基于5G/传感融合的光伏分布式采集调控研究

摘要：为提高光伏分布式电站运行质量，采用溶胶-凝胶法制备了一种薄膜传感器，并结合5G无线通信技术，实现了实时、准确的光伏分布式电站电流数据采集与调控。试验结果表明，当极化电压为+10 V，上电极为Pt，制备的薄膜具有良好的光伏性能，电流和电压均达到最大值，分别为0.012μA和0.28 V；基于薄膜制备的传感器，具有良好的灵敏性和重复性，灵敏度为0.3μA/A，平均标准差为0.32；结合5G无线通信技术和薄膜传感器，可实现光伏分布式电站实时、准确的数据采集，为光伏分布式电站调控提供了理论参考。

关键词：5G通信技术；光电传感器；PCZT基薄膜；光伏分布式采集

中图分类号：TQ427.2+6；TP212.9文献标志码：A文章编号：1001-5922（2025）01-0106-04

Research on photovoltaic distributed collection and control based on 5G/sensor fusion

SHI Qianqian，DU Lulu，WANG Youjun，CHU Chengjuan，CHENG Ming

（State Grid Chuzhou Power Supply Company Chuzhou，Chuzhou 239000，Anhui China）

Abstract：In order to improve the operation quality of photovoltaic distributed power stations，a thin film sensor was prepared by sol-gel method，and combined with 5G wireless communication technology，real-time and accurate current data acquisition and control of photovoltaic distributed power stations were realized.The experimental re⁃sults showed that when the polarization voltage was+10 V，the upper electrode was Pt，thin film prepared had good photovoltaic performance，with both current and voltage reaching their maximum values of 0.012μA and 0.28 V，re⁃spectively.The sensor based on thin film had good sensitivity and repeatability，with a sensitivity of 0.3μA/A，and the average standard deviation was 0.32.By combining 5G wireless communication technology and thin film sen⁃sors，real-time and accurate data collection of photovoltaic distributed power plants can be achieved，providing theo⁃retical reference for the regulation and control of photovoltaic distributed power plants.

Key words：5G wireless communication technology；photoelectric sensors；PCZT-based thin film；photovoltaic dis⁃tributed power station

针对光伏分布式电站的光电数据监测方法主要是基于传感器技术进行监测，如通过采用极限学习机优化电压传感器位置和数量，提出一种新的传感器布局策略，实现了光伏阵列数据的实时采集[1]；通过采用光伏系统电流传感器采集光伏电站瞬时赋值，提出了一种光伏系统微小故障检测方法[2]；设计了一种基于光敏二极管传感器三维阵列的光伏跟踪误差检测装置，实现光伏跟踪系统跟踪误差的现场检测[3]。通过上述研究可以发现，传感器技术在光伏分布式电站中得到了广泛应用，但就目前光伏分布式电站相关传感器而言，其灵敏性和实时性还有待进一步提高。本研究采用具有较高剩余极化值的锆钛酸铅（PZT）制备了一种薄膜传感器，并结合5G无线通信技术，实现了光伏分布式电站电流数据的实时采集，为光伏分布式电站调控提供了参考。

1材料与方法

1.1试验材料与设备

本次用于制备光伏分布式采集传感器的试验材料：99%丙酮，鼎城化工；70%丙醇锆，十月新材料科技；99%乙二醇甲醚，创世化工；99%三水乙酸铅，从科化工；99%六水硝酸钴，雄大化工；99%六水硝酸铁，雄大化工；99%钛酸四丁酯，阿拉丁生化科技；99.99%Ti，十月新材料科技；99.99%Si，十月新材料科技；99.99%Pt，十月新材料科技；95%乙醇，鑫超瑞化工。

