Surveillance de la poussière des panneaux photovoltaïques par télédétection hyperspectrale

La centrale solaire de Benban est située dans la région de Benban, dans le gouvernorat d'Assouan, en Égypte, une zone désertique à environ 650 kilomètres au sud du Caire et à 40 kilomètres au nord-ouest d'Assouan. D'une capacité totale de 1 650 mégawatts, il s'agit de la première centrale photovoltaïque de grande envergure d'Égypte et actuellement de la quatrième plus grande centrale solaire au monde. Sa construction a débuté en février 2018 et s'est achevée en novembre 2019. La centrale couvre une superficie de 37,2 kilomètres carrés et a coûté 4 milliards de dollars américains.

Présentation du projet

Située dans une région désertique, cette centrale électrique est constamment soumise à des tempêtes de sable. La poussière s'accumule facilement à la surface des modules photovoltaïques. Cette poussière bloque la lumière du soleil, réduisant ainsi la transmittance du verre et la quantité de rayonnement solaire atteignant les cellules, et perturbe également le transfert de chaleur. La poussière absorbe le rayonnement solaire et le convertit en chaleur, tout en entravant la dissipation thermique du verre de protection des modules. En résumé, la poussière est l'un des principaux facteurs affectant le rendement des centrales photovoltaïques. Cela se manifeste principalement par les aspects suivants :

1. L'impact de la poussière sur le rayonnement solaire

△Figure 1. L'augmentation des niveaux de poussière provoque une réflexion diffuse des panneaux photovoltaïques.

La poussière sur les surfaces vitrées affecte non seulement la transmission du rayonnement solaire, mais provoque également une importante réflexion diffuse du rayonnement solaire atteignant les modules photovoltaïques, augmentant ainsi leur réflectivité. Des mesures expérimentales montrent que l'accumulation de poussière sur les surfaces vitrées peut entraîner une perte de 5 à 30 % du rayonnement solaire.

2. L'effet de la calcification et du dépôt de poussière sur la transmission de la lumière

La poussière contient une grande quantité d'oxydes de calcium et de magnésium. Lorsque cette poussière, présente à la surface des modules photovoltaïques, entre en contact avec l'eau de pluie, une petite quantité d'ions calcium et magnésium se dissout dans l'eau et se redépose sur la surface vitrée des modules, formant une couche épaisse et dure de tartre. Une fois formé, ce tartre est difficile à éliminer et affecte considérablement le rendement énergétique des modules. Dans les cas les plus graves, il peut même provoquer des problèmes tels que des points chauds sur certaines cellules photovoltaïques.

• L'impact de la poussière sur la température des modules photovoltaïques

La poussière adhérant à la surface du verre trempé peut absorber une partie du rayonnement solaire et la convertir en énergie thermique, augmentant ainsi la température de fonctionnement des modules photovoltaïques, affectant la dissipation de la chaleur et amplifiant davantage l'effet de la température sur les modules photovoltaïques, affectant ainsi les performances de production d'énergie photovoltaïque.

Par conséquent, lors de l'exploitation et de la maintenance des systèmes photovoltaïques, il convient d'accorder une attention particulière à l'impact de la poussière sur la surface des cellules photovoltaïques et, par conséquent, sur la production d'énergie. Un nettoyage régulier est indispensable pour maintenir la propreté des modules photovoltaïques et garantir le bon fonctionnement de la centrale.

Pour étudier la problématique de la surveillance des poussières dans les modules photovoltaïques, nous avons utilisé le satellite hyperspectral XIGUANG-003 afin d'imager la zone cible le 1er janvier 2024. L'image obtenue présentait une résolution au sol de 10 mètres et couvrait 150 bandes spectrales. Nous avons identifié et extrait les zones des panneaux photovoltaïques et évalué le taux de couverture de poussières par réflectivité.

△Figure 2 Schéma d'une centrale photovoltaïque dans le désert

△Figure 3 Nettoyage régulier des panneaux photovoltaïques

△Figure 4 Emplacement de la centrale photovoltaïque de Benban

△Figure 5. Image hyperspectrale en vraies couleurs de la zone d'étude après fusion

Nous fusionnons des données panchromatiques haute résolution avec des données hyperspectrales pour obtenir des données hyperspectrales haute résolution, puis nous effectuons un étalonnage radiométrique et une correction atmosphérique pour obtenir des données de réflectance de surface, analysant ainsi la réflectance de chaque bande dans la zone du panneau photovoltaïque.

△Figure 6 : Points de repère près de la centrale photovoltaïque de Benban

△Figure 7 Réflectance des éléments du sol à proximité de la centrale photovoltaïque de Benban (valeurs de réflectance agrandies 1000 fois)

Comme le montrent les figures 6 et 7, des échantillons de panneaux photovoltaïques, de terres agricoles irriguées de manière centralisée et d'autres types de surfaces terrestres ont été identifiés. On constate que les courbes de réflectance de ces trois types de surfaces présentent des différences significatives. La réflectance des surfaces désertiques est élevée sur l'ensemble des longueurs d'onde, tandis que celle des terres agricoles est supérieure à celle des panneaux photovoltaïques dans la gamme 450-560 nm, avant de diminuer. Par conséquent, ces différences de réflectance permettent d'utiliser des méthodes d'apprentissage automatique pour classifier les différentes surfaces terrestres.

△Figure 8 Diagramme de la rose des vents de la zone d'étude en 2023

Nous avons également recueilli des données quotidiennes sur la direction du vent dans la zone d'étude en 2023 et calculé la fréquence des vents afin de créer une rose des vents permettant de vérifier la distribution spatiale de l'accumulation de poussière (figure 8). Les vents dominants dans la zone d'étude soufflent du nord-ouest et du nord-nord-ouest. Ces directions dominantes sont indiquées sur la carte de couverture de poussière (figure 10).

*Source des données : Prévision des ressources énergétiques mondiales

△Figure 9 Différences de réflectivité des panneaux photovoltaïques en fonction du niveau d'accumulation de poussière

Figure 10. Carte de la couverture de poussière de la zone d'étude au 1er janvier 2024

En nous basant sur les différences de réflectivité des panneaux photovoltaïques, nous avons créé une carte de la couverture de poussière. Nous avons ensuite sélectionné deux régions, le nord-ouest et le sud-est, afin de vérifier ces différences de réflectivité, comme illustré sur la figure 9. Les panneaux photovoltaïques présentant une couverture de poussière plus importante affichaient une réflectivité nettement supérieure. De plus, la distribution spatiale de la couverture de poussière suivait une tendance décroissante du nord-ouest vers le sud-est, coïncidant globalement avec la direction des vents dominants. Bien que les conditions réelles puissent être affectées par des variations d'angle des panneaux photovoltaïques ou par différents zonages, cette carte offre un aperçu relativement intuitif de l'accumulation de poussière.

Après l'acquisition de données multiscènes, il est possible d'analyser plus en détail les schémas d'accumulation de poussière grâce aux séries temporelles, de prédire la couverture de poussière en combinant les données météorologiques, d'estimer avec précision le prochain nettoyage et de calculer les cycles de nettoyage appropriés en intégrant les statistiques de production d'énergie. Ceci permet de planifier rationnellement les tâches de nettoyage à l'avance, d'améliorer l'efficacité de la production et de réduire les coûts de nettoyage. Parallèlement, il est possible de mener des expériences au sol pour analyser la relation entre la réflectivité et la quantification réelle de la couverture de poussière, améliorant ainsi la précision du suivi de cette couverture.