Pemantauan habuk panel fotovoltaik berdasarkan penderiaan jauh hiperspektral

Loji Janakuasa Solar Benban terletak di wilayah Benban di Pentadbiran Aswan, Mesir, sebuah kawasan gurun kira-kira 650 kilometer di selatan Kaherah dan 40 kilometer barat laut Aswan. Dengan jumlah kapasiti 1650 megawatt, ia merupakan loji janakuasa fotovoltaik berskala besar pertama Mesir dan kini merupakan loji janakuasa solar keempat terbesar di dunia. Pembinaan bermula pada Februari 2018 dan siap pada November 2019. Loji ini meliputi kawasan seluas 37.2 kilometer persegi dan menelan belanja AS$4 bilion.

Pengenalan Projek

Terletak di kawasan gurun, projek penjanaan kuasa ini sentiasa dilanda ribut pasir. Habuk mudah terkumpul di permukaan modul fotovoltaik. Habuk ini bukan sahaja menyekat cahaya matahari, mengurangkan pemindahan kaca dan mengurangkan jumlah sinaran suria yang sampai ke sel, tetapi juga mengubah proses pemindahan haba. Habuk menyerap sinaran suria dan menukarkannya menjadi habanya sendiri, sambil pada masa yang sama menghalang pelesapan haba daripada kaca penutup modul fotovoltaik. Pendek kata, habuk merupakan salah satu isu utama yang mempengaruhi nisbah prestasi loji janakuasa fotovoltaik. Ini terutamanya tercermin dalam aspek berikut:

1. Kesan habuk terhadap sinaran suria

△Rajah 1. Peningkatan tahap habuk menyebabkan pantulan meresap daripada panel fotovoltaik.

Habuk pada permukaan kaca bukan sahaja menjejaskan penghantaran sinaran suria dengan ketara tetapi juga menyebabkan pantulan sinaran suria yang meresap sehingga mencapai modul fotovoltaik, sekali gus meningkatkan kebolehpantulan modul. Pengukuran eksperimen menunjukkan bahawa habuk yang terkumpul pada permukaan kaca boleh mengakibatkan kehilangan sinaran suria sebanyak 5%-30%.

2. Kesan pengapuran dan pemendapan habuk terhadap penghantaran cahaya

Habuk mengandungi sejumlah besar kalsium dan magnesium oksida. Apabila habuk pada permukaan modul fotovoltaik bersentuhan dengan air hujan, sejumlah kecil ion kalsium dan magnesium larut ke dalam air hujan dan melekat semula pada permukaan kaca modul fotovoltaik, membentuk lapisan kerak kalsium dan magnesium yang tebal dan keras. Sebaik sahaja kerak terbentuk, ia tidak mudah ditanggalkan dan akan menjejaskan prestasi penjanaan kuasa modul fotovoltaik dengan serius. Dalam kes yang teruk, ia juga boleh menyebabkan masalah seperti titik panas pada beberapa sel fotovoltaik.

• Kesan habuk pada suhu modul fotovoltaik

Habuk yang melekat pada permukaan kaca terbaja boleh menyerap sedikit sinaran suria dan menukarkannya kepada tenaga haba, sekali gus meningkatkan suhu operasi modul fotovoltaik, menjejaskan pelesapan haba, dan seterusnya menguatkan kesan suhu haba modul fotovoltaik, sekali gus menjejaskan prestasi penjanaan kuasa fotovoltaik.

Oleh itu, semasa operasi dan penyelenggaraan sistem fotovoltaik, perhatian khusus harus diberikan kepada kesan habuk pada permukaan fotovoltaik terhadap penjanaan kuasa fotovoltaik. Pembersihan yang tepat pada masanya adalah perlu untuk memastikan permukaan modul fotovoltaik bersih dan memastikan operasi stesen janakuasa yang cekap.

Bagi menangani isu pemantauan habuk dalam modul fotovoltaik, kami menggunakan satelit hiperspektral XIGUANG-003 untuk merakam imej kawasan sasaran pada 1 Januari 2024. Imej yang terhasil mempunyai resolusi tanah 10 meter dan panjang gelombang 150 jalur spektrum. Kami mengenal pasti dan mengekstrak kawasan panel fotovoltaik dan menilai liputan habuk berdasarkan pemantulan.

