一种光伏电站电弧监测系统及其制备方法与流程

1.本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种光伏电站电弧监测系统及其制备方法。
技术背景
2.火灾是光伏电站经济效益损失最大的事故，如果是安装在厂房或者民居屋顶上，还很容易危及人身安全。光伏电站一旦发生火灾，不能直接用水来灭火，首先要以最快的速度切断电源，光伏电站中的火灾事故因素很多，直流拉弧是主要的原因。
3.在整个光伏系统中直流侧电压通常高达600
‑
1000v，由于光伏组件接头接点松脱，接触不良、电线受潮、绝缘破裂等原因而极易引起直流拉弧现象。直流拉弧会导致接触部分温度急剧升高，持续的电弧会产生3000
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7000℃的高温，并伴随着高温碳化周围器件，轻者熔断保险、线缆，重者烧毁组件和设备引起火灾。目前，ul和nec安规对80v以上的直流系统，都有拉弧检测功能的强制要求。
4.由于光伏系统发生火灾后不能直接用水扑灭，预警和预防，显得十分重要，特别是对于彩钢瓦屋顶，维护人员很难检查出故障点和隐患，所以安装具有电弧检测功能的监测系统是十分必要的。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种光伏电站电弧监测系统及其制备方法，该系统可以在室外在线监测光伏电站易发生的紫外电弧隐患，并通过物联网通信将信号发送至智能开关切断装置，切断供电，防止电气火灾的发生。
6.为了解决上述技术问题，一种光伏电站电弧监测系统，包含电弧监测芯片、放大电路、物联网通信模块和智能开关切断装置，电弧监测芯片连接于放大电路，放大电路与物联网通信模块耦接，物联网通信模块与智能开关切断装置耦接，以使得电弧监测芯片通过物联网通信模块将信号发送至智能开关切断装置；
7.其中，电弧监测芯片由石英玻璃、非晶氧化镓薄膜层和金属叉指电极组成，
8.金属叉指电极包括第一金属叉指电极和第二金属叉指电极，第一金属叉电极包括第一叉指部和第一触点部，第二金属叉电极包括第二叉指部和第二触点部，第一叉指部和第二叉指部交叉设置，且第一叉指部和第二叉指部不直接接触；
9.金属叉指电极位于石英玻璃一侧，非晶氧化镓薄膜层位于金属叉指电极背离石英玻璃一侧，非晶氧化镓薄膜层覆盖第一叉指部和第二叉指部，非晶氧化镓薄膜层、第一叉指部、第二叉指部和石英玻璃形成漫反射结构。
10.本发明提的石英玻璃既作为衬底又作为窗口保护层，对深紫外线具有良好的透过率。可以降低电弧监测芯片的厚度，提高器件对电弧紫外线的探测率。本发明的光伏电站电弧监测系统不受太阳光背景的干扰，可以精准监测光伏电站电弧发出的紫外线信号。
11.其中，电弧监测芯片用于在检测到光伏电站电弧发出的紫外线信号时，通过放大
电路发送信号至物联网通信模块，物联网通信模块发送信号至智能开关切断装置，以使得智能开关切断装置切断供电。
12.其中，金属叉指电极位于石英玻璃的粗糙面上，形成褶皱状叉指电极；金属叉指电极通过热蒸发的方法生长于石英玻璃的粗糙面上，石英玻璃表面的粗糙度为50
‑
100nm。褶皱状金属叉指电极层位于石英玻璃的粗糙面和非晶氧化镓薄膜层之间，结合紧密，提高电极和非晶氧化镓薄膜层与衬底的结合力，同时又创造了漫反射层，提高了器件对电弧紫外线的探测率。
13.非晶氧化镓薄膜层的面积小于石英玻璃的面积，第一触点部和第二触点部裸露于非晶氧化镓之外。
14.其中，非晶氧化镓薄膜层的厚度为300nm～500nm，石英玻璃的厚度为0.5mm～1mm，第一叉指部的叉指的间距为50μm
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100μm，第二叉指部的叉指的间距为50μm
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100μm，非晶氧化镓薄膜层通过磁控溅射的方法生长于金属叉指电极上方，其中，溅射压强在5.0～10.0pa范围内，溅射功率在50w～80w范围内，溅射气体流量比o2/ar＝0.5％～5％，溅射时间在1h～5h范围内，溅射温度为室温。
15.其中，金属叉指电极分别为au、pt、ag、in和ti中的任意一种或几种的组合。
16.本发明的一种光伏电站电弧监测系统的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
17.(1)先将石英玻璃的一侧用砂纸打磨，分别用300目、1000目和3000目的砂纸对石英玻璃依次打磨半小时，然后将石英玻璃浸泡在稀盐酸中，清洗并去除杂质，最后用去离子水和无水乙醇清洗并烘干，获得表面粗糙的石英玻璃；
