Hiperspektral uzaktan algılama tabanlı fotovoltaik panel toz izleme

Benban Güneş Enerjisi Santrali, Mısır'ın Aswan Valiliği'ndeki Benban bölgesinde, Kahire'nin yaklaşık 650 kilometre güneyinde ve Aswan'ın 40 kilometre kuzeybatısında yer alan bir çöl alanında bulunmaktadır. Toplam 1650 megavat kapasitesiyle, Mısır'ın ilk büyük ölçekli fotovoltaik enerji santrali ve şu anda dünyanın dördüncü büyük güneş enerjisi santralidir. İnşaatına Şubat 2018'de başlanmış ve Kasım 2019'da tamamlanmıştır. Santral 37,2 kilometrekarelik bir alanı kaplamakta ve 4 milyar ABD dolarına mal olmuştur.

Proje Tanıtımı

Çöl bölgesinde yer alan bu enerji üretim projesi sürekli olarak kum fırtınalarıyla karşı karşıya kalmaktadır. Toz, fotovoltaik modüllerin yüzeyinde kolayca birikir. Bu toz sadece güneş ışığını engellemekle kalmaz, camın geçirgenliğini azaltarak hücrelere ulaşan güneş radyasyonu miktarını düşürür, aynı zamanda ısı transfer sürecini de değiştirir. Toz, güneş radyasyonunu emer ve kendi ısısına dönüştürürken, aynı zamanda fotovoltaik modülün kaplama camından ısı dağılımını da engeller. Kısacası, toz, fotovoltaik enerji santrallerinin performans oranını etkileyen başlıca sorunlardan biridir. Bu durum esas olarak aşağıdaki yönlerde kendini gösterir:

1. Tozun güneş radyasyonuna etkisi

△Şekil 1. Artan toz seviyeleri, fotovoltaik panellerden dağınık yansımaya neden olur.

Cam yüzeylerdeki toz, güneş radyasyonunun geçirgenliğini önemli ölçüde etkilemekle kalmaz, aynı zamanda fotovoltaik modüllere ulaşan güneş radyasyonunun önemli ölçüde dağınık yansımasına neden olarak modüllerin yansıtıcılığını artırır. Deneysel ölçümler, cam yüzeylerde biriken tozun güneş radyasyonunun %5 ila %30'unun kaybına yol açabileceğini göstermektedir.

2. Toz kireçlenmesi ve birikiminin ışık geçirgenliği üzerindeki etkisi

Toz, yüksek miktarda kalsiyum ve magnezyum oksit içerir. Fotovoltaik modüllerin yüzeyindeki toz yağmur suyuyla temas ettiğinde, az miktarda kalsiyum ve magnezyum iyonu yağmur suyuna karışarak fotovoltaik modüllerin cam yüzeyine yeniden yapışır ve kalın ve sert bir kalsiyum ve magnezyum kireç tabakası oluşturur. Kireç bir kez oluştuğunda, çıkarılması kolay değildir ve fotovoltaik modüllerin enerji üretim performansını ciddi şekilde etkiler. Şiddetli durumlarda, bazı fotovoltaik hücrelerde sıcak noktalar gibi sorunlara bile neden olabilir.

• Tozun fotovoltaik modüllerin sıcaklığı üzerindeki etkisi

Temperli cam yüzeyine yapışan toz, güneş radyasyonunun bir kısmını emerek ısı enerjisine dönüştürebilir; bu da fotovoltaik modüllerin çalışma sıcaklığını artırarak ısı dağılımını etkiler ve fotovoltaik modüllerin ısı-sıcaklık etkisini daha da güçlendirerek fotovoltaik enerji üretim performansını etkiler.

Bu nedenle, fotovoltaik sistemlerin işletimi ve bakımı sırasında, fotovoltaik yüzeydeki tozun fotovoltaik enerji üretimi üzerindeki etkisine özel dikkat gösterilmelidir. Fotovoltaik modüllerin yüzeyini temiz tutmak ve enerji santralinin verimli çalışmasını sağlamak için zamanında temizlik gereklidir.

Fotovoltaik modüllerdeki toz izleme sorununu ele almak için, 1 Ocak 2024 tarihinde hedef bölgeyi görüntülemek amacıyla XIGUANG-003 hiperspektral uydusunu kullandık. Elde edilen görüntü, 10 metre yer çözünürlüğüne ve 150 spektral bant dalga boyuna sahipti. Fotovoltaik panel alanlarını belirledik ve yansıtıcılığa dayanarak toz örtüsünü değerlendirdik.