本次用于制备光伏分布式采集传感器的试验设备：XPR106DUHQ分析天平，梅特勒托利多科技（中国）；SZCL-2磁力搅拌机，郑州生化仪器；XHSOL-120-4IR热板炉，新铧机械设备；EDC-650Hz-23NPPB匀胶机，迈可诺科技；ZTH退火炉，四方集团；CIS400磁控溅射仪，众濒科技；XRDynamic 500 X射线衍射仪，安东帕（上海）；SOLARBOX 1500氙灯，赫尔纳贸易（大连）；IV-2400数字源表，万博仪器；KQ-800DE超声波清洗机，集思仪器设备。

1.2试验方法

本次试验采用溶胶-凝胶法制备薄膜传感器，具体步骤如下[4-5]：

（1）取适量乙二醇甲醚倒入烧杯A，并称取一定量三水乙酸铅倒入烧杯A中，搅拌的同时加热烧杯A；

（2）当烧杯A内的溶液温度达到123℃后，停止加热并继续搅拌30 min；

（3）搅拌停止后，待溶液达到25℃，向烧杯A中加入丙醇锆和钛酸四丁酯，加入比例为锆钛比13∶12的比例，并搅拌均匀；

（4）另取一烧杯B，加入乙二醇甲醚，并称取适量硝酸钴倒入烧杯B，同时充分搅拌烧杯B中的混合液；

（5）根据不同Co掺杂量，取对应掺杂量的烧杯B和烧杯A中溶液倒入烧杯C中，并定容混合溶液体积为43 mL[6]；

（6）在厚度为100 nm的单晶Si表面使用高温进行氧化，得到Si/SiO2层，并使用磁控溅射仪将Ti蒸镀到SiO2层，得到厚度约为150 nm的Si/SiO2/Ti层后，将Pt蒸镀到Si/SiO2/Ti层上，得到厚度约200 nm的Si/SiO2/Ti/Pt基底材料；

（7）将基底材料先后通过丙酮和乙醇溶液进行超声波清洗，并将清洗干净的基底材料放在匀胶机中心；

（8）取一定量溶胶均匀覆盖基底材料，设置匀胶机转速为3 000 r/min，启动匀胶机旋涂20 s[7-8]；

（9）将旋涂后的薄膜放置在450℃的热板上加热3 min后取出冷却至26℃室温；

（10）重复步骤（8）、（9），直至薄膜厚度约为320 nm。2结果与分析

2.1薄膜材料性能分析

2.1.1极化电压的影响

为分析极化电压对薄膜光伏性能的影响，在温度26℃，利用数字源表对未极化和极化后薄膜电流-电压进行了测试。测试过程中，光源为氙灯，光照方向垂直于薄膜，强度为110 mW/cm2，极化时间为30 s，并规定上下电极分别施加正值和负值电压的方向为正方向[9-10]。

图1（a）为未极化薄膜电流-电压曲线，图1（b）在黑暗和光照条件下使用±6 V电压极化薄膜的电流-电压曲线。

由图1（a）可知，未极化的薄膜在黑暗条件下的电流信号可忽略不计，在光照条件下的电流信号达到0.008 6μA。由此说明光照可激发并分离薄膜产生载流子。由图1（b）可知，相较于未极化，极化可增大薄膜的电流和电压，但使用负电压极化会改变其光伏效应方向。分析其原因是，薄膜在-6 V极化电压下，达到了矫顽场值，导致其极化方向反向。整体来看，极化电压对薄膜光伏响应具有明显影响。

为进一步论证极化电压对薄膜光伏响应具有明显影响，实验增大正向极化电压进行测试。图2为不同极化电压下薄膜极化后的电流-电压曲线。

由图2可知，电流与极化电压正相关，而电压不受极化电压影响。由此说明，极化电压对薄膜的光伏响应具有明显影响[11-12]。

2.1.2电极的影响

为分析采用Pt电极的影响，实验分析了Pt和氧化锢锡（ITO）分别作为上电极时，薄膜的电流-电压曲线，结果如图3所示。图3中，极化电压为+6 V，极化时间为30 s，光照强度为100 mW/cm2，光照方向垂直于薄膜时，不同上电极的薄膜电流-电压曲线。

