JP5634116B2

JP5634116B2 - 太陽光発電システムの電力変換装置

Info

Publication number: JP5634116B2
Application number: JP2010108035A
Authority: JP
Inventors: 浩ニ青山; 賢次辻本
Original assignee: Aichi Electric Co Ltd
Current assignee: Aichi Electric Co Ltd
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2030-05-10
Also published as: JP2011239544A

Description

この発明は、太陽光発電システムの電力変換装置において、電力消費の無い冷却方式を採用することにより、システム全体の電力効率の向上を図るものである。

太陽光発電システムをはじめ、種々の電源装置等に用いられる電力変換装置は、電力変換動作を行う半導体素子が電気的損失によって発熱し、半導体素子が過熱状態になると破損するので、所定の方法によってこれを冷却し、過熱状態を解消する必要がある。

前記電力変換装置の冷却方法としては、従来から種々の方法が存在するが、その一例として、下記特許文献１記載の技術が知られている。以下、その方法について説明する。

特許第４０６３７１６号

前記特許文献１記載の電力変換装置（屋外設置用パワーコンディショナー装置）は、その筐体としての外箱内部に配置された電力変換装置のパワー素子を空冷するためのファンを備え、前記外箱底面には吸気口を、また、外箱の背面上部に排気口を形成し、当該吸気口と排気口およびファンとの間に電力変換装置を配置し、かつ、外箱の背面に設けられたヒートシンクの表面に前記パワー素子が接するように配置されている。

そして、前記電力変換装置を構成するパワー素子を空冷する場合は、外箱内上部に設置したファンを駆動させることによって、外箱外部の冷たい空気が外箱底面に形成した吸気口から外箱内部に取り入れられる。

取り入れられた空気は、ヒートシンク内の空間を通過するが、ヒートシンクの表面に接するパワー素子の発熱は当該ヒートシンクに伝導しているので、取入れられた空気によってヒートシンクが冷却されることにより、これに接するパワー素子、および、これを構成する電力変換装置を冷却することができる。

なお、前記ヒートシンク内の空間を通過した空気は、外箱背面の上部に形成した排気口から外箱外部に排出される。

然るに、上記特許文献１記載の屋外設置用パワーコンディショナー装置の冷却方法は、前述の如く、電力変換装置を構成するパワー素子を空冷するファン、および、パワー素子と接するヒートシンクを筐体としての外箱内部に備えて構成しなければならず、電力変換装置の構造が複雑化し、かつ大型化するといった問題があった。

また、空冷用のファンが電力変換装置を冷却するために電力を消費するので、当該電力変換装置を太陽光発電システムに用いる場合には、太陽光発電システム全体の電力効率が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、上記の問題を解消するために、太陽光発電システムに用いられる屋外設置形の電力変換装置において、太陽光発電システム全体の電力効率を低下させない冷却構造を備えた電力変換装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、電力変換装置を収容する屋外盤と、当該屋外盤の側面に形成した孔部を利用して前記電力変換装置の半導体素子と接触する受熱板と、該受熱板に基端部を接続して前記屋外盤の外方へ向けて延出する直管部を備えた略コ字形のヒートパイプと、該ヒートパイプの直管部に取り付けた放熱フィンを備え、かつ、前記ヒートパイプの基端部は前記受熱板内に樹脂材を利用して埋め込まれていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記屋外盤が密閉型であることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、電力変換装置の構造を複雑化することなく、効果的に冷却することができる。また、電力変換装置の冷却を電力消費することなく実現することが可能となるので、太陽光発電システム全体の電力効率の向上を図ることができる。

また、ヒートパイプという簡易な冷却機構によって電力変換装置の発熱を外部に放出することができ、電力変換装置に用いられる半導体素子が過熱によって損傷することを確実に防止することができる。さらに、受熱板へのヒートパイプの埋込部位は、樹脂材によって雨水等の付着および侵入を阻止できるので、受熱板やヒートパイプの電食を防止できる。

請求項２記載の発明によれば、屋外盤を密閉型とすることにより、塩害性に優れた電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の太陽光発電システムの構成を示す概念図である。本発明に係る電力変換装置の正面図である。本発明のヒートパイプと受熱板との接続状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図３を用いて説明する。図１は本発明に係る太陽光発電システムの全体構成の一例を示す概念図であり、図１において、１は商用電力系統（一般配電線）であり、２は太陽光のエネルギーを直接的に電力に変換する太陽電池である。

３は太陽電池で発電される直流電力を交流電力に変換して、一般配電線に連系して負荷に電力を供給する電力変換装置（以下、パワーコンディショナーという）を示している。

パワーコンディショナー３は、その筐体（屋外盤）４内に、太陽電池２から供給される直流電力を交流電力に変換し、一般交流負荷または既存の商用電力系統に供給する電力変換器（図示せず）を収納しており、当該電力変換器は構成要素として半導体素子５を備えている。

屋外盤４の外側面には、半導体素子５と機械的および熱的に接触する冷却器６が屋外盤４の外方へ突出して設けられている。前記冷却器６は、屋外盤４の外壁に固定されるアルミニウム等の伝熱性に優れた材料で形成される受熱板７と、当該受熱板７に基端部を支持する複数本のヒートパイプ８、および、ヒートパイプ８の直管部８ａに取り付けた放熱フィン９から概略構成されている。

