A probabilistic approach to the estimation of regional photovoltaic power generation using meteorological data

In Germany the upscaling algorithm is currently the standard approach for evaluating the PV power produced in a region. This method involves spatially interpolating the normalized power of a set of reference PV plants to estimate the power production by another set of unknown plants. As little information on the performances of this method could be found in the literature, the first goal of this thesis is to conduct an analysis of the uncertainty associated to this method. It was found that this method can lead to large errors when the set of reference plants has different characteristics or weather conditions than the set of unknown plants and when the set of reference plants is small. Based on these preliminary findings, an alternative method is proposed for calculating the aggregate power production of a set of PV plants. A probabilistic approach has been chosen by which a power production is calculated at each PV plant from corresponding weather data. The probabilistic approach consists of evaluating the power for each frequently occurring value of the parameters and estimating the most probable value by averaging these power values weighted by their frequency of occurrence. Most frequent parameter sets (e.g. module azimuth and tilt angle) and their frequency of occurrence have been assessed on the basis of a statistical analysis of parameters of approx. 35 000 PV plants. It has been found that the plant parameters are statistically dependent on the size and location of the PV plants. Accordingly, separate statistical values have been assessed for 14 classes of nominal capacity and 95 regions in Germany (two-digit zip-code areas). The performances of the upscaling and probabilistic approaches have been compared on the basis of 15 min power measurements from 715 PV plants provided by the German distribution system operator LEW Verteilnetz. It was found that the error of the probabilistic method is smaller than that of the upscaling method when the number of reference plants is sufficiently large (>100 reference plants in the case study considered in this chapter). When the number of reference plants is limited (<50 reference plants for the considered case study), it was found that the proposed approach provides a noticeable gain in accuracy with respect to the upscaling method.

Economics of Hybrid Photovoltaic Power Plants

The global power supply stability is faced to several severe and fundamental threats, in particular steadily increasing power demand, diminishing and degrading fossil and nuclear energy resources, very harmful greenhouse gas emissions, significant energy injustice and a structurally misbalanced ecological footprint. Photovoltaic (PV) power systems are analysed in various aspects focusing on economic and technical considerations of supplemental and substitutional power supply to the constraint conventional power system. To infer the most relevant system approach for PV power plants several solar resources available for PV systems are compared. By combining the different solar resources and respective economics, two major PV systems are identified to be very competitive in almost all regions in the world. The experience curve concept is used as a key technique for the development of scenario assumptions on economic projections for the decade of the 2010s. Main drivers for cost reductions in PV systems are learning and production growth rate, thus several relevant aspects are discussed such as research and development investments, technical PV market potential, different PV technologies and the energetic sustainability of PV. Three major market segments for PV systems are identified: off-grid PV solutions, decentralised small scale on-grid PV systems (several kWp) and large scale PV power plants (tens of MWp). Mainly by application of ‘grid-parity’ and ‘fuel-parity’ concepts per country, local market and conventional power plant basis, the global economic market potential for all major PV system segments is derived. PV power plant hybridization potential of all relevant power technologies and the global power plant structure are analyzed regarding technical, economical and geographical feasibility. Key success criteria for hybrid PV power plants are discussed and comprehensively analysed for all adequate power plant technologies, i.e. oil, gas and coal fired power plants, wind power, solar thermal power (STEG) and hydro power plants. For the 2010s, detailed global demand curves are derived for hybrid PV-Fossil power plants on a per power plant, per country and per fuel type basis. The fundamental technical and economic potentials for hybrid PV-STEG, hybrid PV-Wind and hybrid PV-Hydro power plants are considered. The global resource availability for PV and wind power plants is excellent, thus knowing the competitive or complementary characteristic of hybrid PV-Wind power plants on a local basis is identified as being of utmost relevance. The complementarity of hybrid PV-Wind power plants is confirmed. As a result of that almost no reduction of the global economic PV market potential need to be expected and more complex power system designs on basis of hybrid PV-Wind power plants are feasible. The final target of implementing renewable power technologies into the global power system is a nearly 100% renewable power supply. Besides balancing facilities, storage options are needed, in particular for seasonal power storage. Renewable power methane (RPM) offers respective options. A comprehensive global and local analysis is performed for analysing a hybrid PV-Wind-RPM combined cycle gas turbine power system. Such a power system design might be competitive and could offer solutions for nearly all current energy system constraints including the heating and transportation sector and even the chemical industry. Summing up, hybrid PV power plants become very attractive and PV power systems will very likely evolve together with wind power to the major and final source of energy for mankind.

