基于5G/傳感融合的光伏分布式采集調控研究

摘要：為提高光伏分布式電站運行質量，采用溶膠-凝膠法制備了一種薄膜傳感器，并結合5G無線通信技術，實現了實時、準確的光伏分布式電站電流數據采集與調控。試驗結果表明，當極化電壓為+10 V，上電極為Pt，制備的薄膜具有良好的光伏性能，電流和電壓均達到最大值，分別為0.012μA和0.28 V；基于薄膜制備的傳感器，具有良好的靈敏性和重復性，靈敏度為0.3μA/A，平均標準差為0.32；結合5G無線通信技術和薄膜傳感器，可實現光伏分布式電站實時、準確的數據采集，為光伏分布式電站調控提供了理論參考。

關鍵詞：5G通信技術；光電傳感器；PCZT基薄膜；光伏分布式采集

中圖分類號：TQ427.2+6；TP212.9文獻標志碼：A文章編號：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

針對光伏分布式電站的光電數據監測方法主要是基于傳感器技術進行監測，如通過采用極限學習機優化電壓傳感器位置和數量，提出一種新的傳感器布局策略，實現了光伏陣列數據的實時采集[1]；通過采用光伏系統電流傳感器采集光伏電站瞬時賦值，提出了一種光伏系統微小故障檢測方法[2]；設計了一種基于光敏二極管傳感器三維陣列的光伏跟蹤誤差檢測裝置，實現光伏跟蹤系統跟蹤誤差的現場檢測[3]。通過上述研究可以發現，傳感器技術在光伏分布式電站中得到了廣泛應用，但就目前光伏分布式電站相關傳感器而言，其靈敏性和實時性還有待進一步提高。本研究采用具有較高剩余極化值的鋯鈦酸鉛（PZT）制備了一種薄膜傳感器，并結合5G無線通信技術，實現了光伏分布式電站電流數據的實時采集，為光伏分布式電站調控提供了參考。

1材料與方法

1.1試驗材料與設備

本次用于制備光伏分布式采集傳感器的試驗材料：99%丙酮，鼎城化工；70%丙醇鋯，十月新材料科技；99%乙二醇甲醚，創世化工；99%三水乙酸鉛，從科化工；99%六水硝酸鈷，雄大化工；99%六水硝酸鐵，雄大化工；99%鈦酸四丁酯，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。

本次用于制備光伏分布式采集傳感器的試驗設備：XPR106DUHQ分析天平，梅特勒托利多科技（中國）；SZCL-2磁力攪拌機，鄭州生化儀器；XHSOL-120-4IR熱板爐，新鏵機械設備；EDC-650Hz-23NPPB勻膠機，邁可諾科技；ZTH退火爐，四方集團；CIS400磁控濺射儀，眾瀕科技；XRDynamic 500 X射線衍射儀，安東帕（上海）；SOLARBOX 1500氙燈，赫爾納貿易（大連）；IV-2400數字源表，萬博儀器；KQ-800DE超聲波清洗機，集思儀器設備。

1.2試驗方法

本次試驗采用溶膠-凝膠法制備薄膜傳感器，具體步驟如下[4-5]：

（1）取適量乙二醇甲醚倒入燒杯A，并稱取一定量三水乙酸鉛倒入燒杯A中，攪拌的同時加熱燒杯A；

（2）當燒杯A內的溶液溫度達到123℃后，停止加熱并繼續攪拌30 min；

（3）攪拌停止后，待溶液達到25℃，向燒杯A中加入丙醇鋯和鈦酸四丁酯，加入比例為鋯鈦比13∶12的比例，并攪拌均勻；

（4）另取一燒杯B，加入乙二醇甲醚，并稱取適量硝酸鈷倒入燒杯B，同時充分攪拌燒杯B中的混合液；

（5）根據不同Co摻雜量，取對應摻雜量的燒杯B和燒杯A中溶液倒入燒杯C中，并定容混合溶液體積為43 mL[6]；

（6）在厚度為100 nm的單晶Si表面使用高溫進行氧化，得到Si/SiO2層，并使用磁控濺射儀將Ti蒸鍍到SiO2層，得到厚度約為150 nm的Si/SiO2/Ti層后，將Pt蒸鍍到Si/SiO2/Ti層上，得到厚度約200 nm的Si/SiO2/Ti/Pt基底材料；

（7）將基底材料先后通過丙酮和乙醇溶液進行超聲波清洗，并將清洗干凈的基底材料放在勻膠機中心；

（8）取一定量溶膠均勻覆蓋基底材料，設置勻膠機轉速為3 000 r/min，啟動勻膠機旋涂20 s[7-8]；

（9）將旋涂后的薄膜放置在450℃的熱板上加熱3 min后取出冷卻至26℃室溫；

（10）重復步驟（8）、（9），直至薄膜厚度約為320 nm。2結果與分析

2.1薄膜材料性能分析

2.1.1極化電壓的影響

為分析極化電壓對薄膜光伏性能的影響，在溫度26℃，利用數字源表對未極化和極化后薄膜電流-電壓進行了測試。測試過程中，光源為氙燈，光照方向垂直于薄膜，強度為110 mW/cm2，極化時間為30 s，并規定上下電極分別施加正值和負值電壓的方向為正方向[9-10]。

