimentos separados que albergan diferentes subsistemas dentro de la carcasa 400. Se usan números iguales para indicar componentes iguales o similares en las diferentes vistas mostradas en las figuras 4-9. La carcasa 400 de inversor solar se puede construir de aluminio, para una buena resistencia a la corrosión. La carcasa se puede construir ensamblando una serie de paneles separados, con juntas y conexiones atornilladas entre ellos.
La figura 4 es una vista frontal de la carcasa 400 del inversor solar, que muestra el conjunto 405 del panel de techo ventilado, el panel 410 de acceso al gabinete de refrigeración, el panel 420 de acceso al compartimiento de cableado de CC, y los paneles 430 y 440 de acceso al compartimiento de los componentes electrónicos. La figura 5 es una vista trasera de la carcasa 400 del inversor solar, que muestra el panel 505 de techo ventilado, el panel 510 de acceso al gabinete de refrigeración ventilado, y los paneles 530 y 540 de acceso al compartimiento de los componentes electrónicos. La figura 6 es una vista lateral derecha de la carcasa 400 del inversor solar, que muestra el panel 650 de acceso al compartimiento de comunicación, el panel 660 de acceso al compartimiento de cableado de comunicación, y la tapa de la pantalla/bandeja 670 del portátil. La figura 7 es una vista lateral izquierda de la carcasa 400 del inversor solar, que muestra la pared 710 del extremo del gabinete de refrigeración ventilado.
Las figuras 8 y 9 son vistas isométricas frontal/superior y trasera/superior de la carcasa 400 del inversor solar, que muestran los diversos paneles de acceso descritos anteriormente. La trampilla 880 de acceso al depósito de refrigerante es visible en las figuras 8 y 9.
Los mismos números de referencia que se usaron en la figura 1 y las figuras 2A y 2B se usan para identificar componentes similares en las figuras 10-11.
La figura 10 es una vista isométrica trasera/superior de la carcasa 400 de inversor solar con los paneles de acceso eliminados para mostrar diversos compartimentos interiores que albergan diferentes subsistemas dentro de la carcasa 400. La figura 10 muestra el gabinete 125 de refrigeración separado del compartimiento 110 de componentes electrónicos por el panel 1015 interior que forma parte del conducto interno (160 en la figura 1) a través del cual el aire circula en el compartimiento 110 por el ventilador 138 (mostrado en las figuras 1 , 2A y 2B). La abertura 1025 aloja un intercambiador de calor (tal como el intercambiador 132 de calor de las figuras 1, 2A y 2B). El compartimiento 1050 de comunicación y energía auxiliar está separado del compartimiento 110 de componentes electrónicos por el panel 1025 interior. El compartimiento 1060 de cableado de comunicación, y la caja 1070 de visualización se muestran y están definidos por paneles interiores (no etiquetados).
La figura 11 es una vista isométrica frontal/inferior de la carcasa 400 del inversor solar, también con los paneles de acceso eliminados para mostrar diversos compartimentos 110, 1010, 1050 y 1060 interiores, como se describe con referencia a la figura 10 anterior. La figura 11 también muestra el compartimiento 1120 de cableado de CC, que está separado del compartimiento 1030 de componentes electrónicos por el panel 1115 interior, y el gabinete 125 de refrigeración, que está separado del compartimiento 110 de componentes electrónicos sellado y del compartimiento 1120 por el panel 715 interior.
En el producto inversor solar ensamblado, el compartimiento 110 de componentes electrónicos está sustancialmente sellado para evitar la entrada de agua o polvo en este compartimiento; tiene clasificación NEMA Tipo 4 o IP65. Se usan sellos alrededor de los paneles de acceso a este compartimento. El gabinete 125 de refrigeración está ventilado o "abierto al ambiente", y alberga la mayor parte del sistema de refrigeración mostrado en las figuras 1 , 2A y 2B (que incluye los intercambiadores 136 y 156 de calor apilados, las bombas 134 y 154, los ventiladores 140a y 140b). Se usan conductos de paso de líquido sellados hacia el compartimento 110 de componentes electrónicos. Esto permite que gran parte del sistema de refrigeración por líquido se ubique fuera del compartimiento 110 de componentes electrónicos. El compartimiento 1120 de cableado de CC tiene conductos de paso de bus de alta potencia sellados al compartimiento 110 de componentes electrónicos sellado. Esto permite completar el cableado de campo de CC sin exponer el compartimiento de componentes electrónicos sellado al ambiente durante la instalación.
