“坐阵”发电侧，传感器成新型电力系统稳定运行的基石丨郭源生细说传感器

编者按：传感器作为“信息时代的神经末梢”，已渗透到社会经济的每一个关键领域。本报日前刊登《》一文，作者九三中央科技委副主任、中国传感器与物联网产业联盟常务副理事长郭源生指出，“站在 ‘十五五的新起点，我国传感器行业面临着巨大的机遇与挑战”，并建议未来聚焦电力、重大装备、智能制造、智慧农业、智慧医疗与大健康、智能家电及消费电子、城市安防、低空经济八大领域与场景，建强传感器产业。从即日起，本报特邀郭源生副理事长就上述领域传感器应用前景、产业现状、未来建议等进行展开阐述，以形成产业共识，促进产业发展。

在全球能源结构向清洁、低碳转型的浪潮中，融合了数字化、智能化技术的新型电力系统正成为推动能源变革的主体。同时，也对系统稳定、效率和安全性提出了更高的要求。在发电智能化体系里，实时高效采集关键动态数据、精准显示设备工作状态稳定值、及时反馈潜在故障预警值，已然成为保障发电流程连续稳定、提升能源利用效率的关键环节。无论是传统的火力发电、水电、风电、太阳能发电，还是技术密集型的核能发电，传感器作为数据采集的功能器件和数据交互的 “窗口”，始终发挥着不可替代的核心作用。它能灵活布置在发电系统的各个控制环节，通过精准收集压力、温度、流量、振动、辐射剂量等多维度运行数据，实时感知与监测各项参数的细微变化，为系统及时调整运行策略、排查安全隐患提供可靠依据，为发电安全稳定运行筑牢坚固的防线。

随着新型电力系统的持续迭代升级，智能感知技术将进一步渗透到发电侧的每一个角落，其在保障能源供应、推动绿色转型中的作用还将更加凸显。

传感器在发电侧的创新应用

火力发电：降本增效的基础核心要素

火力发电作为电力供应的重要基础，在新型电力系统中仍承担着基荷电源的关键角色，而传感器则贯穿火电生产全流程。在燃料输送与配比环节，称重传感器为精准喂料、优化混合比提供关键数据支撑，确保锅炉进料燃烧稳定；在煤与生物质混合燃烧场景中，近红外光谱传感器可在线分析燃料颗粒成分占比，混合比控制精度达±1.5%，同时，颗粒度大小控制在0.5-3mm 的最优燃烧区间，燃料利用率可提升3%~5%，未燃尽碳排放量可降低15%以上，从源头减少浪费。

在锅炉系统中，高温光纤传感器测量范围覆盖0-1600℃、精度±1℃，能够实时监测炉膛内不同区域的温度分布，避免局部温度过高导致的能源浪费，同时使氮氧化物排放量降低8%-12%；针对烟气处理，激光气体传感器可实时检测烟气中二氧化硫、氮氧化物、粉尘颗粒物等成分浓度。当监测到污染物浓度超出标准阈值（如二氧化硫超 50mg/m³）时，系统自动触发脱硫、脱硝设备调整指令，确保排放达标。此外，在汽轮机运行过程中，振动传感器实时捕捉转轴振动频率和振幅，当振幅超过0.05mm时立即发出预警信号，避免因设备磨损加剧导致的停机事故，使火电设备运行寿命延长8%-10%，发电效率提升2%~3%。

水利发电：安全运行的动态智能节点

水电依赖于大坝、水轮机等大型装备设施，其安全运行与流域生态、周边居民生活息息相关，传感器则为水电厂构建了全方位的安全监测网络。在大坝安全监测方面，位移传感器水平/垂直精度达±2mm、渗压传感器测量范围0-10MPa，精度±0.02MPa，嵌入坝体混凝土内部的应力传感器，测量范围0-50MPa，精度±0.1MPa，实时监测坝体应力变化，当应力超过35MPa时发出预警，预防地质应力释放导致的坝体开裂；水位传感器精度±1cm，精准采集水库水位数据，测量范围覆盖死水位至校核洪水位，为水库调度、防洪防汛提供依据，同时避免水位波动超过±0.5m 影响发电效率与大坝安全。

在水轮机组的运行监测中，流速传感器精准测量进入水轮机的水流速度；压力传感器同步监测进水口、出水口压力变化，两者数据结合可将机组负荷判断误差控制在±2% 以内；温度传感器监测轴承、定子绕组温度，当轴温超65℃时触发冷却系统；振动传感器捕捉机组振动状况；电流传感器实时采集发电机输出电流，形成 “流速-压力-温度-振动-电流”多维度监测体系，任一参数异常时立即预警，避免设备损坏导致的长时间停机，机组可用率提升至98.5% 以上。借助多类型传感器的协同监测，水电厂能够实现安全预警与发电调度的精准协同，在保障安全的前提下发电效益最大化。