△Şekil 2 Çölde bulunan bir fotovoltaik enerji santralinin şematik diyagramı

△Şekil 3 Fotovoltaik panellerin düzenli temizliği

△Şekil 4 Benban Fotovoltaik Enerji Santralinin Konumu

△Şekil 5. Füzyon sonrası çalışma alanının hiperspektral gerçek renkli görüntüsü

Yüksek çözünürlüklü pankromatik verileri hiperspektral verilerle birleştirerek yüksek çözünürlüklü hiperspektral veriler elde ediyoruz ve ardından radyometrik kalibrasyon ve atmosferik düzeltme yaparak yüzey yansıma verilerini elde ediyoruz; böylece fotovoltaik panel alanındaki her bir bandın yansıma değerini analiz ediyoruz.

△Şekil 6 Benban fotovoltaik enerji santrali yakınlarındaki önemli yer işaretleri etiketleri

△Şekil 7 Benban fotovoltaik enerji santrali yakınındaki yer şekillerinin yansıma değerleri (yansıma değerleri 1000 kat büyütülmüştür)

Şekil 6 ve 7'de gösterildiği gibi, fotovoltaik paneller, merkezi sulamalı tarım arazileri ve diğer arazi yüzeyleri örneklenmiştir. Bu üç arazi özelliğinin yansıma eğrilerinde önemli farklılıklar olduğu görülebilir. Çöl yüzeylerinin yansıması tüm dalga boylarında yüksektir, oysa tarım arazilerinin yansıması 450-560 nm aralığında fotovoltaik panellerden daha yüksektir ve daha sonra azalmaktadır. Bu nedenle, yansımadaki bu farklılıklara dayanarak, arazi özelliklerini sınıflandırmak için makine öğrenmesi yöntemleri kullanılabilir.

△Şekil 8 Çalışma alanının 2023 yılındaki rüzgar gülü diyagramı

Ayrıca, 2023 yılında çalışma alanı için günlük rüzgar yönü verilerini elde ettik ve toz birikiminin mekansal dağılımını doğrulamak için rüzgar yönü frekansını hesaplayarak bir rüzgar gülü diyagramı oluşturduk (Şekil 8). Çalışma alanındaki hakim rüzgar yönleri kuzeybatı ve kuzey-kuzeybatıdır. Hakim rüzgar yönlerini Şekil 10'daki toz örtüsü haritasında işaretledik.

*Veri kaynağı: Dünya Çapındaki Enerji Kaynaklarının Tahmini

△Şekil 9 Farklı toz birikim seviyelerine sahip fotovoltaik panellerin yansıtıcılığındaki farklılıklar

Şekil 10. Çalışma alanının 1 Ocak 2024 tarihindeki toz örtüsü haritası.

Fotovoltaik panellerin yansıtıcılığındaki farklılıklara dayanarak bir toz örtüsü haritası oluşturduk. Daha sonra, Şekil 9'da gösterildiği gibi, bu yansıtıcılık farklılıklarını doğrulamak için kuzeybatı ve güneydoğu olmak üzere iki bölge seçtik. Daha yüksek toz örtüsüne sahip fotovoltaik paneller, önemli ölçüde artmış yansıtıcılık sergiledi. Dahası, toz örtüsünün mekansal dağılımı, büyük ölçüde hakim rüzgar yönüyle örtüşerek, kuzeybatıdan güneydoğuya doğru azalan bir eğilim izledi. Gerçek koşullar, fotovoltaik panellerin açısındaki veya farklı bölgeleme modellerindeki varyasyonlardan etkilenebilirken, bu harita toz birikimine ilişkin nispeten sezgisel bir genel bakış sunmaktadır.

Çoklu sahne verileri elde edildikten sonra, zaman serisi bilgileri aracılığıyla toz birikim modellerini daha ayrıntılı olarak analiz etmek, meteorolojik verilerle birleştirerek toz örtüsünü tahmin etmek, bir sonraki temizleme zamanını doğru bir şekilde tahmin etmek ve enerji üretim istatistiklerini birleştirerek uygun temizleme döngülerini hesaplamak mümkündür; böylece temizleme görevleri önceden rasyonel bir şekilde planlanarak üretim verimliliği artırılır ve temizleme maliyetleri düşürülür. Aynı zamanda, yansıtıcılık ile toz örtüsünün gerçek nicel ölçümü arasındaki ilişkiyi analiz etmek için yer deneyleri birleştirilebilir ve toz örtüsü izleme doğruluğu daha da artırılabilir.