El operador accederá con mayor frecuencia al compartimiento 1050 de comunicación y energía auxiliar y al compartimiento 1060 de cableado de comunicación y, por lo tanto, estos componentes están separados del compartimiento 110 de componentes electrónicos sellado. Las comunicaciones y las conexiones de bajo voltaje entran al sistema inversor solar a través de estas secciones, para que el principal compartimiento 110 de componentes electrónicos no quede expuesto durante la instalación, puesta en servicio o algunas operaciones de servicio.
Siete rejillas de ventilación pasivas atornillables protectoras (dispositivos Gore Polyvent XL), tal como se muestra en 1080, están instaladas en los paneles de pared que definen el compartimiento 110 de componentes electrónicos como se muestra en las figuras 10 y 11. Estas rejillas de ventilación consisten en una membrana pasiva de transporte de vapor de agua y proporcionan una igualación pasiva de la presión y un control de la humedad dentro del compartimento 110, como se describió anteriormente.
Un sistema de control usa diversos sensores de temperatura y otros sensores para controlar el funcionamiento del sistema de gestión térmica, que incluye el funcionamiento de bombas y ventiladores (no mostrados aquí). En algunas realizaciones, el sistema de gestión térmica de doble circuito funciona para mantener la temperatura del aire dentro del compartimento de componentes electrónicos a una temperatura determinada (por ejemplo, 50 °C) o dentro de un intervalo de temperatura determinado durante el funcionamiento del sistema inversor solar; y, si el sistema de refrigeración no puede mantener la temperatura del aire dentro del compartimiento de componentes electrónicos por debajo de un primer umbral (por ejemplo, 50 °C), el controlador 145 puede limitar (reducir) la potencia de salida del inversor para reducir la cantidad de calor que es generado para tratar de mantener la temperatura por debajo del primer umbral. Si la temperatura del aire dentro del compartimento de componentes electrónicos supera un segundo umbral (igual o superior al primer umbral), el controlador 145 puede apagar el inversor solar.
El controlador 145 del sistema 900 inversor puede incluir, por ejemplo, un ordenador de propósito general tal como los basados en procesadores de tipo Intel PENTIUM, Motorola PowerPC, Sun UltraSPARC, Hewlett-Packard PA-RISC, o cualquier otro tipo de procesador.
Por ejemplo, los métodos empleados en el controlador en diversas realizaciones de la invención se pueden implementar como software especializado que se ejecuta en un sistema 1600 informático de propósito general tal como el mostrado en la figura 12. El sistema 1600 puede incluir un procesador 1620 conectado a uno o más dispositivos 1630 de memoria, tal como una unidad de disco, memoria, u otro dispositivo para almacenar datos. La memoria 1630 se usa típicamente para almacenar programas y datos durante el funcionamiento del sistema 1600. El sistema 1600 también puede incluir un sistema 1650 de almacenamiento que proporciona capacidad de almacenamiento adicional. Los componentes del sistema 1600 se pueden acoplar por un mecanismo 1640 de interconexión, que puede incluir uno o más buses (por ejemplo, entre componentes que están integrados dentro de la misma máquina) y/o una red (por ejemplo, entre componentes que residen en máquinas discretas separadas). El mecanismo 1640 de interconexión permite el intercambio de comunicaciones (por ejemplo, datos, instrucciones) entre los componentes del sistema 1600.
El sistema 1600 también incluye uno o más dispositivos 1610 de entrada, por ejemplo, un teclado, ratón, una bola de seguimiento (trackball), un micrófono, una pantalla táctil, y uno o más dispositivos 1660 de salida, por ejemplo, un dispositivo de impresión, una pantalla, un altavoz. Además, el sistema 1600 informático puede contener una o más interfaces (no mostradas) que conectan el sistema 1600 a una red de comunicación (además o como alternativa al mecanismo 1640 de interconexión).