圖1（a）為未極化薄膜電流-電壓曲線，圖1（b）在黑暗和光照條件下使用±6 V電壓極化薄膜的電流-電壓曲線。

由圖1（a）可知，未極化的薄膜在黑暗條件下的電流信號可忽略不計，在光照條件下的電流信號達到0.008 6μA。由此說明光照可激發并分離薄膜產生載流子。由圖1（b）可知，相較于未極化，極化可增大薄膜的電流和電壓，但使用負電壓極化會改變其光伏效應方向。分析其原因是，薄膜在-6 V極化電壓下，達到了矯頑場值，導致其極化方向反向。整體來看，極化電壓對薄膜光伏響應具有明顯影響。

為進一步論證極化電壓對薄膜光伏響應具有明顯影響，實驗增大正向極化電壓進行測試。圖2為不同極化電壓下薄膜極化后的電流-電壓曲線。

由圖2可知，電流與極化電壓正相關，而電壓不受極化電壓影響。由此說明，極化電壓對薄膜的光伏響應具有明顯影響[11-12]。

2.1.2電極的影響

為分析采用Pt電極的影響，實驗分析了Pt和氧化錮錫（ITO）分別作為上電極時，薄膜的電流-電壓曲線，結果如圖3所示。圖3中，極化電壓為+6 V，極化時間為30 s，光照強度為100 mW/cm2，光照方向垂直于薄膜時，不同上電極的薄膜電流-電壓曲線。

由圖3可知，相較于ITO作為上電極，Pt作為上電極的薄膜的電流更小。分析其原因是，ITO可吸收80%以上的可見光和紫外線，因此采用ITO作為上電極，可產生更多載流子，增大薄膜電流，提高光伏性能[13]。但由于Pt的化學穩定性較高，且以其為上電極的薄膜具有較好的光伏性能。因此，綜合考慮采用Pt作為薄膜上電極具有可行性和有效性。

2.1.3 Co元素摻雜量的影響

為分析Co元素摻雜量的影響，實驗分析了不同Co元素摻雜量下的薄膜電流-電壓，結果如圖4所示。圖4中，極化電壓為+6 V，極化時間為30 s，光照強度為100 mW/cm2，光照方向垂直于薄膜時，不同Co元素摻雜量下薄膜電流-電壓曲線圖。

由圖4可知，薄膜電流和電壓與Co元素的摻雜量先正相關后負相關；當其摻雜量達到12%時，電流和電壓均達到最大值，分別為0.012μA和0.28 V。由此說明，添加Co元素可有效提升薄膜的電流電壓，進而提升其光伏性能[14]。

2.2傳感器性能分析

2.2.1靈敏性

為檢驗采用薄膜制備的傳感器靈敏性，試驗測試了不同輸入電流情況下傳感器的輸出，結果如圖5所示。

由圖5可知，輸入電流為100～800 A時，傳感器的輸入電流與輸出的擬合函數為y=17.5+0.405x，擬合系數為0.099 9，斜率即靈敏度為0.3μA/A，表現出較高的靈敏性。

2.2.2重復性

為檢驗采用薄膜制備的傳感器重復性，試驗測試了不同輸入電流下，傳感器3次輸出結果，并計算了其標準差。根據計算結果可知，不同輸入電流下，所制備的薄膜傳感器標準差不同，傳感器的輸出標準差為1.72，最小為0，分別對應輸入電流為500 A和800 A。整體來看，所制備的傳感器標準差較小，平均標準差為0.32，具有較高的重復性。

3應用效果

基于上述試驗結果可知，采用薄膜制備的傳感器具有較高的靈敏性和重復性。為進一步驗證該傳感器的實際應用效果，研究基于某光伏分布式電站，分析了其實際應用效果。

同時，為實現實時數據采集，基于5G無線通信技術對數據信息進行傳輸?？蓪崿F多個設備的快速、穩定、安全互聯，具有更強的穩定性和連續性[15-16]。

基于5G無線通信和薄膜傳感器的光伏分布式采集系統如圖6所示；傳感器實際的測量輸入電流與輸出對比如圖7所示。

由圖7可知，傳感器的輸入電流與輸出的擬合函數為y=64.375+0.391x，擬合系數為0.099 9，靈敏度為0.39μA/A，可實現光伏分布式電站數據的快速、靈敏檢測。

4結語

（1）極化電壓對薄膜光伏性能具有明顯影響，隨著極化電壓的增大，電流逐漸增強，電壓基本穩定。當極化電壓為0時，只有在光照條件下產生了明顯的光伏信號，電流達到0.008 6μA；當極化電壓為±6 V時，薄膜極化反向，電流增大為0.05μA；當極化電壓為+10 V時，電流增大為0.125μA；

（2）電極對薄膜光伏性能具有明顯影響，相較于采用Pt作為上電極，采用ITO作為上電極的光伏響應更強；

（3）Co元素摻雜量對薄膜光伏性能具有明顯影響。薄膜電流和電壓均與Co元素的摻雜量表現出先正相關后負相關的特點；當Co元素的摻雜量達到12%時，電流和電壓均達到最大值，分別為0.012μA和0.28 V；

（4）所制備的薄膜傳感器具有較高的靈敏性和重復性，靈敏度為0.3μA/A，平均標準差為0.32；

（5）結合5G無線通信技術和薄膜傳感器，可實現光伏分布式電站實時、準確的數據采集，為光伏分布式電站調控提供了理論參考。

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（責任編輯：蘇幔，平海）