Überwachung von Photovoltaik-Panel-Staub mittels hyperspektraler Fernerkundung

Das Solarkraftwerk Benban befindet sich in der Region Benban im Gouvernement Assuan in Ägypten, einem Wüstengebiet etwa 650 Kilometer südlich von Kairo und 40 Kilometer nordwestlich von Assuan. Mit einer Gesamtkapazität von 1650 Megawatt ist es Ägyptens erstes Photovoltaik-Großkraftwerk und derzeit das viertgrößte Solarkraftwerk der Welt. Der Bau begann im Februar 2018 und wurde im November 2019 abgeschlossen. Das Kraftwerk erstreckt sich über eine Fläche von 37,2 Quadratkilometern und kostete 4 Milliarden US-Dollar.

Projektvorstellung

Dieses in einer Wüstenregion gelegene Kraftwerksprojekt ist ständig von Sandstürmen betroffen. Staub lagert sich leicht auf der Oberfläche der Photovoltaikmodule ab. Dieser Staub blockiert nicht nur das Sonnenlicht, wodurch die Lichtdurchlässigkeit des Glases und somit die Menge der die Zellen erreichenden Sonnenstrahlung reduziert wird, sondern beeinträchtigt auch den Wärmetransport. Staub absorbiert die Sonnenstrahlung und wandelt sie in Wärme um, während er gleichzeitig die Wärmeabfuhr über das Deckglas der Photovoltaikmodule behindert. Kurz gesagt, Staub ist eines der Hauptprobleme, die die Leistung von Photovoltaikkraftwerken beeinträchtigen. Dies zeigt sich vor allem in folgenden Aspekten:

1. Der Einfluss von Staub auf die Sonnenstrahlung

△Abbildung 1. Erhöhte Staubkonzentrationen verursachen diffuse Reflexionen von Photovoltaikmodulen.

Staub auf Glasoberflächen beeinträchtigt nicht nur die Durchlässigkeit der Sonneneinstrahlung erheblich, sondern verursacht auch eine starke diffuse Reflexion der auf Photovoltaikmodule auftreffenden Sonnenstrahlung, wodurch deren Reflexionsvermögen erhöht wird. Experimentelle Messungen zeigen, dass sich auf Glasoberflächen Staub ansammeln kann, was zu einem Verlust von 5–30 % der Sonneneinstrahlung führen kann.

2. Der Einfluss von Staubverkalkung und -ablagerung auf die Lichtdurchlässigkeit

Staub enthält große Mengen an Calcium- und Magnesiumoxiden. Wenn Staub auf der Oberfläche von Photovoltaikmodulen mit Regenwasser in Kontakt kommt, lösen sich geringe Mengen an Calcium- und Magnesiumionen im Regenwasser und lagern sich wieder an der Glasoberfläche der Module ab. Dort bildet sich eine dicke, harte Calcium-Magnesium-Ablagerung. Diese Ablagerung lässt sich nur schwer entfernen und beeinträchtigt die Leistung der Photovoltaikmodule erheblich. In schweren Fällen kann sie sogar zu Problemen wie Hotspots auf einzelnen Photovoltaikzellen führen.

• Der Einfluss von Staub auf die Temperatur von Photovoltaikmodulen

Staub, der sich auf der Oberfläche von gehärtetem Glas ablagert, kann einen Teil der Sonnenstrahlung absorbieren und in Wärmeenergie umwandeln. Dadurch erhöht sich die Betriebstemperatur der Photovoltaikmodule, was die Wärmeableitung beeinträchtigt und den Wärme-Temperatur-Effekt der Photovoltaikmodule weiter verstärkt, wodurch die Leistung der Photovoltaik-Stromerzeugung beeinträchtigt wird.

Daher sollte beim Betrieb und der Wartung von Photovoltaikanlagen besonderes Augenmerk auf die Auswirkungen von Staub auf die Photovoltaik-Oberfläche und deren Einfluss auf die Stromerzeugung gelegt werden. Eine regelmäßige Reinigung ist notwendig, um die Oberfläche der Photovoltaikmodule sauber zu halten und den effizienten Betrieb des Kraftwerks zu gewährleisten.

Zur Untersuchung der Staubbelastung von Photovoltaikmodulen nutzten wir den hyperspektralen Satelliten XIGUANG-003, um das Zielgebiet am 1. Januar 2024 abzubilden. Das resultierende Bild wies eine Bodenauflösung von 10 Metern und 150 Spektralbänder auf. Wir identifizierten und extrahierten die Bereiche der Photovoltaikmodule und bewerteten die Staubbedeckung anhand der Reflektivität.