El sistema 1650 de almacenamiento, mostrado con mayor detalle en la figura 13, típicamente incluye un medio 1700 de grabación no volátil legible y escribible por ordenador en el que se almacenan señales que definen un programa para ser ejecutado por el procesador o información almacenada en el medio 1700 para ser procesada por el programa para realizar una o más funciones asociadas con las realizaciones descritas en la presente memoria. El medio puede ser, por ejemplo, un disco o una memoria de semiconductores (flash). Típicamente, en funcionamiento, el procesador hace que los datos se lean desde el medio 1700 de grabación no volátil hacia otra memoria 1710 que permite un acceso más rápido a la información por el procesador que el medio 1700. Esta memoria 1710 es típicamente una memoria volátil de acceso aleatorio tal como una memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) o una memoria estática (SRAM). Puede estar ubicada en el sistema 1706 de almacenamiento, como se muestra, o en el sistema 1630 de memoria. El procesador 1620 generalmente manipula los datos dentro de la memoria 1630, 1710 del circuito integrado y luego copia los datos al medio 1700 después de completar el procesamiento. Se conocen diversos mecanismos para gestionar el movimiento de datos entre el medio 1700 y el elemento 1630, 1710 de memoria de circuito integrado, y la invención no se limita a ellos. La invención no se limita a un sistema 1630 de memoria o sistema 1650 de almacenamiento en particular.
El sistema informático puede incluir hardware de propósito especial especialmente programado, por ejemplo, un circuito integrado de aplicación específica (ASIC). Los aspectos de la invención se pueden implementar en software, hardware o firmware, o cualquier combinación de los mismos. Además, tales métodos, procedimientos, sistemas, elementos del sistema y componentes de los mismos se pueden implementar como parte del sistema informático descrito anteriormente o como un componente independiente.
Aunque el sistema 1600 informático se muestra a modo de ejemplo como un tipo de sistema informático en el que se pueden poner en práctica diversos aspectos de la invención, debe apreciarse que los aspectos de la invención no se limitan a implementarse en el sistema informático como se muestra en la figura 5. Diversos aspectos de la invención se pueden poner en práctica en uno o más ordenadores que tengan una arquitectura o componentes diferentes a los mostrados en la figura 5. Además, donde las funciones o los procesos de las realizaciones de la invención se describen en la presente memoria (o en las reivindicaciones) como que son realizados en un procesador o controlador, tal descripción pretende incluir sistemas que usan más de un procesador o controlador para realizar las funciones.
El sistema 1600 informático puede ser un sistema informático de propósito general que es programable usando un lenguaje de programación informática de alto nivel. El sistema 1600 informático también se puede implementar usando hardware de propósito especial especialmente programado. En el sistema 1600 informático, el procesador 1620 es típicamente un procesador disponible comercialmente tal como el conocido procesador de clase Pentium disponible de Intel Corporation. Muchos otros procesadores están disponibles. Un procesador de este tipo generalmente ejecuta un sistema operativo que puede ser, por ejemplo, los sistemas operativos Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000 (Windows ME) o Windows XP o Vista disponibles de Microsoft Corporation, el sistema operativo MAC OS System X disponible de Apple Computer, el sistema operativo Solaris disponible de Sun Microsystems, o los sistemas operativos UNIX disponibles de diversas fuentes. Se pueden usar muchos otros sistemas operativos.
El procesador y el sistema operativo juntos definen una plataforma informática para la cual se escriben programas de aplicación en lenguajes de programación de alto nivel. Debe entenderse que las realizaciones de la invención no se limitan a una plataforma de sistema informático, procesador, sistema operativo, o red en particular. Además, debería ser evidente para los expertos en la técnica que la presente invención no se limita a un lenguaje de programación o sistema informático específico. Además, debe apreciarse que también se podrían usar otros lenguajes de programación apropiados y otros sistemas informáticos apropiados.