Rechenmodelle und Informationssysteme zur Integration großer Windleistungen in die elektrische Energieversorgung

In dieser Arbeit werden verschiedene Computermodelle, Rechenverfahren und Methoden zur Unterstützung bei der Integration großer Windleistungen in die elektrische Energieversorgung entwickelt. Das Rechenmodell zur Simulation der zeitgleich eingespeisten Windenergie erzeugt Summenganglinien von beliebig zusammengestellten Gruppen von Windenergieanlagen, basierend auf gemessenen Wind- und Leistungsdaten der nahen Vergangenheit. Dieses Modell liefert wichtige Basisdaten für die Analyse der Windenergieeinspeisung auch für zukünftige Szenarien. Für die Untersuchung der Auswirkungen von Windenergieeinspeisungen großräumiger Anlagenverbünde im Gigawattbereich werden verschiedene statistische Analysen und anschauliche Darstellungen erarbeitet. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell zur Berechnung der aktuell eingespeisten Windenergie aus online gemessenen Leistungsdaten repräsentativer Windparks liefert wertvolle Informationen für die Leistungs- und Frequenzregelung der Netzbetreiber. Die zugehörigen Verfahren zur Ermittlung der repräsentativen Standorte und zur Überprüfung der Repräsentativität bilden die Grundlage für eine genaue Abbildung der Windenergieeinspeisung für größere Versorgungsgebiete, basierend auf nur wenigen Leistungsmessungen an Windparks. Ein weiteres wertvolles Werkzeug für die optimale Einbindung der Windenergie in die elektrische Energieversorgung bilden die Prognosemodelle, die die kurz- bis mittelfristig zu erwartende Windenergieeinspeisung ermitteln. In dieser Arbeit werden, aufbauend auf vorangegangenen Forschungsarbeiten, zwei, auf Künstlich Neuronalen Netzen basierende Modelle vorgestellt, die den zeitlichen Verlauf der zu erwarten Windenergie für Netzregionen und Regelzonen mit Hilfe von gemessenen Leistungsdaten oder prognostizierten meteorologischen Parametern zur Verfügung stellen. Die softwaretechnische Zusammenfassung des Modells zur Berechnung der aktuell eingespeisten Windenergie und der Modelle für die Kurzzeit- und Folgetagsprognose bietet eine attraktive Komplettlösung für die Einbindung der Windenergie in die Leitwarten der Netzbetreiber. Die dabei entwickelten Schnittstellen und die modulare Struktur des Programms ermöglichen eine einfache und schnelle Implementierung in beliebige Systemumgebungen. Basierend auf der Leistungsfähigkeit der Online- und Prognosemodelle werden Betriebsführungsstrategien für zu Clustern im Gigawattbereich zusammengefasste Windparks behandelt, die eine nach ökologischen und betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten sowie nach Aspekten der Versorgungssicherheit optimale Einbindung der geplanten Offshore-Windparks ermöglichen sollen.

