Monitorización del polvo en paneles fotovoltaicos mediante teledetección hiperespectral.

La central solar de Benban se ubica en la región de Benban, en la gobernación de Asuán, Egipto, una zona desértica situada aproximadamente a 650 kilómetros al sur de El Cairo y a 40 kilómetros al noroeste de Asuán. Con una capacidad total de 1650 megavatios, es la primera central fotovoltaica a gran escala de Egipto y actualmente la cuarta central solar más grande del mundo. Su construcción comenzó en febrero de 2018 y finalizó en noviembre de 2019. La planta ocupa una superficie de 37,2 kilómetros cuadrados y tuvo un coste de 4000 millones de dólares estadounidenses.

Introducción al proyecto

Ubicado en una región desértica, este proyecto de generación de energía se ve constantemente afectado por tormentas de arena. El polvo se acumula fácilmente en la superficie de los módulos fotovoltaicos. Este polvo no solo bloquea la luz solar, reduciendo la transmitancia del vidrio y disminuyendo la cantidad de radiación solar que llega a las células, sino que también altera el proceso de transferencia de calor. El polvo absorbe la radiación solar y la convierte en calor, a la vez que dificulta la disipación de calor del vidrio de la cubierta del módulo fotovoltaico. En resumen, el polvo es uno de los principales problemas que afectan el rendimiento de las centrales fotovoltaicas. Esto se refleja principalmente en los siguientes aspectos:

1. El impacto del polvo en la radiación solar

△Figura 1. El aumento de los niveles de polvo provoca reflexión difusa en los paneles fotovoltaicos.

El polvo en las superficies de vidrio no solo afecta significativamente la transmitancia de la radiación solar, sino que también provoca una reflexión difusa sustancial de la radiación solar que llega a los módulos fotovoltaicos, aumentando así su reflectividad. Mediciones experimentales demuestran que la acumulación de polvo en las superficies de vidrio puede ocasionar una pérdida de entre el 5 % y el 30 % de la radiación solar.

2. El efecto de la calcificación y deposición del polvo en la transmisión de la luz.

El polvo contiene una gran cantidad de óxidos de calcio y magnesio. Cuando el polvo de la superficie de los módulos fotovoltaicos entra en contacto con el agua de lluvia, una pequeña cantidad de iones de calcio y magnesio se disuelve en el agua y se adhiere nuevamente a la superficie de vidrio de los módulos, formando una capa gruesa y dura de incrustaciones de calcio y magnesio. Una vez formadas, estas incrustaciones son difíciles de eliminar y afectan gravemente el rendimiento de generación de energía de los módulos fotovoltaicos. En casos severos, incluso pueden causar problemas como puntos calientes en algunas celdas fotovoltaicas.

• El impacto del polvo en la temperatura de los módulos fotovoltaicos

El polvo que se adhiere a la superficie del vidrio templado puede absorber parte de la radiación solar y convertirla en energía térmica, aumentando así la temperatura de funcionamiento de los módulos fotovoltaicos, afectando la disipación del calor y amplificando aún más el efecto de la temperatura en los módulos fotovoltaicos, lo que afecta el rendimiento de la generación de energía fotovoltaica.

Por lo tanto, durante la operación y el mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos, se debe prestar especial atención al impacto del polvo en la superficie de los módulos fotovoltaicos sobre la generación de energía. La limpieza oportuna es necesaria para mantener limpia la superficie de los módulos fotovoltaicos y garantizar el funcionamiento eficiente de la central eléctrica.

Para abordar el problema del monitoreo de polvo en módulos fotovoltaicos, utilizamos el satélite hiperespectral XIGUANG-003 para obtener imágenes del área objetivo el 1 de enero de 2024. La imagen resultante tenía una resolución espacial de 10 metros y una longitud de onda de 150 bandas espectrales. Identificamos y extrajimos las áreas de paneles fotovoltaicos y evaluamos la cobertura de polvo basándonos en la reflectividad.

△Figura 2 Diagrama esquemático de una central eléctrica fotovoltaica en el desierto

△Figura 3 Limpieza regular de paneles fotovoltaicos

△Figura 4 Ubicación de la central fotovoltaica de Benban

△Figura 5. Imagen hiperespectral en color real del área de estudio después de la fusión.

Fusionamos datos pancromáticos de alta resolución con datos hiperespectrales para obtener datos hiperespectrales de alta resolución, y luego realizamos una calibración radiométrica y una corrección atmosférica para obtener datos de reflectancia de la superficie, analizando así la reflectancia de cada banda en el área del panel fotovoltaico.

△Figura 6. Señalización de puntos de referencia cerca de la central fotovoltaica de Benban.

△Figura 7 Reflectancia de las características del terreno cerca de la central fotovoltaica de Benban (valores de reflectancia ampliados 1000 veces)

Como se muestra en las figuras 6 y 7, se etiquetaron muestras de paneles fotovoltaicos, tierras de cultivo con riego centralizado y otras superficies terrestres. Se observa que las curvas de reflectancia de estos tres tipos de terreno presentan diferencias significativas. La reflectancia de las superficies desérticas es alta en todas las longitudes de onda, mientras que la de las tierras de cultivo es mayor que la de los paneles fotovoltaicos en el rango de 450-560 nm, para luego disminuir. Por lo tanto, basándose en estas diferencias de reflectancia, se pueden utilizar métodos de aprendizaje automático para clasificar las características del terreno.

△Figura 8 Diagrama de rosa de los vientos del área de estudio en 2023

También obtuvimos datos diarios de la dirección del viento para el área de estudio en 2023 y calculamos la frecuencia de la dirección del viento para crear un diagrama de rosa de los vientos que verificara la distribución espacial de la acumulación de polvo, como se muestra en la Figura 8. Las direcciones predominantes del viento en el área de estudio son noroeste y nor-noroeste. Marcamos las direcciones predominantes del viento en el mapa de cobertura de polvo de la Figura 10.

*Fuente de datos: Predicción de los recursos energéticos mundiales

△Figura 9 Diferencias en la reflectividad de paneles fotovoltaicos con diferentes niveles de acumulación de polvo

Figura 10. Mapa de cobertura de polvo del área de estudio al 1 de enero de 2024.

Basándonos en las diferencias de reflectividad de los paneles fotovoltaicos, creamos un mapa de cobertura de polvo. Seleccionamos dos regiones, noroeste y sureste, para verificar estas diferencias de reflectividad, como se muestra en la Figura 9. Los paneles fotovoltaicos con mayor cobertura de polvo mostraron una reflectividad significativamente mayor. Además, la distribución espacial de la cobertura de polvo siguió una tendencia decreciente de noroeste a sureste, coincidiendo en gran medida con la dirección predominante del viento. Si bien las condiciones reales pueden verse afectadas por variaciones en el ángulo de los paneles fotovoltaicos o diferentes patrones de zonificación, este mapa proporciona una visión general relativamente intuitiva de la acumulación de polvo.

Tras adquirir datos de múltiples escenas, es posible analizar con mayor detalle los patrones de acumulación de polvo mediante información de series temporales, predecir la cobertura de polvo combinando datos meteorológicos, estimar con precisión el siguiente tiempo de limpieza y calcular ciclos de limpieza adecuados combinando estadísticas de generación de energía. De esta forma, se planifican racionalmente las tareas de limpieza con antelación, se mejora la eficiencia de la producción y se reducen los costes de limpieza. Al mismo tiempo, es posible combinar experimentos de campo para analizar la relación entre la reflectividad y la cuantificación real de la cobertura de polvo, mejorando aún más la precisión del monitoreo de dicha cobertura.