直插式连接器可防止太阳能电池板着火

桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)已开发出一种直插式连接器，该连接器可以在太阳能电池板开始电火之前自动预测并防止其发生电弧故障。桑迪亚研究人员Kenny Armijo与实验室中的其他研究人员以及当地公司Guardian Sensors 一起工作了10年，以了解和表征这些危险电弧故障。

图1：桑迪亚国家实验室研究员Kenny Armijo使用由研究人员开发的电弧故障发生器来确定电弧故障的危险程度。

“随着太阳能电池板效率的提高，它们能够产生更多的功率，”Armijo说。“更高的功率意味着他们将拥有更高的电流和更高的电压。随着下一代太阳能电池板中电流和电压水平的提高，这会变得更加危险，因为随着电压的升高，电弧故障的可能性会更高。而这种新的自熄机制可以解决这个问题。”

Guardian Sensors所开发的直插式连接器——长约1英寸、一角硬币的直径，它包含金属弹簧，该弹簧覆盖有一种特殊类型的自熄性聚合物材料，桑迪亚过去五年对该材料进行了开发和测试。

像当前的连接器一样，自熄灭机制将连接一系列太阳能电池板，例如一串圣诞灯，它们可以在野外或在屋顶上一起工作。

图2：如果有火花，则串联连接器内的桑迪亚国家实验室开发的一种特殊聚合物会融化，弹簧会在连接器内部延伸，以促进更大的火花间隙并阻止火焰，如这张照片所示。

所有连接器都容易受到腐蚀、损坏或安装不当的影响，这可能会导致可靠性问题，尤其是在电线上出现细小的裂缝或折断的情况下。目前，一旦这种情况发生，即高电流和高电压流经损坏的连接器时，可能会产生火花和毁灭性的火灾。不幸的是，连接器本身没有完全可靠的方法来防止危险。Armijo说，这就是新器件将要填补这一空白的地方。

新的串联连接器已构建为可在185°F以上的温度下激活。发生这种情况时，特殊的自熄材料会融化，以填充电线中的裂缝或断裂，并使弹簧伸长，从而增加电线导体之间的火花隙，因此它们不再产生导致发热和着火的能量。Armijo说，反应速度与材料的耐火性能相结合，可以在火灾发生前不到2秒的时间内停止燃烧。

连接器中使用的自熄材料是基于Sandia的研究(源自实验室指导研究与开发计划)开发的。 Guardian Sensors当前的工作由新墨西哥州小企业援助计划(NMSBA)提供资金，该计划为桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室，甚至为那些寻求解决科学问题的公司，提供了技术援助。

通过NMSBA计划，桑迪亚能够为Guardian Sensors提供访问实验室的专利特殊电弧故障发生器的权限。它是由研究人员开发的，旨在确定危险的电弧故障的程度，并且可以测试不同材料在高压连接器和电线中的可靠性。在这个项目中，Armijo能够使用电弧故障发生器测试用于Guardian传感器的连接器原型，并获得了成功。

图3：此图显示了桑迪亚国家实验室在线连接器在发生电弧故障和突然自熄时的测试示例。该图描绘了当串联连接器熄灭火花时不到一秒的突然电压降。

Armijo拥有多个测试的几张照片、视频和数据。他说，一个重要的例子显示了一条曲线，这些曲线随着电压尖峰的增加而增加，“然后bam(自熄灭机制)起作用了，”他指出了该图上所有直线在垂直方向突然下降到零的位置。

“你会看到这种快速关闭，并且它是独立完成的，” Armijo说。“对我来说，这说明了一切，因为它实际上是一种‘一劳永逸’的系统。我认为这才是使整个系统真正有用和具有影响力的真正原因。”

由于获得了技术援助和成功的支持，Guardian Sensors从能源部获得了22.5万美元美国制造太阳能奖和优惠券，并为三所新墨西哥大学提供了研究机会。该公司还能够聘请新工程师进行扩展。

此外，该公司还获得了NMSBA参与者颁发的杰出小企业杰出演说家奖，该奖项向NMSBA参与者颁发，该奖项展示了通过可持续发展和劳动力发展来改善新墨西哥州经济的最重要业务增长。

“我强烈推荐NMSBA计划，因为在技术支持下，我们能够测试和验证电路断路器，” Guardian Sensors的计划经理Kenny Blemel说。“如果没有桑迪亚研究人员和特殊设备的帮助，我们将无法实现这一目标。我们期待将其投放市场，以使提供替代能源的公司受益，并确保公众安全。”

Armijo表示，他希望将来能够将研究扩展到其他类型的电源和存储设备，例如电池。

“我们正在考虑将这项研究进行扩展，而不仅仅是连接器，” Armijo说。“我认为下一步是看我们是否可以将类似的东西扩展到能量存储中，例如电池或任何具有电荷的东西。归根结底，使可再生能源起作用并得到更多采用的方法是拥有存储，而我和Guardian Sensors正在围绕先进的储能技术开发想法和研究，以减轻电弧故障。”