Erneuerbare Energien im Verbund mit Hochleistungs-Bleiakkumulatoren zur Bereitstellung von Spitzenleistung - am Beispiel von Windkraftwerken im 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL / Luxemburg -

Die wachsende Weltbevölkerung bedingt einen höheren Energiebedarf, dies jedoch unter der Beachtung der nachhaltigen Entwicklung. Die derzeitige zentrale Versorgung mit elektrischer Energie wird durch wenige Erzeugungsanlagen auf der Basis von fossilen Primärenergieträgern und Kernenergie bestimmt, die die räumlich verteilten Verbraucher zuverlässig und wirtschaftlich über ein strukturiertes Versorgungssystem beliefert. In den Elektrizitätsversorgungsnetzen sind keine nennenswerten Speicherkapazitäten vorhanden, deshalb muss die von den Verbrauchern angeforderte Energie resp. Leistung jederzeit von den Kraftwerken gedeckt werden. Bedingt durch die Liberalisierung der Energiemärkte und die geforderte Verringerung der Energieabhängigkeit Luxemburgs, unterliegt die Versorgung einem Wandel hin zu mehr Energieeffizienz und erhöhter Nutzung der dargebotsabhängigen Energiequellen. Die Speicherung der aus der Windkraft erzeugten elektrischen Energie, wird in den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren, errichtet im ländlichen Raum in der Nähe der Windkraftwerke, eingespeichert. Die zeitversetzte Einspeisung dieser gespeicherten elektrischen Energie in Form von veredelter elektrischer Leistung während den Lastspitzen in das 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL stellt die Innovation in der luxemburgischen Elektrizitätsversorgung dar. Die Betrachtungen beschränken sich somit auf die regionale, relativ kleinräumige Einbindung der Windkraft in die elektrische Energieversorgung des Großherzogtums Luxemburg. Die Integration der Windkraft im Regionalbereich wird in den Vordergrund der Untersuchung gerückt. Überregionale Ausgleichseffekte durch Hochspannungsleitungen der 230/400 kV-Systeme werden außer Acht gelassen. Durch die verbrauchernahe Bereitstellung von elektrischer Spitzenleistung vermindern sich ebenfalls die Übertragungskosten aus den entfernten Spitzenlastkraftwerken, der Ausbau von Kraftwerkskapazitäten kann in die Zukunft verschoben werden. Die Emission von Treibhausgasen in thermischen Kraftwerken wird zum Teil reduziert. Die Berechnungen der Wirtschaftlichkeit von Hybridanlagen, zusammengesetzt aus den Windkraftwerken und den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren bringen weitere Informationen zum Einsatz dieser dezentralen Speichern, als Partner der nachhaltigen Energieversorgung im ländlichen Raum. Die untersuchte Einspeisung von erneuerbarer Spitzenleistung lässt sich auch in die Entwicklungsländer übertragen, welche nicht über zentrale Kraftwerkskapazitäten und Verteilungsnetze verfügen.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.

Photovoltaic hybrid systems for rural electrification in the Mekong countries

In rural areas of the Mekong Countries, the problem of electricity supplying rural communities is particularly alarming. Supplying power to these areas requires facilities that are not economically viable. However, government programs are under way to provide this product that is vital to community well being. A nation priority of Mekong Countries is to provide electrical power to people in rural areas, within normal budgetary constraints. Electricity must be introduced into rural areas in such a way that maximize the technical, economic and social benefit. Another consideration is the source of electrical generation and the effects on the natural environment. The main research purpose is to implement field tests, monitoring and evaluation of the PV-Diesel Hybrid System (PVHS) at the Energy Park of School of Renewable Energy Technology (SERT) in order to test the PVSH working under the meteorological conditions of the Mekong Countries and to develop a software simulation called RES, which studies the technical and economic performance of rural electrification options. This software must be easy to use and understand for the energy planner on rural electrification projects, to evaluate the technical and economic performance of the PVHS based on the renewable energy potential for rural electrification of the Mekong Country by using RES. Finally, this project aims to give guidance for the possible use of PVHS application in this region, particularly in regard to its technical and economic sustainability. PVHS should be promoted according to the principles of proper design and adequate follow up with maintenance, so that the number of satisfied users will be achieved. PVHS is not the only possible technology for rural electrification, but for the Mekong Countries it is one of the most proper choices. Other renewable energy options such as wind, biomass and hydro power need to be studied in future.

