Корпус из нержавеющей стали для фотоэлектрических инверторов: оптимизация электромагнитного экранирования и защита стали 430 от ультрафиолетового излучения на открытом воздухе

Фотоэлектрические инверторы — это «мозг» солнечных электростанций.-Они преобразуют электричество постоянного тока от солнечных батарей в электричество переменного тока, которое питает дома и предприятия. Но чтобы надежно выполнять свою работу, им нужна прочная внешняя оболочка: такая, которая блокирует электромагнитные помехи (ЭМП) от близлежащих линий электропередачи (которые могут испортить сигналы инвертора) и выдерживает годы нагревания на солнце (что может привести к растрескиванию или выцветанию более дешевых материалов).​

В течение многих лет производители использовали алюминий или нержавеющую сталь 304 для корпусов инверторов. Но алюминий не имеет защиты от электромагнитных помех, а 304-й сплав стоит дорого. Сейчас нержавеющая сталь 430 становится все более популярной.-Она доступна по цене, имеет естественную защиту от электромагнитных помех и может быть обработана для защиты от ультрафиолетового излучения. Но он не идеален: экранирование из необработанной стали 430 недостаточно прочно для зон с высокими-ЭМП, а ее устойчивость к ультрафиолетовому излучению снижается через 2–3 года эксплуатации на открытом воздухе.​

Менеджер солнечной фермы в Аризоне так охарактеризовал проблему: «В 2020 году мы использовали необработанные корпуса из стали 430 на 50 инверторах. К 2022 году половина корпусов потускнела и образовала небольшие трещины, а в 10 инверторах наблюдались сбои сигнала из-за электромагнитных помех. Нам пришлось потратить 15 000 долларов на замену и ремонт. Теперь мы используем только оптимизированную сталь 430-, проблем больше нет».

В этой статье рассказывается, как оптимизировать электромагнитное экранирование нержавеющей стали 430 для фотоэлектрических инверторов и как обеспечить ее длительную-стойкость к ультрафиолетовому излучению на открытом воздухе. Мы будем использовать реальные данные солнечной фермы, лабораторные тесты и простые объяснения.-без запутанного технического жаргона, а только то, что вам нужно для создания прочных и надежных корпусов инверторов.​

Почему нержавеющая сталь 430 — разумный выбор для корпусов фотоэлектрических инверторов

Прежде чем углубиться в оптимизацию, ответим: почему 430? Это «ферритная» нержавеющая сталь (содержит железо, хром, но не содержит никеля), что дает ей уникальные преимущества для корпусов инверторов:​

1. Естественное электромагнитное экранирование (лучше, чем у алюминия).

Экранирование электромагнитных помех работает путем поглощения или отражения электромагнитных волн.. 430 Содержание железа в стали делает ее естественной проводимостью.-Это позволяет ей отражать волны электромагнитных помех, в отличие от алюминия (который менее проводящий и требует дополнительных экранирующих слоев).​

Испытание Международной электротехнической комиссии (МЭК) показало:​

Необработанная сталь 430 (толщина 1 мм): блокирует 85% волн электромагнитных помех (30–1000 МГц — диапазон, который нарушает работу инверторов).​

Алюминий (толщина 1 мм): блокирует только 45% электромагнитных волн.​

Нержавеющая сталь 304 (толщина 1 мм): блокирует 90% электромагнитных волн (немного лучше, чем 430, но на 30% дороже).​

Для большинства солнечных ферм (где уровень электромагнитных помех умеренный) необработанный 430 — хорошая отправная точка-с небольшой оптимизацией, он может соответствовать экранированию 304.​

2. Доступность (экономия 20–30% по сравнению со сталью 304)​

В стали 430 отсутствует никель, который является самым дорогим ингредиентом стали 304. Это делает 430 20–30 % дешевле за килограмм-критически важным для солнечных ферм, использующих сотни инверторов.​

Производитель в Китае подсчитал разницу в стоимости:​

1000 корпусов инверторов (по 1 кг каждый) из стали 304: 15 000 долларов США.​

1000 корпусов инверторов (по 1 кг каждый) со сталью 430: 11 000 долларов США.​

Это сэкономленные 4000 долларов США-, которые можно потратить на приобретение большего количества солнечных панелей или более качественных инверторных компонентов.​

3. Базовая устойчивость к коррозии (подходит для использования на открытом воздухе).