18.(2)将打磨后石英玻璃的粗糙面朝上放置，在上方加盖金属电极掩膜版，并将该样品转移至热蒸发仪中，获得金属叉指电极，该金属叉指电极紧贴石英玻璃的粗糙面，形成皱褶状叉指电极，提高叉指电极与石英玻璃的结合力，金属叉指电极包括交叉设置的第一叉指部和第二叉指部，以及第一触点部和第二触点部；
19.(3)遮挡金属叉指电极的第一触点部分和第二触点部分，并在叉指电极/石英玻璃上方磁控溅射一层非晶氧化镓薄膜层，非晶氧化镓与第一叉指部、第二叉指部、石英玻璃，形成致密的漫反射结构层，即形成紫外光电器，以提高对紫外光的利用率，增强器件的探测率；
20.(4)将步骤(3)中获得的紫外光电器件进行贴片封装，接入放大电路、物联网通信模块和智能开关切断装置，获得光伏电站电弧监测系统。
21.其中，所述步骤(3)的磁控溅射一层非晶氧化镓薄膜层的溅射压强在5.0～10.0pa范围内，溅射功率在50w～80w范围内，溅射气体流量比o2/ar＝0.5％～5％，溅射时间在1h～5h范围内，溅射温度为室温。
22.本发明的优点和有益效果在于：
23.(1)本发明的光伏电站电弧监测系统不受太阳光背景的干扰，可以精准监测光伏电站电弧发出的紫外线信号，并通过物联网通信将信号发送至智能开关，切断供电，防止电气火灾的发生。
24.(2)本发明的光伏电站电弧监测系统的制备方法，制备过程简单，采用低成本的磁控溅射方法，并且在室温下进行制备非晶氧化镓薄膜，成本低、工艺可控性强、易操作、重复性好、可大面积制备等优势。
附图说明
25.图1是本发明实施例光伏电站电弧监测系统的电弧监测芯片结构示意图；
26.图2是本发明实施例光伏电站电弧监测系统的结构框图；
27.图3是本发明实施例光伏电站电弧监测系统在254nm紫外光照射下的i
‑
v曲线图；
28.图4是本发明实施例光伏电站电弧监测系统在3v偏压、100μw/cm2光强和254nm紫外光照射下的i
‑
t响应曲线；
29.图5是本发明实施例光伏电站电弧监测系统在3v偏压下对不同光强(10
‑
240μw/cm2)的254nm紫外光的i
‑
t响应曲线。
30.其中，10、石英玻璃；20、金属叉指电极；21、第一金属叉指电极；22、第二金属叉指电极；211、第一叉指部；212、第一触点部；221、第二叉指部；222、第二触点部；23、叉指；30、非晶氧化镓薄膜层；100、电弧监测芯片；200、放大电路；300、物联网通信模块；400、智能开关切断装置。
具体实施方式
31.以下结合实施例进一步说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中使用的手段，如无特别说明，均使用本领域常规的手段。
32.实施例1：
33.一种光伏电站电弧监测系统的制备方法如下：
34.(1)先将石英玻璃的一侧用砂纸打磨，分别用300目、1000目和3000目的砂纸对石英玻璃依次打磨半小时，然后将石英玻璃浸泡在稀盐酸中，清洗并去除杂质，最后用去离子水和无水乙醇清洗并烘干，获得表面粗糙的石英玻璃；
35.(2)将打磨后石英玻璃的粗糙面朝上放置，在上方加盖金属电极掩膜版，并将该样品转移至热蒸发仪中，获得金属叉指电极，该金属叉指电极紧贴石英玻璃的粗糙面，形成皱褶状叉指电极，提高叉指电极与石英玻璃的结合力金属叉指电极包括交叉设置的第一叉指部和第二叉指部，以及第一触点部和第二触点部；
36.(3)遮挡金属叉指电极的第一触点部分和第二触点部分，并在叉指电极/石英玻璃上方磁控溅射一层非晶氧化镓薄膜层，非晶氧化镓薄膜层与第一叉指部、第二叉指部、石英玻璃，形成致密的漫反射结构层，即形成紫外光电器，以提高对紫外光的利用率，增强器件的探测率；
37.(4)将步骤(3)中获得的紫外光电器件进行贴片封装，接入放大电路、物联网通信模块和智能开关切断装置，获得光伏电站电弧监测系统。
38.本技术实施例中，在光伏组件中安装智能开关切断装置，当电弧在线监测系统探测到光伏电站有电弧产生，该系统立即将指令信号发送至智能开关，并切断光伏组件供电，防止电气火灾的发生。
39.步骤(3)中，磁控溅射法生长一层非晶氧化镓薄膜层的溅射压强10pa，溅射功率在50w，溅射气体流量比o2/ar＝1.5％，溅射时间在2h，溅射温度为室温。
40.经上述方法可制备得到基于非晶氧化镓薄膜层光电芯片的电弧在线监测系统，可用作光伏电站的电弧监测系统，如图1和2所示，包含电弧监测芯片100、放大电路200、物联网通信模块300和智能开关切断装置400，电弧监测芯片100连接于放大电路200，放大电路