△Rajah 2 Gambarajah skematik stesen janakuasa fotovoltaik di padang pasir

△Rajah 3 Pembersihan panel fotovoltaik secara berkala

△Rajah 4 Lokasi Stesen Janakuasa Fotovoltaik Benban

△Rajah 5. Imej warna sebenar hiperspektral kawasan kajian selepas gabungan

Kami menggabungkan data pankromatik resolusi tinggi dengan data hiperspektral untuk mendapatkan data hiperspektral resolusi tinggi, dan kemudian melakukan penentukuran radiometrik dan pembetulan atmosfera untuk mendapatkan data pantulan permukaan, dengan itu menganalisis pantulan setiap jalur dalam kawasan panel fotovoltaik.

△Rajah 6 Label mercu tanda berhampiran stesen janakuasa fotovoltaik Benban

△Rajah 7 Pantulan ciri-ciri tanah berhampiran stesen janakuasa fotovoltaik Benban (nilai pantulan dibesarkan 1000 kali)

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6 dan 7, sampel panel fotovoltaik, tanah ladang yang diairi secara berpusat dan permukaan tanah lain telah dilabelkan. Dapat dilihat bahawa lengkung pantulan bagi ketiga-tiga jenis ciri tanah ini menunjukkan perbezaan yang ketara. Pantulan permukaan gurun adalah tinggi merentasi semua panjang gelombang, manakala pantulan tanah ladang adalah lebih tinggi daripada panel fotovoltaik dalam julat 450-560nm, dan kemudian menurun. Oleh itu, berdasarkan perbezaan pantulan ini, kaedah pembelajaran mesin boleh digunakan untuk mengklasifikasikan ciri tanah.

△Rajah 8 Gambarajah bunga mawar angin kawasan kajian pada tahun 2023

Kami juga memperoleh data arah angin harian untuk kawasan kajian pada tahun 2023, dan mengira frekuensi arah angin untuk mencipta gambar rajah angin bagi mengesahkan taburan ruang pengumpulan habuk, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8. Arah angin lazim di kawasan kajian adalah barat laut dan utara-barat laut. Kami menandakan arah angin lazim pada peta liputan habuk dalam Rajah 10.

*Sumber data: Ramalan Sumber Tenaga Seluruh Dunia

△Rajah 9 Perbezaan dalam pemantulan panel fotovoltaik dengan tahap pengumpulan habuk yang berbeza

Rajah 10. Peta litupan habuk kawasan kajian pada 1 Januari 2024

Berdasarkan perbezaan dalam pemantulan panel fotovoltaik, kami telah mencipta peta liputan habuk. Kemudian, kami memilih dua kawasan, barat laut dan tenggara, untuk mengesahkan perbezaan pemantulan ini, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 9. Panel fotovoltaik dengan liputan habuk yang lebih tinggi mempamerkan peningkatan pemantulan yang ketara. Tambahan pula, taburan ruang liputan habuk mengikuti trend penurunan dari barat laut ke tenggara, sebahagian besarnya bertepatan dengan arah angin semasa. Walaupun keadaan sebenar mungkin dipengaruhi oleh variasi sudut panel fotovoltaik atau corak pengezonan yang berbeza, peta ini memberikan gambaran keseluruhan pengumpulan habuk yang agak intuitif.

Selepas memperoleh data berbilang pemandangan, corak pengumpulan habuk boleh dianalisis dengan lebih lanjut melalui maklumat siri masa, meramalkan liputan habuk dengan menggabungkan data meteorologi, menganggarkan masa pembersihan seterusnya dengan tepat, dan mengira kitaran pembersihan yang sesuai dengan menggabungkan statistik penjanaan kuasa, sekali gus menjadualkan tugas pembersihan secara rasional terlebih dahulu, meningkatkan kecekapan pengeluaran, dan mengurangkan kos pembersihan. Pada masa yang sama, eksperimen tanah boleh digabungkan untuk menganalisis hubungan antara pemantulan dan kuantifikasi sebenar liputan habuk, seterusnya meningkatkan ketepatan pemantauan liputan habuk.