△Abbildung 2 Schematische Darstellung eines Photovoltaik-Kraftwerks in der Wüste

△Abbildung 3 Regelmäßige Reinigung von Photovoltaikmodulen

△Abbildung 4 Standort des Photovoltaik-Kraftwerks Benban

△Abbildung 5. Hyperspektrales Echtfarbenbild des Untersuchungsgebiets nach der Fusion

Wir fusionieren hochauflösende panchromatische Daten mit hyperspektralen Daten, um hochauflösende hyperspektrale Daten zu erhalten, und führen dann eine radiometrische Kalibrierung und atmosphärische Korrektur durch, um Oberflächenreflexionsdaten zu erhalten. Dadurch analysieren wir die Reflexion jedes Bandes im Bereich der Photovoltaikanlage.

△Abbildung 6: Beschriftungen von Orientierungspunkten in der Nähe des Photovoltaik-Kraftwerks Benban

△Abbildung 7 Reflexionsgrad von Bodenmerkmalen in der Nähe des Photovoltaik-Kraftwerks Benban (Reflexionswerte 1000-fach vergrößert)

Wie in Abbildung 6 und 7 dargestellt, wurden Proben von Photovoltaikmodulen, zentral bewässertem Ackerland und anderen Landoberflächen markiert. Die Reflexionskurven dieser drei Landnutzungsarten weisen deutliche Unterschiede auf. Wüstenoberflächen zeigen über den gesamten Wellenlängenbereich eine hohe Reflexion, während die Reflexion von Ackerland im Bereich von 450–560 nm höher ist als die von Photovoltaikmodulen und anschließend abnimmt. Basierend auf diesen Reflexionsunterschieden können maschinelle Lernverfahren zur Klassifizierung von Landnutzungsarten eingesetzt werden.

△Abbildung 8 Windrosendiagramm des Untersuchungsgebiets im Jahr 2023

Wir haben außerdem für das Untersuchungsgebiet im Jahr 2023 tägliche Windrichtungsdaten erhoben und die Windrichtungshäufigkeit berechnet, um eine Windrose zu erstellen und so die räumliche Verteilung der Staubablagerungen zu überprüfen (siehe Abbildung 8). Die vorherrschenden Windrichtungen im Untersuchungsgebiet sind Nordwest und Nordnordwest. Diese vorherrschenden Windrichtungen sind in der Staubbedeckungskarte in Abbildung 10 markiert.

*Datenquelle: Prognose der weltweiten Energieressourcen

△Abbildung 9 Unterschiede im Reflexionsvermögen von Photovoltaikmodulen bei unterschiedlichen Staubablagerungen

Abbildung 10. Staubbedeckungskarte des Untersuchungsgebiets am 1. Januar 2024

Anhand der unterschiedlichen Reflektivität von Photovoltaikmodulen erstellten wir eine Karte der Staubbedeckung. Anschließend wählten wir zwei Regionen aus – Nordwesten und Südosten –, um diese Unterschiede zu überprüfen (siehe Abbildung 9). Photovoltaikmodule mit höherer Staubbedeckung wiesen eine deutlich erhöhte Reflektivität auf. Darüber hinaus nahm die räumliche Verteilung der Staubbedeckung von Nordwesten nach Südosten ab, was weitgehend mit der vorherrschenden Windrichtung übereinstimmte. Obwohl die tatsächlichen Bedingungen durch Variationen im Neigungswinkel der Photovoltaikmodule oder unterschiedliche Zonierungsmuster beeinflusst werden können, bietet diese Karte einen relativ anschaulichen Überblick über die Staubansammlung.

Nach der Erfassung von Daten aus verschiedenen Szenen können Staubablagerungsmuster anhand von Zeitreiheninformationen weiter analysiert, die Staubbedeckung durch die Kombination mit meteorologischen Daten vorhergesagt, der nächste Reinigungszeitpunkt präzise abgeschätzt und mithilfe von Stromerzeugungsstatistiken geeignete Reinigungszyklen berechnet werden. Dadurch lassen sich Reinigungsaufgaben im Voraus rational planen, die Produktionseffizienz steigern und die Reinigungskosten senken. Gleichzeitig können Bodenexperimente durchgeführt werden, um den Zusammenhang zwischen Reflektivität und der tatsächlichen Quantifizierung der Staubbedeckung zu analysieren und so die Genauigkeit der Staubbedeckungsüberwachung weiter zu verbessern.