风力发电：精准发电的“风向智能导航仪”

风电受自然风况的不确定性影响较大，传感器的应用则为风机实现精准控制、提升发电效率提供了关键支撑。在风机的风况监测环节，超声波风速风向传感器不受暴雨、暴雪等恶劣天气影响，实时采集机舱上方风速、风向数据。风控系统可3秒内调整机舱朝向和叶片角度，确保风机始终处于最佳迎风状态，风能捕获效率提升5%~8%，当风速在3-25m/s的额定发电区间内时，发电量波动可控制在±3%以内。

嵌入叶片内部的光纤光栅传感器，温度测量- 40~120℃、微应变测量范围覆盖0-1500με，精度分别达±0.3℃、±1με，实时监测叶片应变、振动振幅和温度变化，及时发现因疲劳损伤、雷击导致的潜在故障（如叶片应变超过1200με 时预警）。可在风机运行状态下完成诊断，故障停机时间缩短至2小时以内，使年等效时数提升100-150小时。此外，在风机塔架的安全监测中，实时监测塔架的倾角传感器精度仅±0.01°，当倾斜角超过0.5°时发出预警，预防因强风、地基沉降导致的塔架倒塌风险，为风电场稳定运行提供有力保障。

太阳能发电：光照动态适配智能感知单元

太阳能发电受光照强度、环境温度等自然因素影响显著。数据显示，光伏板温度每升高1℃，发电效率约下降0.4%~0.5%。在光伏板运行监测中，温度传感器实时采集光伏板表面温度，当温度超过最佳工作温度25℃时，系统自动启动散热装置，将光伏板温度控制在30℃以内。传感器的应用有效提升了光伏系统的发电稳定性和能源利用率，避免效率下降。光强传感器实时采集光伏阵列区域的光照数据，为光伏逆变器功率调节提供依据，将逆变器输出功率波动控制在±2%以内，避免对电网造成冲击。此外，在光伏追踪系统中，双轴角度传感器实时监测太阳方位角和高度角，控制光伏板自动追踪太阳轨迹，相比固定支架光伏系统，发电量可提升15%-25%，且追踪响应时间不超过10秒，确保在光照变化时快速适配。

核能发电：安全运行的临界参数监测核心部件

核能发电对安全性的要求极为严苛，传感器在关键指标监测中的作用是无可替代的。在核反应堆运行监测环节，热电偶能够承受反应堆内的高温环境，实时监测堆芯燃料组件温度变化，将堆芯平均温度控制在300-350℃的安全区间，一旦局部温度超360℃，立即触发冷却系统调整指令，防止堆芯熔毁事故发生；压力传感器实时监测反应堆一回路、二回路压力，当一回路压力波动超过±0.2MPa时发出预警，避免因压力过高导致的设备损坏或放射性物质泄漏风险。

针对核电厂的辐射安全监测，电离室辐射、闪烁体辐射等传感器被布置在反应堆厂房、放射性废物处理车间等关键区域，实时监测环境辐射剂量。当辐射剂量超0.1mSv/h时，系统立即发出声光报警，并自动启动通风净化系统、人员疏散指引装置，保障工作人员与周边环境的安全。此外，在核电厂的冷却系统监测中，流量传感器实时监测冷却剂流量，确保冷却系统流量稳定在3000~4000m³/h 的设计区间，为核反应堆的安全稳定运行提供全方位的监测保障。

市场需求规模

各类场景需求呈现出差异化特征

风力发电和太阳能发电对传感器的需求最为旺盛。随着全球风电、光伏装机容量的快速增长，以及向高原、荒漠等偏远地区拓展，对低温-40℃以下、抗风沙传感器的需求持续攀升，年增长高达25%以上。2024年全球风电新增装机容量超100GW，每台机组需配备风速、振动、温度传感器8-12个；光伏新增装机容量超200GW，每个100MW光伏电站需部署5000~8000个传感器。

火电需求则呈现 “更新升级为主”的特点。传统火电为实现低碳转型和效率提升，正大规模替换老旧监测设备，对高精度温度、烟气成分传感器的需求年增速达15%~20%，单座600MW火电厂传感器更新投入约800~1200万元；水电需求相对稳定，单座大型水电站，装机容量1000MW以上的年均采购量约300~500台，随着水电站智能化改造率年均5%~8%持续提升与推进，需求将保持5%~10%的年增长率。