Una o más partes del sistema informático se pueden distribuir a través de uno o más sistemas informáticos acoplados a una red de comunicaciones. Por ejemplo, como se analizó anteriormente, un sistema informático que determina la capacidad de energía disponible se puede ubicar de manera remota desde un administrador del sistema. Estos sistemas informáticos también pueden ser sistemas informáticos de propósito general. Por ejemplo, diversos aspectos de la invención se pueden distribuir entre uno o más sistemas informáticos configurados para proporcionar un servicio (por ejemplo, servidores) a uno o más ordenadores cliente, o para realizar una tarea general como parte de un sistema distribuido. Por ejemplo, diversos aspectos de la invención se pueden realizar en un sistema cliente-servidor o multinivel que incluye componentes distribuidos entre uno o más sistemas de servidor que realizan diversas funciones según diversas realizaciones de la invención. Estos componentes pueden ser códigos ejecutables, intermedios (por ejemplo, lenguaje intermedio (IL)) o interpretados (por ejemplo, Java) que se comunican a través de una red de comunicación (por ejemplo, Internet) usando un protocolo de comunicación (por ejemplo, TCP/IP). Por ejemplo, se pueden usar uno o más servidores de bases de datos para almacenar datos del dispositivo, tal como el consumo de energía esperado, que se usa en el diseño de las disposiciones asociadas con las realizaciones de la presente invención.
Debe apreciarse que la invención no se limita a la ejecución en ningún sistema o grupo de sistemas en particular. Además, debe apreciarse que la invención no se limita a ninguna arquitectura distribuida, red, o protocolo de comunicación en particular.
Diversas realizaciones de la presente invención se pueden programar usando un lenguaje de programación orientado a objetos, tal como SmallTalk, Java, C++, Ada, o C# (C-Sharp). También se pueden usar otros lenguajes de programación orientados a objetos. Alternativamente, se pueden usar lenguajes de programación funcionales, de secuencias de comandos, y/o lógicos. Diversos aspectos de la invención se pueden implementar en un entorno no programado (por ejemplo, documentos creados en lenguaje de marcas de hipertexto (HTML), lenguaje de marcado extensible (XML) u otro formato que, cuando se ven en una ventana de un programa de navegación, representan aspectos de una interfaz gráfica de usuario (GUI) o realizan otras funciones). Diversos aspectos de la invención se pueden implementar como elementos programados o no programados, o cualquier combinación de los mismos.
En las realizaciones de la presente invención analizadas anteriormente, los resultados de los análisis se describen como proporcionados en tiempo real. Tal como lo entienden los expertos en la técnica, el uso del término en tiempo real no pretende sugerir que los resultados estén disponibles de inmediato, sino que están disponibles rápidamente, lo que le da al diseñador la capacidad de probar varios diseños diferentes en un corto período de tiempo, tal como en cuestión de minutos.
Habiendo descrito así varios aspectos de al menos una realización de esta invención con considerable detalle con referencia a determinada versión preferida de la misma, se apreciará que a los expertos en la técnica se les ocurrirán fácilmente diversas alteraciones, modificaciones, y mejoras. Tales alteraciones, modificaciones, y mejoras pretenden ser parte de esta descripción, y pretenden estar dentro del alcance de la invención. En consecuencia, la descripción y los dibujos anteriores son sólo a modo de ejemplo. Además, la fraseología y la terminología usadas en la presente memoria tienen por propósito las descripciones y no deben considerarse como limitantes. El uso de "que incluye", "que comprende", "que tiene", "que contiene", "que involucra" y variaciones en la presente memoria tienen la intención de ser abiertos, es decir, "que incluye pero no limitado a".

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema (100) de componentes electrónicos de potencia, que comprende:
un compartimento (110) de componentes electrónicos sellado ambientalmente para alojar el equipo de componentes electrónicos de potencia;
un ventilador (138) configurado para hacer circular aire dentro del compartimiento de componentes electrónicos sellado ambientalmente;
una cámara (160) impelente dentro del compartimento de componentes electrónicos sellado para hacer circular el aire a través de una parte superior del compartimento y hacia abajo por una pared lateral interior del compartimento hasta el ventilador;
un primer circuito (130) de refrigeración por líquido configurado para refrigerar el aire que fluye a través de la cámara impelente;
un segundo circuito (150) de refrigeración por líquido configurado para refrigerar directamente el equipo de componentes electrónicos de potencia, el segundo circuito de refrigeración que está separado del primer circuito de refrigeración; y
un controlador (145) para controlar independientemente los caudales de aire y los caudales de refrigerante del primer circuito de refrigeración por líquido y del segundo circuito de refrigeración por líquido.