Modelling and simulation of a photovoltaic fuel cell hybrid system

A stand-alone power system is an autonomous system that supplies electricity to the user load without being connected to the electric grid. This kind of decentralized system is frequently located in remote and inaccessible areas. It is essential for about one third of the world population which are living in developed or isolated regions and have no access to an electricity utility grid. The most people live in remote and rural areas, with low population density, lacking even the basic infrastructure. The utility grid extension to these locations is not a cost effective option and sometimes technically not feasible. The purpose of this thesis is the modelling and simulation of a stand-alone hybrid power system, referred to as “hydrogen Photovoltaic-Fuel Cell (PVFC) hybrid system”. It couples a photovoltaic generator (PV), an alkaline water electrolyser, a storage gas tank, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and power conditioning units (PCU) to give different system topologies. The system is intended to be an environmentally friendly solution since it tries maximising the use of a renewable energy source. Electricity is produced by a PV generator to meet the requirements of a user load. Whenever there is enough solar radiation, the user load can be powered totally by the PV electricity. During periods of low solar radiation, auxiliary electricity is required. An alkaline high pressure water electrolyser is powered by the excess energy from the PV generator to produce hydrogen and oxygen at a pressure of maximum 30bar. Gases are stored without compression for short- (hourly or daily) and long- (seasonal) term. A proton exchange membrane (PEM) fuel cell is used to keep the system’s reliability at the same level as for the conventional system while decreasing the environmental impact of the whole system. The PEM fuel cell consumes gases which are produced by an electrolyser to meet the user load demand when the PV generator energy is deficient, so that it works as an auxiliary generator. Power conditioning units are appropriate for the conversion and dispatch the energy between the components of the system. No batteries are used in this system since they represent the weakest when used in PV systems due to their need for sophisticated control and their short lifetime. The model library, ISET Alternative Power Library (ISET-APL), is designed by the Institute of Solar Energy supply Technology (ISET) and used for the simulation of the hybrid system. The physical, analytical and/or empirical equations of each component are programmed and implemented separately in this library for the simulation software program Simplorer by C++ language. The model parameters are derived from manufacturer’s performance data sheets or measurements obtained from literature. The identification and validation of the major hydrogen PVFC hybrid system component models are evaluated according to the measured data of the components, from the manufacturer’s data sheet or from actual system operation. Then, the overall system is simulated, at intervals of one hour each, by using solar radiation as the primary energy input and hydrogen as energy storage for one year operation. A comparison between different topologies, such as DC or AC coupled systems, is carried out on the basis of energy point of view at two locations with different geographical latitudes, in Kassel/Germany (Europe) and in Cairo/Egypt (North Africa). The main conclusion in this work is that the simulation method of the system study under different conditions could successfully be used to give good visualization and comparison between those topologies for the overall performance of the system. The operational performance of the system is not only depending on component efficiency but also on system design and consumption behaviour. The worst case of this system is the low efficiency of the storage subsystem made of the electrolyser, the gas storage tank, and the fuel cell as it is around 25-34% at Cairo and 29-37% at Kassel. Therefore, the research for this system should be concentrated in the subsystem components development especially the fuel cell.

Master Plan for Renewable Energy based Electricity Generation in The Gambia

The principal objective of this paper is to develop a methodology for the formulation of a master plan for renewable energy based electricity generation in The Gambia, Africa. Such a master plan aims to develop and promote renewable sources of energy as an alternative to conventional forms of energy for generating electricity in the country. A tailor-made methodology for the preparation of a 20-year renewable energy master plan focussed on electricity generation is proposed in order to be followed and verified throughout the present dissertation, as it is applied for The Gambia. The main input data for the proposed master plan are (i) energy demand analysis and forecast over 20 years and (ii) resource assessment for different renewable energy alternatives including their related power supply options. The energy demand forecast is based on a mix between Top-Down and Bottom-Up methodologies. The results are important data for future requirements of (primary) energy sources. The electricity forecast is separated in projections at sent-out level and at end-user level. On the supply side, Solar, Wind and Biomass, as sources of energy, are investigated in terms of technical potential and economic benefits for The Gambia. Other criteria i.e. environmental and social are not considered in the evaluation. Diverse supply options are proposed and technically designed based on the assessed renewable energy potential. This process includes the evaluation of the different available conversion technologies and finalizes with the dimensioning of power supply solutions, taking into consideration technologies which are applicable and appropriate under the special conditions of The Gambia. The balance of these two input data (demand and supply) gives a quantitative indication of the substitution potential of renewable energy generation alternatives in primarily fossil-fuel-based electricity generation systems, as well as fuel savings due to the deployment of renewable resources. Afterwards, the identified renewable energy supply options are ranked according to the outcomes of an economic analysis. Based on this ranking, and other considerations, a 20-year investment plan, broken down into five-year investment periods, is prepared and consists of individual renewable energy projects for electricity generation. These projects included basically on-grid renewable energy applications. Finally, a priority project from the master plan portfolio is selected for further deeper analysis. Since solar PV is the most relevant proposed technology, a PV power plant integrated to the fossil-fuel powered main electrical system in The Gambia is considered as priority project. This project is analysed by economic competitiveness under the current conditions in addition to sensitivity analysis with regard to oil and new-technology market conditions in the future.

