Спутниковая технология позволяет точно определять температуру на солнечных электростанциях

Аккумулятор Challenger G12-200H

Китайская исследовательская группа разработала модель определения температуры поверхности панелей (PST) с учетом особенностей местности для фотоэлектрических (ФЭ) установок промышленного масштаба с использованием данных теплового инфракрасного спутника MODIS. Метод учитывает эффекты смешения пикселей, геометрию массива и направленную излучательную способность ФЭ, что позволяет точно определять температуру на уровне панелей из космоса.

Китайская исследовательская группа разработала новую модель определения температуры поверхности панелей (PST), предназначенную специально для фотоэлектрических электростанций промышленного масштаба.

Предлагаемый подход основан на использовании спутниковых снимков в тепловом инфракрасном диапазоне (TIR) с умеренным разрешением и призван решить несколько давних проблем, связанных с неточным определением температуры на крупных фотоэлектрических установках.

«Новизна этого исследования заключается в том, что оно позволяет спутникам оценивать температуру поверхности фотоэлектрических панелей. Это было очень сложной задачей, поскольку солнечные электростанции представляют собой не однородные поверхности, а сложные смешанные объекты, состоящие из панелей, промежутков между ними и окружающего грунта», — рассказал автор исследования Кун Ян.

«Наш метод выходит за рамки традиционных способов определения температуры поверхности земли, поскольку учитывает трехмерную структуру фотоэлектрических панелей, изменение видимой площади панели в зависимости от угла обзора, а также необычно низкую направленную излучательную способность фотоэлектрических панелей, — сказал ученый. — Таким образом, мы предлагаем новый способ получения тепловой информации на уровне панелей на основе спутниковых наблюдений за солнечными электростанциями промышленного масштаба».

Новый метод основан на данных, полученных с помощью спектрорадиометра среднего разрешения (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS) — научного прибора на борту спутников NASA Terra и Aqua. Каждый пиксель MODIS с пространственным разрешением 1 км охватывает большую площадь, на которой обычно располагаются не только фотоэлектрические модули, но и межрядные промежутки, окружающая растительность, подъездные пути и оголенная почва. Таким образом, тепловой сигнал, регистрируемый датчиком, представляет собой смешанное излучение от различных типов растительного покрова, а не только от температуры фотоэлектрических модулей, которая является целевой переменной в данном исследовании.

Чтобы устранить это ограничение, исследовательская группа разработала метод пиксельной декомпозиции, позволяющий отделить фотоэлектрические модули от межрядных промежутков в каждом пикселе MODIS. Сначала с помощью снимков Sentinel-2 с высоким разрешением была проведена оценка доли фотоэлектрических модулей в каждом пикселе MODIS. Затем эта информация была объединена с трехмерной геометрической моделью расположения фотоэлектрических модулей, учитывающей наклон модулей, азимут, расстояние между рядами и геометрию обзора со спутника, чтобы определить, какая часть поверхности панелей фактически видна датчику.

Наконец, благодаря точному моделированию теплового воздействия компонентов, не относящихся к панелям, таких как открытая земля и межрядные пространства, исследователи смогли выделить радиационный сигнал, исходящий от фотоэлектрических модулей. Эта поправка позволяет более точно определять температуру поверхности панелей в промышленных масштабах с помощью тепловизионных спутниковых данных среднего разрешения.

Проверка результатов извлечения PST

Чтобы проверить достоверность метода, исследовательская группа сравнила результаты моделирования с наземными измерениями на двух крупных фотоэлектрических электростанциях: в засушливом районе в Уцзяцю, Синьцзян (северо-запад Китая), и в более влажном районе в Ганьцзы на востоке Тибетского нагорья, провинция Сычуань (юго-запад Китая). Температура панелей измерялась с помощью калиброванных термопар, установленных на задней поверхности фотоэлектрических модулей в четырех репрезентативных точках каждой установки.

Результаты показывают значительное повышение точности восстановления данных. В теплое время года предложенный алгоритм снизил среднеквадратическую ошибку (RMSE) с 10,8–18,9 °C при использовании традиционного базового подхода, основанного на показателях излучательной способности земной поверхности, до 3,7–8,6 °C. В то же время он значительно уменьшил систематический сдвиг в сторону более низких температур, снизив его с примерно −10–17 °C до −2–3 °C.

В целом эти улучшения — снижение абсолютной погрешности примерно на 10 °C — приводят к уменьшению погрешности моделирования мощности фотоэлектрических систем на 3–5 %. Такой уровень точности позволяет более достоверно оценивать эффективность фотоэлектрических систем и потенциал выработки энергии на основе спутниковых тепловых данных.

«Один из самых поразительных выводов заключается в том, что низкая излучательная способность фотоэлектрических панелей имеет даже большее значение, чем влияние направления света, — говорит Ян. — Если считать, что фотоэлектрические панели имеют такую же излучательную способность, как и типичная естественная поверхность, то полученная температура панелей будет систематически занижена примерно на 10 °C. Другими словами, для точного определения температуры фотоэлектрических панелей со спутника необходимо правильно рассчитать их излучательную способность».

Рабочий процесс алгоритма извлечения PST

Однако, как подчеркнул ученый, несмотря на то, что этот метод хорошо работает в теплое время года, зимой он дает гораздо менее точные результаты, в первую очередь из-за длинных теней и возможного снежного покрова. «Из-за этих факторов земля между рядами панелей холоднее, чем на близлежащих открытых участках, что может привести к существенному занижению температуры панелей. Чтобы решить эту проблему, мы планируем разработать новый подход к оценке температуры в затененных промежутках, а затем включить его в наш алгоритм восстановления данных», — сказал Ян.

«Наша долгосрочная цель — создать глобальный набор данных о температуре фотоэлектрических панелей промышленного масштаба для исследовательских и промышленных целей. Следующий важный шаг — лучше изучить те части солнечных электростанций, которые не являются панелями, особенно затененные промежутки между рядами панелей. Эти промежутки могут сильно влиять на спутниковые измерения в зимний период, — заключил он. — Мы также протестируем этот метод на других солнечных электростанциях с разными климатическими условиями и конфигурациями, включая системы с фиксированным наклоном и системы слежения за солнцем, чтобы понять, насколько широко его можно применять».

Новый подход был представлен в статье «Определение температуры поверхности фотоэлектрических панелей с помощью MODIS с учетом направленных эффектов», опубликованной в Международном журнале прикладных исследований Земли и геоинформатики. Ученые из китайского Университета Цинхуа, Центра исследований возобновляемых источников энергии при лаборатории Хуайжоу, Юго-Западного научно-исследовательского института энергетики SPIC, Инновационного центра фотоэлектрической промышленности SPIC, компании Qinghai Huanghe Hydropower Development, Научно-исследовательского института аэрокосмической информации при Китайской академии наук (AIRCAS), Университета Китайской академии наук и компании Huadian Xizang Energy внесли свой вклад в исследование.