次に、前記冷却器６の屋外盤４への取付け構造について図３を用いて説明する。前記ヒートパイプ８は略コ字形に形成されており、垂直方向に配置される基端部８ｂと略水平方向に配置される直管部８ａから構成されている。

そして、前記基端部８ｂは、受熱板７に埋め込まれる形でこれに支持・固定されており、受熱板７が屋外盤４の外側（外壁）に固定手段（固定ボルト）１０によって止着されることによって、ヒートパイプ８は屋外盤４の外側に脱落不能に取り付けられる。

また、受熱板７を取り付けた屋外盤４の側壁には、これを貫通する孔部１１が形成されており、当該孔部１１を利用して、前記電力変換器の半導体素子５を受熱板７と接触させて取り付けている。なお、当該半導体素子５と受熱板７は、固定手段（埋込ボルト）１２によって固定されている。

前記ヒートパイプ８は伝熱性および加工性に優れた材料（例えば、銅等）で形成されており、その内部には沸騰冷媒として水が封入されている。また、低い温度で沸騰を容易にし、かつ、非凝縮性のガスが混入することを防止するために、当該ヒートパイプ８内は負圧に調整されている。

また、前記ヒートパイプ８の基端部８ｂは後述する蒸発部として機能し、直管部８ａは後述する凝縮部として機能する。直管部８ａは水平面に対して若干上向きの角度で受熱板７に取り付けられる。

受熱板７へのヒートパイプ８の埋込部位は、雨水等の付着および浸入を阻止する樹脂（例えば、エポキシ樹脂接着剤等）１３によって被覆されており、受熱板７やヒートパイプ８が電食することを防止している。

以上のように構成されたパワーコンディショナー３は、図示しない電力変換器を密閉型の屋外盤４内に収容することにより、これを屋外に設置する場合において、耐候性の向上、特に塩害対策（潮風害対策）として有効となる。

つづいて、前記パワーコンディショナー３の冷却動作について説明する。パワーコンディショナー３は、電力変換器（図示せず）を屋外盤４内に収容し、これを構成する半導体素子５は、オン／オフ動作時の損失およびオン時の損失により発熱する。

半導体素子５で発生した熱は、これと当接して屋外盤４の外壁面に固定された受熱板７に伝熱される。このとき、受熱板７はアルミニウム等、伝熱性に優れた材料で形成されているので、半導体素子５の熱は効率よく受熱板７側へ伝熱される。

これにより受熱板７の温度は上昇し、当該受熱板７に基端部８ｂが支持されたヒートパイプ８では、その内部に封入された水が沸騰して基端部８ｂから蒸発する。つまり、基端部８ｂは蒸発部として機能する。

前記基端部８ｂからヒートパイプ８内に封入した水が蒸発することにより、その蒸発熱によって受熱板７は冷却される。そして、ヒートパイプ８内の蒸発した水は、凝縮部として機能する直管部８ａに導かれ、直管部８ａに取り付けられた放熱フィン９（図２参照）を介して、外気との間で熱交換して凝縮する。

凝縮した水は、ヒートパイプ８の内壁を伝わって蒸発部として機能する基端部８ｂに還流し、以降、前述した冷却動作を繰り返し行う。なお、前記凝縮水の還流は、ヒートパイプ８の内壁に形成された複数の溝（図示せず）に沿って実現されるものである。

この冷却動作の繰り返しによって、パワーコンディショナー３の半導体素子５は冷却されるので、過熱によって半導体素子５が破損することを確実に防止することができる。

以上説明したように、本発明の冷却構造を用いた電力変換装置によれば、上記特許文献１記載の技術のように、その筐体（外箱）内部に配置された半導体素子（パワー素子）を空冷するためのファンや、半導体素子（パワー素子）と接触するヒートシンクを筐体（外箱）内部に備えて構成する必要は一切なく、パワーコンディショナー３の構造を簡素化し、かつ、小型化することが可能となる。

また、半導体素子５の冷却をヒートパイプ８によって行うことにより、冷却に際しての電力消費は一切なく、太陽光発電システム全体の電力効率を向上させることができる。

さらに、パワーコンディショナー３は、密閉型の屋外盤４に電力変換器を収納することにより、これを屋外に設置する場合において、耐候性に優れ、沿岸部においては塩害対策上、非常に有効である。

太陽光発電システムに用いられる電力変換装置の冷却に利用可能である。

１商用電力系統（一般配電線）
２太陽電池
３電力変換装置（パワーコンディショナー）
４屋外盤
５半導体素子
６冷却器
７受熱板
８ヒートパイプ
８ａ直管部
８ｂ基端部
９放熱フィン
１０固定ボルト
１１孔部
１２埋込ボルト
１３樹脂

Claims

電力変換装置を収容する屋外盤と、当該屋外盤の側面に形成した孔部を利用して前記電力変換装置の半導体素子と接触する受熱板と、該受熱板に基端部を接続して前記屋外盤の外方へ向けて延出する直管部を備えた略コ字形のヒートパイプと、該ヒートパイプの直管部に取り付けた放熱フィンを備え、かつ、前記ヒートパイプの基端部は前記受熱板内に樹脂材を利用して埋め込まれていることを特徴とする太陽光発電システムの電力変換装置。
前記屋外盤は密閉型であることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システムの電力変換装置。