Сталь 430 содержит 16–18% хрома, который образует на ее поверхности тонкий защитный оксидный слой. Этот слой противостоит дождю, влажности и слабым соляным брызгам (из прибрежных районов)-лучше, чем углеродистая сталь (которая ржавеет за 6 месяцев), и находится на уровне 304 для не-прибрежных солнечных электростанций.​

На солнечной ферме в Айове (низкая влажность, отсутствие соли) в течение 5 лет использовалось 430 стальных корпусов.-Они до сих пор выглядят новыми, без ржавчины и точечной коррозии. «Мы моем их раз в год мыльной водой, и все», — сказал техник по обслуживанию.​

Оптимизация электромагнитного экранирования стали 430 (блокировка 90%+)​

Необработанная сталь 430 блокирует 85 % электромагнитных помех-, но в зонах с высокими- электромагнитными помехами (например, солнечные фермы рядом с линиями электропередачи или подстанциями) требуется блокировка более 90 %, чтобы предотвратить сбои в работе инвертора. Вот три простых и недорогих-способа оптимизации экранирования:​

1. Увеличьте толщину до 1,2–1,5 мм (просто, но эффективно)​

Экранирование электромагнитных помех улучшается с увеличением толщины.-Более толстая сталь поглощает больше волн. Raw 430 при толщине блоков 1 мм 85%; при 1,5 мм он блокирует 92%.​

Солнечная ферма возле линии электропередачи напряжением 500 кВ в Техасе протестировала следующее:

Корпуса 430 толщиной 1 мм: ежемесячно у 6 инверторов наблюдались сбои в области электромагнитных помех (пропадания сигнала).​

Корпуса 430 толщиной 1,5 мм: 0 сбоев за 6 месяцев.​

Дополнительные 0,5 мм добавляют всего 0,5 доллара США на корпус, -дешевле, чем добавление дорогостоящих защитных слоев. «Толщина — это самое простое решение», — сказал инженер-электрик фермы. «Мы не усложняем задачу слишком-просто немного усложняем».​

2. Добавьте проводящее покрытие (для зон с высокими-ЭМП)​

Для солнечных ферм с сильными электромагнитными помехами (например, рядом с радиовышками) добавьте к стали 430 тонкое проводящее покрытие (например, никель или медь). Покрытие повышает проводимость, помогая стали отражать больше электромагнитных волн.​

Лабораторный тест показал:

Сталь толщиной 430 мм, + 5мкм никелевое покрытие: блокирует 95 % электромагнитных волн.​

Сталь 430 толщиной 1 мм (без покрытия): блокирует 85% электромагнитных волн.​

Стоимость покрытия составляет около 0,30 доллара США за корпус.-Оно оправдано для районов, где сбои могут привести к остановке производства. Солнечная электростанция во Флориде (рядом с военной радиовышкой) использует этот метод: «У нас не было ни одного отключения, связанного с электромагнитными помехами-с тех пор, как мы добавили никелевое покрытие», — сказал менеджер.​

3. Загерметизируйте зазоры с помощью проводящих прокладок (не игнорируйте небольшие отверстия)​

Даже самый-экранированный корпус выйдет из строя, если в нем есть щели (например, вокруг дверных защелок или кабельных вводов). Волны электромагнитных помех проникают через зазоры размером всего 0,1 мм-, поэтому загерметизируйте их проводящими прокладками (из резины, наполненной металлическими частицами).​

Распространенная ошибка: использование обычных резиновых прокладок. Они не блокируют электромагнитные волны,-проходят насквозь. На солнечной ферме в Калифорнии использовались штатные прокладки на 430 стальных корпусах: у 8 инверторов были глюки, пока не заменили прокладки на токопроводящие.​

«Пробелы — это скрытый враг», — сказал разработчик инвертора. «У вас может быть корпус толщиной 1,5 мм, но если дверной зазор не герметичен, он бесполезен. Проводящие прокладки стоят 0,20 доллара за штуку,-дешевле, чем устранять неполадки».​

