Pemantauan debu panel fotovoltaik berdasarkan penginderaan jauh hiperspektral

Pembangkit Listrik Tenaga Surya Benban terletak di wilayah Benban, Provinsi Aswan, Mesir, sebuah daerah gurun sekitar 650 kilometer selatan Kairo dan 40 kilometer barat laut Aswan. Dengan total kapasitas 1650 megawatt, ini adalah pembangkit listrik fotovoltaik skala besar pertama di Mesir dan saat ini merupakan pembangkit listrik tenaga surya terbesar keempat di dunia. Pembangunan dimulai pada Februari 2018 dan selesai pada November 2019. Pembangkit ini mencakup area seluas 37,2 kilometer persegi dan menelan biaya US$4 miliar.

Pengantar Proyek

Terletak di wilayah gurun, proyek pembangkit listrik ini terus-menerus dilanda badai pasir. Debu mudah menumpuk di permukaan modul fotovoltaik. Debu ini tidak hanya menghalangi sinar matahari, mengurangi transmisi kaca dan menurunkan jumlah radiasi matahari yang mencapai sel, tetapi juga mengubah proses perpindahan panas. Debu menyerap radiasi matahari dan mengubahnya menjadi panasnya sendiri, sekaligus menghambat pembuangan panas dari kaca penutup modul fotovoltaik. Singkatnya, debu adalah salah satu masalah utama yang memengaruhi rasio kinerja pembangkit listrik fotovoltaik. Hal ini terutama tercermin dalam aspek-aspek berikut:

1. Dampak debu terhadap radiasi matahari

△Gambar 1. Peningkatan kadar debu menyebabkan pantulan difus dari panel fotovoltaik.

Debu pada permukaan kaca tidak hanya secara signifikan memengaruhi transmisi radiasi matahari, tetapi juga menyebabkan refleksi difus yang substansial dari radiasi matahari yang mencapai modul fotovoltaik, sehingga meningkatkan reflektivitas modul. Pengukuran eksperimental menunjukkan bahwa debu yang menumpuk pada permukaan kaca dapat menyebabkan kehilangan radiasi matahari sebesar 5%-30%.

2. Pengaruh kalsifikasi dan pengendapan debu terhadap transmisi cahaya

Debu mengandung sejumlah besar oksida kalsium dan magnesium. Ketika debu di permukaan modul fotovoltaik bersentuhan dengan air hujan, sejumlah kecil ion kalsium dan magnesium larut ke dalam air hujan dan menempel kembali ke permukaan kaca modul fotovoltaik, membentuk lapisan kerak kalsium dan magnesium yang tebal dan keras. Setelah kerak terbentuk, sulit untuk dihilangkan dan akan sangat memengaruhi kinerja pembangkitan daya modul fotovoltaik. Dalam kasus yang parah, hal itu bahkan dapat menyebabkan masalah seperti titik panas pada beberapa sel fotovoltaik.

• Dampak debu terhadap suhu modul fotovoltaik

Debu yang menempel pada permukaan kaca temper dapat menyerap sebagian radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas, sehingga meningkatkan suhu operasi modul fotovoltaik, memengaruhi pembuangan panas, dan selanjutnya memperkuat efek panas-suhu modul fotovoltaik, sehingga memengaruhi kinerja pembangkit listrik fotovoltaik.

Oleh karena itu, selama pengoperasian dan pemeliharaan sistem fotovoltaik, perhatian khusus harus diberikan pada dampak debu pada permukaan fotovoltaik terhadap pembangkitan daya fotovoltaik. Pembersihan tepat waktu diperlukan untuk menjaga permukaan modul fotovoltaik tetap bersih dan memastikan pengoperasian pembangkit listrik yang efisien.

Untuk mengatasi masalah pemantauan debu pada modul fotovoltaik, kami menggunakan satelit hiperspektral XIGUANG-003 untuk memotret area target pada tanggal 1 Januari 2024. Citra yang dihasilkan memiliki resolusi permukaan tanah 10 meter dan panjang gelombang 150 pita spektral. Kami mengidentifikasi dan mengekstrak area panel fotovoltaik serta menilai cakupan debu berdasarkan reflektivitas.