核能发电需求虽总量不大，单座核电厂需求量约1000~1500台，单价可达普通传感器的5~10倍。但对产品高精度、长期稳定性、寿命等技术指标要求极高，维护与更换成本超亿元，属于“高价值、高门槛”市场。

未来市场增长方向

从政策导向与新能源发展规划来看，未来几年市场增长将主要集中在三个方向：一是新能源发电配套市场。随着“双碳”目标的推进，预计2025-2030年全球风电、光伏新增装机容量年均分别超120GW、250GW，带动传感器需求年均增长20%-25%，同时分布式风电及光伏的发展将带动小型化、低成本传感器需求占比提升30%以上；二是传感器智能化需求增加。新型电力系统对数据实时性、准确性要求提升，具备数据预处理、边缘计算功能的智能传感器需求增速有望超30%，远超普通传感器的10%-15%，2030年智能传感器在发电侧的渗透率将达60%以上；三是老旧电站智能化升级改造。全球存量火电厂、水电站智能化改造将在2025-2030年进入高峰期，预计带动传感器替换需求超5000万台，形成稳定的市场增量。此外，随着核电技术成熟与推广，2030年全球核电新增装机容量预计超200GW，需求规模将突破50亿美元，成为发电侧的重要增长点。

传感器技术创新与挑战

前沿技术赋能整体性能提升

当前，传感器呈现“敏感机理突破+后端智能升级”双轮驱动的技术创新格局。在敏感机理与新材料方向，量子传感器凭借量子纠缠、量子隧穿等独特物理特性，实现参数监测精度的跨越式提升。如南网传感器科技研发的±800KV/10KA特高压直流量子电流传感器列入国家能源局“首台套重大装备目录”，量子磁力传感器可检测10⁻¹⁵T级的微弱磁场变化，相比传统传感器精度提升6个数量级，在水电、火电的电机设备故障诊断中，能提前3-5倍时间捕捉绕组绝缘损坏导致的磁场异常预警值；新材料技术应用进一步拓宽适用边界，除碳化硅（SiC）传感器耐温高达1700℃；抗辐射陶瓷可承受10⁶Gy 辐射剂量；柔性压电材料可贴合风机叶片、水轮机主轴等曲面结构，应变测量精度达±0.1με，相比传统误差降低80%，二维纳米材料，如石墨烯则凭借高灵敏度特性在低浓度烟气成分检测0.1ppm级二氧化硫、微量辐射监测0.01μSv/h级，检测下限降低1-2个数量级。

随着物联网（IoT）与人工智能（AI）算法的深度融合，使传感器从 “数据采集器” 升级为“智能分析器”，在各种场景中发挥得天独厚的作用。借助低功耗广域网（LPWAN）、5G等通信技术，传感器可组成分布式监测网络，数据传输速率达1Gbps以上，延迟控制在10ms以内，实现50台风机集中远程监测，运维效率提升30%以上，故障响应时间缩短至1分钟以内；AI 算法则赋予传感器故障预测能力，在火电锅炉监测中，机器学习算法可分析近3个月的温度、压力数据变化趋势，提前1-2周预测管道潜在泄漏风险，预测准确率达92%以上；同时，模块化设计让传感器更易与电站现有控制系统兼容，通过标准化的数据接口可实现传感器与DCS系统无缝对接，将智能化改造成本降低 15%-20%，这一特性在电力行业存量电站改造中尤为关键。

当前面临的挑战与应对思路

尽管传感器技术在发电侧的应用取得了显著进展，但仍面临一些实际难题。

一是极端环境适应性不足。在火电锅炉高温超 1000℃环境中，部分传感器使用寿命仅3-6个月，远低于1-2 年的设计寿命；核电强辐射剂量超10⁵Gy时会导致敏感元件性能衰减，数据精度下降幅度达10%-15%；风电高原低温-40℃以下时则易造成外壳开裂、线路故障。目前行业正通过双重路径应对：一方面研发专用材料，如针对高温环境开发的碳化硅，在1200℃环境下使用寿命可达2年以上；针对强辐射环境的抗辐射陶瓷传感器，在10⁶Gy 辐射剂量下精度衰减率控制在5%以内；另一方面优化传感器结构设计，如采用双层隔热外壳、耐低温硅胶线路在-50℃下仍可正常导电，减少极端环境对核心部件的影响。

二是数据传输稳定性问题。在偏远地区高原荒漠的风电场、光伏电站，通信信号覆盖率不足60%，数据传输丢包率可达8%-12%；在水电厂、核电厂等复杂电磁环境中，电机设备产生的电磁干扰会导致数据传输误码率超10⁻⁴，影响监测准确性。对此，行业正推广“边缘计算+云端协同”模式，使得传感器在边缘节点先完成异常数据过滤、关键参数提取等预处理，仅将10%-15%的核心数据传输至云端，减少数据传输量；同时采用抗干扰通信技术，如光纤通信抗电磁干扰能力提升99%、LoRa模块丢包率可降至2%以下，确保数据稳定传输。