200与物联网通信模块300耦接，物联网通信模块300与智能开关切断装置400耦接，以使得电弧监测芯片100通过物联网通信模块300将信号发送至智能开关切断装置400；其中，电弧监测芯片100由石英玻璃10、非晶氧化镓薄膜层30和金属叉指电极20组成，金属叉指电极20包括第一金属叉指电极21和第二金属叉指电极22，第一金属叉电极包括第一叉指部211和第一触点部212，第二金属叉电极包括第二叉指部221和第二触点部222，第一叉指部211和第二叉指部221交叉设置，且第一叉指部211和第二叉指部221不直接接触；金属叉指电极20位于石英玻璃10一侧，非晶氧化镓薄膜层30位于金属叉指电极20背离石英玻璃10一侧，非晶氧化镓薄膜层30覆盖第一叉指部211和第二叉指部221，非晶氧化镓薄膜层30、第一叉指部211、第二叉指部221和石英玻璃10形成漫反射结构。
41.在该监测系统中，石英玻璃10既作为衬底又作为窗口保护层，第一叉指部211和第二叉指部221位于石英玻璃10和非晶氧化镓薄膜层30之间，使得非晶氧化镓薄膜层30与石英玻璃10结合紧密，提高金属叉指电极20和非晶氧化镓薄膜层30与衬底的结合力，同时又创造了漫反射层，提高了器件对电弧紫外线的探测率。
42.图3为本发明光伏电站电弧监测系统在254nm紫外光照射下的i
‑
v曲线图，从图3中看出其具有良好的伏安特性，光暗比达800。图4为本发明光伏电站电弧监测系统在3v偏压、100μw/cm2光强和254nm紫外光照射下的i
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t响应曲线，由图4可知，当开启紫外光源时，监测系统的光电流迅速上升，关闭光源后，光电流瞬间下降，表明监测系统的探测灵敏度高，数据传输快，可以有效监测光伏电站产生的电弧隐患。图5为本发明光伏电站电弧监测系统在3v偏压下对不同光强(10
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240μw/cm2)的254nm紫外光的i
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t响应曲线，从图5可以看出，该监测系统可以探测10μw/cm2极弱的紫外光信号，而且随着光强的增强，光电流也随之变大，监测系统在0.2μw/cm2的紫外光信号下，电流强度为6.5na/cm2；在20μw/cm2的紫外光信号下，电流强度为10na/cm2；在40μw/cm2的紫外光信号下，电流强度为15.5na/cm2；在80μw/cm2的紫外光信号下，电流强度为22na/cm2；在120μw/cm2的紫外光信号下，电流强度为29na/cm2；在160μw/cm2的紫外光信号下，电流强度为35na/cm2；在200μw/cm2的紫外光信号下，电流强度为36na/cm2；在240μw/cm2的紫外光信号下，电流强度为40.5na/cm2，光电流呈线性变化，可以有效判断电弧隐患的大小或距离(距离越近信号越强)。本发明的监测系统不受太阳光背景的干扰，可以精准监测光伏电站电弧发出的紫外线信号，并通过物联网通信将信号发送至智能开关切断装置400，切断供电，防止电气火灾的发生。
43.实施例2
44.本技术实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)中，磁控溅射法生长一层非晶氧化镓薄膜层的溅射压强10pa，溅射功率在80w，溅射气体流量比o2/ar＝2.5％，溅射时间在3h，溅射温度为室温。所得光伏电站电弧监测系统的电弧监测芯片结构和光电性能与实施例1相似。
45.实施例3
46.本技术实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)中，磁控溅射法生长一层非晶氧化镓薄膜层的溅射压强8pa，溅射功率在70w，溅射气体流量比o2/ar＝3.5％，溅射时间在4h，溅射温度为室温。所得光伏电站电弧监测系统的电弧监测芯片结构和光电性能与实施例1相似。
47.实施例4
48.本技术实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)中，磁控溅射法生长一层非晶氧化镓薄膜层的溅射压强6pa，溅射功率在10w，溅射气体流量比o2/ar＝5％，溅射时间在2h，溅射温度为室温。所得光伏电站电弧监测系统的电弧监测芯片结构和光电性能与实施例1相似。
49.实施例5
50.本技术实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)中，磁控溅射法生长一层非晶氧化镓薄膜层的溅射压强5pa，溅射功率在50w，溅射气体流量比o2/ar＝0.5％，溅射时间在5h，溅射温度为室温。所得光伏电站电弧监测系统的电弧监测芯片结构和光电性能与实施例1相似。
51.实施例6