△Gambar 2 Diagram skematik pembangkit listrik fotovoltaik di gurun

△Gambar 3 Pembersihan rutin panel fotovoltaik

△Gambar 4 Lokasi Pembangkit Listrik Fotovoltaik Benban

△Gambar 5. Citra hiperspektral warna asli area penelitian setelah fusi

Kami menggabungkan data pankromatik resolusi tinggi dengan data hiperspektral untuk mendapatkan data hiperspektral resolusi tinggi, kemudian melakukan kalibrasi radiometrik dan koreksi atmosfer untuk mendapatkan data reflektansi permukaan, sehingga menganalisis reflektansi setiap pita di area panel fotovoltaik.

△Gambar 6 Label penanda lokasi di dekat pembangkit listrik fotovoltaik Benban

△Gambar 7 Reflektansi fitur permukaan tanah di dekat pembangkit listrik fotovoltaik Benban (nilai reflektansi diperbesar 1000 kali)

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7, sampel panel fotovoltaik, lahan pertanian yang diirigasi secara terpusat, dan permukaan lahan lainnya diberi label. Dapat dilihat bahwa kurva reflektansi dari ketiga jenis fitur lahan ini menunjukkan perbedaan yang signifikan. Reflektansi permukaan gurun tinggi di semua panjang gelombang, sedangkan reflektansi lahan pertanian lebih tinggi daripada panel fotovoltaik pada rentang 450-560nm, dan kemudian menurun. Oleh karena itu, berdasarkan perbedaan reflektansi ini, metode pembelajaran mesin dapat digunakan untuk mengklasifikasikan fitur lahan.

△Gambar 8 Diagram mawar angin wilayah studi pada tahun 2023

Kami juga memperoleh data arah angin harian untuk area penelitian pada tahun 2023, dan menghitung frekuensi arah angin untuk membuat diagram mawar angin guna memverifikasi distribusi spasial akumulasi debu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Arah angin dominan di area penelitian adalah barat laut dan utara-barat laut. Kami menandai arah angin dominan pada peta cakupan debu di Gambar 10.

*Sumber data: Prediksi Sumber Daya Energi Dunia

△Gambar 9 Perbedaan reflektivitas panel fotovoltaik dengan berbagai tingkat penumpukan debu

Gambar 10. Peta tutupan debu wilayah penelitian pada tanggal 1 Januari 2024.

Berdasarkan perbedaan reflektivitas panel fotovoltaik, kami membuat peta cakupan debu. Kemudian, kami memilih dua wilayah, barat laut dan tenggara, untuk memverifikasi perbedaan reflektivitas ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Panel fotovoltaik dengan cakupan debu yang lebih tinggi menunjukkan peningkatan reflektivitas yang signifikan. Lebih lanjut, distribusi spasial cakupan debu mengikuti tren penurunan dari barat laut ke tenggara, sebagian besar bertepatan dengan arah angin yang dominan. Meskipun kondisi aktual mungkin dipengaruhi oleh variasi sudut panel fotovoltaik atau pola zonasi yang berbeda, peta ini memberikan gambaran umum yang relatif intuitif tentang akumulasi debu.

Setelah memperoleh data multi-scene, dimungkinkan untuk menganalisis lebih lanjut pola akumulasi debu melalui informasi deret waktu, memprediksi cakupan debu dengan menggabungkan data meteorologi, memperkirakan waktu pembersihan berikutnya secara akurat, dan menghitung siklus pembersihan yang sesuai dengan menggabungkan statistik pembangkitan daya, sehingga dapat menjadwalkan tugas pembersihan secara rasional di muka, meningkatkan efisiensi produksi, dan mengurangi biaya pembersihan. Secara bersamaan, dimungkinkan untuk menggabungkan eksperimen lapangan untuk menganalisis hubungan antara reflektivitas dan kuantifikasi aktual cakupan debu, sehingga semakin meningkatkan akurasi pemantauan cakupan debu.