Thermal Impacts on Building Integrated Photovoltaic (BIPV) (Electrical, Thermal and Mechanical Characteristics)

Ein Drittel des weltweiten gesamten Energiebedarfs wird durch Gebäude verbraucht. Um diesen Energiebedarf teilweise zu decken, den erheblichen Energieverbrauch zu reduzieren und weiterhin andere Gebäudefunktionen beizubehalten, ist Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) eine der am besten geeigneten Lösungen für die Gebäudenanwendung. Im Bezug auf eine Vielzahl von Gestalltungsmöglichkeiten, sind die Randbedingungen der BIPV-Anwendungen eindeutig anders im Vergleich zu Standard-PV-Anwendungen, insbesondere bezüglich der Betriebstemperatur. Bisher gab es nicht viele Informationen zu den relevanten thermischen Auswirkungen auf die entsprechenden elektrischen Eigenschaften zusammen mit thermischen und mechanischen relevanten Gebäudenfunktionen. Die meisten Hersteller übernehmen diese Eigenschaften von entsprechenden PV-Modulen und konventionellen Bauprodukten Normen, die zur ungenauen System- und Gebäudeplanungen führen. Deshalb ist die Untersuchung des thermischen Einflusses auf elektrische, thermische sowie mechanische Eigenschaften das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Zunächst wird das Temperatur-Model mit dem Power-Balance-Konzept erstellt. Unter Berücksichtigung der variablen Installationsmöglichkeiten und Konfigurationen des Moduls wird das Model auf Basis dynamischer und stationär Eigenschaften entwickelt. Im Hinblick auf die dynamische Simulation können der Energieertrag und Leistung zusammen mit der thermischen Gebäudesimulation in Echtzeit simuliert werden. Für stationäre Simulationen können die relevanten Gebäudefunktionen von BIPV-Modulen sowohl im Sommer als auch im Winter simuliert werden. Basierend auf unterschiedlichen thermischen und mechanischen Last-Szenarien wurde darüber hinaus das mechanische Model zusammen mit Variationen von Belastungsdauer, Montagesystem und Verkapselungsmaterialien entwickelt. Um die Temperatur- und Mechanik-Modelle zu validieren, wurden die verschiedenen Prüfeinrichtungen zusammen mit neuen Testmethoden entwickelt. Bei Verwendung der Prüfanlage „PV variable mounting system“ und „mechanical testing equipment“ werden zudem die verschiedenen Szenarien von Montagesystemen, Modul-Konfigurationen und mechanischen Belastungen emuliert. Mit der neuen Testmethode „back-bias current concept“ können zum einen die solare Einstrahlung und bestimmte Betriebstemperaturen eingestellt werden. Darüber hinaus wurden mit den eingangs erwähnten validierten Modellen das jeweilige elektrische, thermische und mechanische Verhalten auf andere Konfigurationen bewertet. Zum Abschluss wird die Anwendung von Software-Tools bei PV-Herstellern im Hinblick auf die entsprechenden Modellentwicklungen thematisiert.