2. El sistema de la reivindicación 1, en donde el equipo de componentes electrónicos de potencia incluye un inversor.
3. El sistema de la reivindicación 1, en donde el controlador está programado para analizar datos ambientales para controlar los caudales de aire y de refrigerante del primer y segundo circuitos de refrigeración por líquido para mantener una temperatura preestablecida dentro del compartimento de componentes electrónicos sellado.
4. El sistema de la reivindicación 1, en donde el primer circuito de refrigeración por líquido incluye una pluralidad de intercambiadores de calor y una bomba para hacer circular un refrigerante líquido en el primer circuito de refrigeración por líquido.
5. El sistema de la reivindicación 4, en donde el ventilador está configurado además para aspirar aire a través de la cámara impelente y soplar el aire a través de un primer intercambiador de calor de la pluralidad de intercambiadores de calor.
6. El sistema de la reivindicación 4, que comprende además al menos un ventilador para aspirar aire del exterior a través de un segundo intercambiador de calor de la pluralidad de intercambiadores de calor para reducir la temperatura del refrigerante líquido que pasa a través del segundo intercambiador de calor.
7. El sistema de la reivindicación 1, en donde el primer circuito de refrigeración por líquido incluye un primer intercambiador de calor y el segundo circuito de refrigeración por líquido incluye un segundo intercambiador de calor, y en donde el sistema comprende además al menos un ventilador configurado para aspirar aire a través del primer intercambiador de calor y del segundo intercambiador de calor.
8. El sistema de la reivindicación 1, en donde el segundo circuito de refrigeración por líquido incluye un intercambiador de calor y una bomba para hacer circular refrigerante líquido en el segundo circuito de refrigeración por líquido.
9. El sistema de la reivindicación 8, en donde el segundo circuito de refrigeración por líquido está configurado para dirigir el refrigerante a través del equipo de componentes electrónicos de potencia o a través de un dispositivo asociado con el equipo de componentes electrónicos de potencia.
10. Un método de control térmico en un sistema (100) de componentes electrónicos de potencia, que comprende: Controlar el caudal de un primer circuito (130) de refrigeración por líquido dentro de una cámara (160) impelente dentro de un compartimento (110) de componentes electrónicos sellado para alojar el equipo de componentes electrónicos de potencia;
hacer circular, en la cámara (160) impelente, aire a través de una parte superior del compartimento y hacia abajo por una pared lateral interior del compartimento hasta un ventilador que hace circular el aire dentro del compartimento; controlar (145) el caudal de un segundo circuito (150) de refrigeración por líquido configurado para refrigerar directamente el equipo de componentes electrónicos de potencia dentro del compartimento de componentes electrónicos sellado, el segundo circuito de refrigeración que está separado del primer circuito de refrigeración; y controlar (145) independientemente los caudales de aire del primer circuito de refrigeración por líquido y el segundo circuito de refrigeración por líquido.
11. El método de la reivindicación 10, en donde el primer circuito de refrigeración por líquido incluye una pluralidad de intercambiadores de calor, y en donde el método comprende además aspirar el aire a través de la cámara impelente, y soplar el aire a través de al menos un intercambiador de calor de la pluralidad de intercambiadores de calor.
12. El método de la reivindicación 10, que comprende además aspirar aire del exterior del compartimento de componentes electrónicos sellado, y dirigir el aire aspirado del exterior a través de al menos un intercambiador de calor para reducir la temperatura del refrigerante líquido que pasa a través del al menos un intercambiador de calor.
13. El método de la reivindicación 10, que comprende además analizar datos ambientales, y controlar los caudales del primer y segundo circuitos de refrigeración por líquido para mantener una temperatura preestablecida dentro del compartimento de componentes electrónicos sellado.
14. El método de la reivindicación 10, en donde el segundo circuito de refrigeración por líquido está configurado para dirigir el refrigerante a través del equipo de componentes electrónicos de potencia o a través de un dispositivo asociado con el equipo de componentes electrónicos de potencia.
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