由图3可知，相较于ITO作为上电极，Pt作为上电极的薄膜的电流更小。分析其原因是，ITO可吸收80%以上的可见光和紫外线，因此采用ITO作为上电极，可产生更多载流子，增大薄膜电流，提高光伏性能[13]。但由于Pt的化学稳定性较高，且以其为上电极的薄膜具有较好的光伏性能。因此，综合考虑采用Pt作为薄膜上电极具有可行性和有效性。

2.1.3 Co元素掺杂量的影响

为分析Co元素掺杂量的影响，实验分析了不同Co元素掺杂量下的薄膜电流-电压，结果如图4所示。图4中，极化电压为+6 V，极化时间为30 s，光照强度为100 mW/cm2，光照方向垂直于薄膜时，不同Co元素掺杂量下薄膜电流-电压曲线图。

由图4可知，薄膜电流和电压与Co元素的掺杂量先正相关后负相关；当其掺杂量达到12%时，电流和电压均达到最大值，分别为0.012μA和0.28 V。由此说明，添加Co元素可有效提升薄膜的电流电压，进而提升其光伏性能[14]。

2.2传感器性能分析

2.2.1灵敏性

为检验采用薄膜制备的传感器灵敏性，试验测试了不同输入电流情况下传感器的输出，结果如图5所示。

由图5可知，输入电流为100～800 A时，传感器的输入电流与输出的拟合函数为y=17.5+0.405x，拟合系数为0.099 9，斜率即灵敏度为0.3μA/A，表现出较高的灵敏性。

2.2.2重复性

为检验采用薄膜制备的传感器重复性，试验测试了不同输入电流下，传感器3次输出结果，并计算了其标准差。根据计算结果可知，不同输入电流下，所制备的薄膜传感器标准差不同，传感器的输出标准差为1.72，最小为0，分别对应输入电流为500 A和800 A。整体来看，所制备的传感器标准差较小，平均标准差为0.32，具有较高的重复性。

3应用效果

基于上述试验结果可知，采用薄膜制备的传感器具有较高的灵敏性和重复性。为进一步验证该传感器的实际应用效果，研究基于某光伏分布式电站，分析了其实际应用效果。

同时，为实现实时数据采集，基于5G无线通信技术对数据信息进行传输。可实现多个设备的快速、稳定、安全互联，具有更强的稳定性和连续性[15-16]。

基于5G无线通信和薄膜传感器的光伏分布式采集系统如图6所示；传感器实际的测量输入电流与输出对比如图7所示。

由图7可知，传感器的输入电流与输出的拟合函数为y=64.375+0.391x，拟合系数为0.099 9，灵敏度为0.39μA/A，可实现光伏分布式电站数据的快速、灵敏检测。

4结语

（1）极化电压对薄膜光伏性能具有明显影响，随着极化电压的增大，电流逐渐增强，电压基本稳定。当极化电压为0时，只有在光照条件下产生了明显的光伏信号，电流达到0.008 6μA；当极化电压为±6 V时，薄膜极化反向，电流增大为0.05μA；当极化电压为+10 V时，电流增大为0.125μA；

（2）电极对薄膜光伏性能具有明显影响，相较于采用Pt作为上电极，采用ITO作为上电极的光伏响应更强；

（3）Co元素掺杂量对薄膜光伏性能具有明显影响。薄膜电流和电压均与Co元素的掺杂量表现出先正相关后负相关的特点；当Co元素的掺杂量达到12%时，电流和电压均达到最大值，分别为0.012μA和0.28 V；

（4）所制备的薄膜传感器具有较高的灵敏性和重复性，灵敏度为0.3μA/A，平均标准差为0.32；

（5）结合5G无线通信技术和薄膜传感器，可实现光伏分布式电站实时、准确的数据采集，为光伏分布式电站调控提供了理论参考。

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（责任编辑：苏幔，平海）