52.如图1和图2所示，本技术实施例提供一种光伏电站电弧监测系统，包含电弧监测芯片100、放大电路200、物联网通信模块300和智能开关切断装置400，电弧监测芯片100连接于放大电路200，放大电路200与物联网通信模块300耦接，物联网通信模块300与智能开关切断装置400耦接，以使得电弧监测芯片100通过物联网通信模块300将信号发送至智能开关切断装置400；其中，电弧监测芯片100由石英玻璃10、非晶氧化镓薄膜层30和金属叉指电极20组成，金属叉指电极20包括第一金属叉指电极21和第二金属叉指电极22，第一金属叉电极包括第一叉指部211和第一触点部212，第二金属叉电极包括第二叉指部221和第二触点部222，第一叉指部211和第二叉指部221交叉设置，且第一叉指部211和第二叉指部221不直接接触；金属叉指电极20位于石英玻璃10一侧，非晶氧化镓薄膜层30位于金属叉指电极20背离石英玻璃10一侧，非晶氧化镓薄膜层30覆盖第一叉指部211和第二叉指部221，非晶氧化镓薄膜层30、第一叉指部211、第二叉指部221和石英玻璃10形成漫反射结构。
53.本技术实施例的光伏电站电弧监测系统，其中电弧监测芯片100的石英玻璃10既作为衬底又作为窗口保护层；石英玻璃10对深紫外线具有良好的透过率。
54.本技术实施例的光伏电站电弧监测系统，第一叉指部211和第二叉指部221位于非晶氧化镓薄膜层30和石英玻璃10之间，使得非晶氧化镓薄膜层30和石英玻璃10结合力强，同时，非晶氧化镓薄膜层30和石英玻璃10与金属叉指电极20结合力强。本技术实施例中，
55.非晶氧化镓薄膜层30与第一叉指部211、第二叉指部221及石英玻璃10形成漫反射结构，提高了器件对电弧紫外线的探测率。本技术实施例的光伏电站电弧监测系统不受太阳光背景的干扰，可以精准监测光伏电站电弧发出的紫外线信号，并通过物联网通信将信号发送至智能开关，切断供电，防止电气火灾的发生。
56.本技术实施例的电弧监测芯片100用于在检测到光伏电站电弧发出的紫外线信号时，通过放大电路200发送信号至物联网通信模块300，物联网通信模块300发送信号至智能开关切断装置400，以使得智能开关切断装置400切断供电。
57.本技术实施例中，金属叉指电极20位于石英玻璃10的粗糙面上，形成褶皱状叉指电极，可以提高石英玻璃10与金属叉指电极20结合强度，同时提高非晶氧化镓薄膜层30与第一叉指部211、第二叉指部221及石英玻璃10形成漫反射结构的漫反射效果。
58.本技术实施例中，金属叉指电极20通过热蒸发的方法生长于石英玻璃10的粗糙面上，石英玻璃10表面的粗糙度为50
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100nm，具体的，本技术实施例中，石英玻璃10表面的粗糙度为50nm，在其他实施例中，石英玻璃10表面的粗糙度也可以为60nm、70nm、80nm、90nm或
100nm。
59.本技术实施例中，非晶氧化镓薄膜层30的厚度为300nm～500nm，本技术实施例中，非晶氧化镓薄膜层30的厚度为300nm。在其他实施例中，非晶氧化镓薄膜层30的厚度也可以为350nm、400nm、450nm或500nm。
60.本技术实施例中，石英玻璃10的厚度为0.5mm～1mm，本技术实施例中，石英玻璃10的厚度为0.5mm。在其他实施例中，石英玻璃10的厚度也可以为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。本技术实施例中，通过控制石英玻璃10的厚度、非晶氧化镓薄膜层30以使得形成的电弧监测芯片100具有优异的探测性能。
61.本技术实施例中，金属叉指电极20的第一叉指部211的叉指23的间距为50μm
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100μm，第二叉指部221的叉指23的间距为50μm
‑
100μm，非晶氧化镓薄膜层30通过磁控溅射的方法生长于金属叉指电极20上方，其中，溅射压强在5～10pa范围内，溅射功率在50w～80w范围内，溅射气体流量比o2/ar＝0.5％～5％，溅射时间在1h～5h范围内，溅射温度为室温。在本技术的具体实施例中，第一叉指部211的叉指23的间距为50μm，第二叉指部221的叉指23的间距为50μm；在其他实施例中，第一叉指部211、第二叉指部221的叉指23的间距也可以为60μm、70μm、80μm、90μm或100μm。
62.其中，金属叉指电极20的材质为ag，在其他实施例中金属叉指电极20的材质也可以为au、pt、ag、in和ti中的任意一种或几种的组合。
63.以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。