三是成本与性价比平衡问题。高精度、高可靠性的传感器成本较高，如核级辐射单价是普通工业传感器的8-10倍；风电叶片光纤光栅传感器单套成本超2万元，制约了其在中小风电场的推广。未来，随着量子等技术规模化应用，成本有望逐步下降；同时行业也在探索 “按需选型” 模式，如中小电站可选用普通经济型，大型电站关键环节则配置高精度传感器，实现性能与成本的平衡。

结论与展望

核心价值总结

从发电侧各领域的应用实践来看，传感器的核心价值体现在三个维度，成为新型电力系统稳定运行的“基石”。

一是安全保障价值。通过多维度参数实时监测，为各发电类型构建“预警-响应”安全防线：火电中，烟气成分传感器可将污染物超标预警时间提前10-15分钟，避免环保处罚；水电中，大坝位移传感器可精准捕捉毫米级变形，预防溃坝风险；核电中可将辐射泄漏预警响应时间控制在1秒以内，保障人员与环境安全，各发电类型因传感器应用导致的重大安全事故发生率下降60%以上。

二是效率提升价值。借助精准数据支撑优化运行策略，实现能源利用效率最大化：火电中，燃料配比传感器可将燃料利用率提升3%~5%，单座600MW火电厂年均节约燃煤成本超千万元；风电中，风能捕获效率提升5%~8%，风电场年发电量增加100~150万 kWh；太阳能发电中，追踪系统传感器可提升发电量15%~25%，分布式光伏电站投资回收期缩短1-2年，全方位助力发电侧降本增效。

三是转型推动价值。作为数字化、智能化的 “窗口”，传感器为新型电力系统转型提供数据支撑：通过海量运行数据积累，为AI调度算法、数字孪生电站建设提供基础，如某大型能源集团借助传感器采集的5000余组/秒发电数据，构建的数字孪生电厂可实现90%以上的运维场景模拟仿真，运维效率提升40%以上；同时，传感器的应用也推动传统发电向低碳转型，火电中，高温传感器助力低氮燃烧技术落地，氮氧化物排放量降低8%~12%，成为 “双碳” 目标推进的重要支撑。

未来发展展望

从技术演进角度看，传感器将向“更智能、更可靠、更绿色”方向突破。未来将具备 “自主决策” 能力，如集成边缘计算芯片的智能传感器，可在本地完成数据分析与故障判断，直接向执行机构发送调整指令，如光伏板温度超阈值时，自动启动散热装置，响应时间从当前的秒级缩短至毫秒级；同时，多数据融合技术将成熟，如水电水轮机组可通过“流速-压力-振动”数据融合，实现机组健康状态评估准确率达95%以上，远超单一传感器的70%~80%。

可靠性提升方面，针对极端环境将逐步普及。高温传感器可耐受1800℃以上，满足未来先进火电技术需求；抗辐射可在10⁷Gy 辐射剂量下稳定工作，适配第四代核电技术；耐低温传感器可在- 60℃以下环境正常运行，覆盖高纬度、高海拔新能源发电场景，在极端环境下的使用寿命从当前的3-6个月延长至3-5年。

从市场与应用场景拓展来看，除传统监测环节外，向新能源并网、储能协同等新场景延伸。如新能源电站并网处部署的电流、电压传感器，可实时监测并网功率波动精度 ±0.5%，避免对电网造成冲击；储能系统中，电池温度、电压传感器可实现充放电状态精准控制，延长储能电池寿命10%~15%。

产业融合方面，随着 “源网荷储” 一体化推进，传感器将与电网、负荷、储能系统实现数据互通，如风电、光伏发电数据可实时传输至电网调度中心，为跨区域电力调配提供依据；同时，传感器与区块链等技术结合，可实现发电数据溯源，为绿电交易提供可信数据支撑，推动绿电市场化发展。

长远来看，传感器将从 “数据采集者” 升级为 “能源优化配置参与者”，在新型电力系统中扮演 “神经中枢” 角色，不仅保障各发电类型安全高效运行，更将助力构建清洁低碳、安全高效的能源体系，为全球 “双碳” 目标实现提供核心技术支撑。

作者 丨九三中央科技委副主任，中国传感器与物联网产业联盟常务副理事长 郭源生

编辑丨张心怡

美编丨马利亚

监制丨连晓东