Обработка стали 430 для обеспечения устойчивости к УФ-излучению вне помещений (последние 10+ лет)​

Солнечные ультрафиолетовые лучи со временем разрушают поверхность стали 430,-вызывая выцветание, изменение цвета и даже появление небольших трещин (которые пропускают воду и повреждают инвертор). Необработанная сталь 430 служит на открытом воздухе 2–3 года; при правильном лечении оно может длиться 10+ лет. Вот три лучших метода лечения:

1. Порошковое покрытие (наиболее популярное для солнечных ферм)​

Порошковое покрытие представляет собой сухую краску, которая распыляется на сталь марки 430 и запекается при температуре 180–200 градусов. Он образует толстый, прочный слой, блокирующий ультрафиолетовые лучи. Ищите порошок,-стойкий к УФ-излучению (обычно на основе полиэстера-),-он предназначен для отражения УФ-излучения, а не его поглощения.​

Испытание Американского общества испытаний и материалов (ASTM) показало:​

Сталь 430 + порошковое покрытие, устойчивое к ультрафиолетовому излучению-: не выцветает и не трескается после 10 лет эксплуатации на открытом воздухе.​

Сталь 430 (без покрытия): выцветание через 2 года, небольшие трещины через 3 года.​

Порошковое покрытие стоит примерно на 1 доллар США за корпус-дешевле, чем замена корпуса каждые 3 года. Солнечная электростанция в Аризоне (где уровень УФ-излучения в 3 раза выше среднего) использует это: «Наши корпуса 430 с порошковым-покрытием 2018 года по-прежнему выглядят как новые», — сказал техник по техническому обслуживанию. «Те, которые мы заменили в 2021 году без покрытия, выцвели и потрескались».​

2. Пассивация (повышает устойчивость к коррозии и УФ-излучению)​

Пассивация — это химическая обработка, которая утолщает естественный слой оксида хрома стали 430. Более толстый слой устойчив к ультрафиолетовому излучению и коррозии.-Отлично подходит для прибрежных солнечных электростанций (где соляные брызги увеличивают износ).​

Процесс прост:​

Очистите сталь 430 мягкой кислотой (для удаления грязи и масла).​

Окуните его в раствор азотной кислоты (для утолщения оксидного слоя).​

Промойте и высушите.​

Пассивация стоит 0,40 доллара США за корпус и хорошо сочетается с порошковым покрытием (сначала используйте пассивацию, а затем порошковое покрытие для двойной защиты). Прибрежная солнечная ферма в штате Мэн использует эту комбинацию: «Каждый день у нас есть соляные брызги, но корпуса с пассивированным + порошковым-покрытием не ржавеют и не выцветают через 5 лет», — сказал менеджер.​

3. Анодирование (для гладкой и прочной отделки)​

Анодирование — это электрохимический процесс, в результате которого на стали 430 создается толстый пористый оксидный слой. Затем слой герметизируется герметиком, -стойким к УФ-излучению,-что делает его устойчивым к царапинам-и УФ-излучению-.​

Анодированная сталь 430 имеет гладкую матовую поверхность (популярна для коммерческих солнечных установок) и служит на открытом воздухе 8–12 лет. Недостаток: это дороже (1,50 доллара за корпус), чем порошковая покраска. Солнечная ферма в корпоративном кампусе в Колорадо использует анодированные корпуса 430: «Они выглядят профессионально, и нам не приходилось трогать их уже 6 лет», — сказал директор предприятия.​

Реальный-Пример из мира: оптимизированы 430 стальных корпусов на солнечной ферме в Неваде​

Солнечная ферма с 500 инверторами в Неваде (высокий уровень ультрафиолета, умеренные электромагнитные помехи от близлежащих линий электропередач) в 2021 году использовала оптимизированные стальные корпуса 430. Вот что они сделали:​

Оптимизация экранирования: сталь 430 толщиной 1,2 мм + проводящие прокладки (для умеренных электромагнитных помех покрытие не требуется).​

УФ-обработка: пассивация + порошковое покрытие, устойчивое к ультрафиолетовому излучению- (желто-коричневый цвет, отражающий солнце).​

Вот результаты через 2 года:

Характеристики электромагнитных помех: 0 сбоев инвертора (по сравнению с 12 сбоями в 2020 году с необработанными корпусами 430).​

Устойчивость к ультрафиолетовому излучению: не выцветает, не трескается и не ржавеет (даже при летней жаре до 110 градусов по Фаренгейту).​

Экономия средств:

8 000 сэкономленных на ремонте/замене (по сравнению с 2020 годом)

Счет за ремонт 10 000).​

Инженер фермы сказал: "Мы не перерасходовали-всего лишь сталь толщиной 1,2 мм, проводящие прокладки и порошковое покрытие. Это оптимальное соотношение между производительностью и стоимостью. Мы используем ту же установку для расширения в 2023 году".​

Распространенные ошибки, которых следует избегать (они испортят ваше жилье)​

Даже при хорошем обращении небольшие ошибки могут сократить срок службы стального корпуса 430. Вот три наиболее распространенных из них:

1. Использование стали 430 низкого-качества (проверьте содержание хрома)​

Не вся «сталь 430» настоящая-в некоторых дешёвых версиях содержится менее 16 % хрома (вместо необходимых 16–18 %). Этот тонкий оксидный слой быстро выцветает под воздействием ультрафиолета и легко ржавеет. Перед покупкой всегда проверяйте содержание хрома с помощью портативного анализатора.​

На солнечной ферме в Индиане использовалась дешевая сталь 430 (14% хрома): корпуса заржавели через 1 год. «Мы сэкономили 500 фунтов на корпусах, но потратили 3000 на замену», — сказал менеджер. «Никогда не пропускайте проверку хрома».​

2. Пропуск предварительной-обработки перед нанесением покрытия​

Порошковое покрытие или анодирование не удастся, если сталь 430 загрязнена. Всегда очищайте сталь водой с мылом, а затем полностью высушите ее перед обработкой. Производитель в Мексике пропустил чистку: порошковое покрытие отслоилось на 200 корпусах через 6 месяцев.​

«Предварительная-обработка — это скучно, но это важно», — сказал техник по нанесению покрытий. «Грязь и масло действуют как барьер:- покрытие не может прилипнуть к грязной поверхности».​

3. Игнорирование точек ввода кабеля​

Кабельные вводы (где провода входят в корпус) часто оказываются незащищенными. УФ-лучи и вода просачиваются через зазоры вокруг кабелей, повреждая инвертор. Для герметизации вводов используйте кабельные вводы, устойчивые к ультрафиолетовому излучению- (резина или пластик).​

На солнечной ферме в Нью-Мексико забыли о кабельных вводах: во время ливня вода попала в 5 инверторов, закоротив их. «Кабельные вводы стоят 0,50 доллара за штуку.-Мы усвоили этот урок на собственном горьком опыте», — сказал техник по техническому обслуживанию.​

Заключение​

Нержавеющая сталь 430 — идеальный материал для корпусов фотоэлектрических инверторов, -доступный по цене, естественно защищенный от электромагнитных помех и легко обрабатываемый для защиты от ультрафиолетового излучения. Оптимизируя его толщину, добавляя проводящие покрытия/прокладки для защиты от электромагнитных помех и используя порошковое покрытие/пассивацию для защиты от ультрафиолета, вы можете создавать корпуса, которые прослужат 10+ лет без каких-либо проблем.​

Для солнечных электростанций это означает меньшие затраты (дешевле, чем сталь 304) и меньшее время простоя (отсутствие сбоев в электромагнитных помехах или ремонтов, связанных с УФ-). Для производителей это означает, что продукт выделяется на конкурентном рынке: -долговечный, надежный и экономичный-.​

Как сказал один разработчик инверторов: «Необработанная сталь 430 — это хорошо, но оптимизированная сталь 430 — это здорово. Речь идет не о том, чтобы тратить больше-, а о том, чтобы тратить разумно. Несколько небольших изменений превращают двухлетний срок службы в 10-летний».