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Impact of atmospheric variability on a solar based power system in West Africa

  • For a sustainable development the electricity sector needs to be decarbonized. In 2017 only 54% of the West African households had access to the electrical grid. Thus, renewable sources should play a major role for the development of the power sector in West Africa. Above all, solar power shows highest potential of renewable energy sources. However, it is highly variable, depending on the atmospheric conditions. This study addresses the challenges for a solar based power system in West Africa by analyzing the atmospheric variability of solar power. For this purpose, two aspects are investigated. In the first part, the daily power reduction due to atmospheric aerosols is quantified for different solar power technologies. Meteorological data at six ground-based stations is used to model photovoltaic and parabolic trough power during all mostly clear-sky days in 2006. A radiative transfer model is combined with solar power model. The results show, that the reduction due to aerosols can be up to 79% for photovoltaic and up to 100% for parabolic trough power plants during a major dust outbreak. Frequent dust outbreaks occurring in West Africa would cause frequent blackouts if sufficient storage capacities are not available. On average, aerosols reduce the daily power yields by 13% to 22% for photovoltaic and by 22% to 37% for parabolic troughs. For the second part, long-term atmospheric variability and trends of solar irradiance are analyzed and their impact on photovoltaic yields is examined for West Africa. Based on a 35-year satellite data record (1983 - 2017) the temporal and spatial variability and general trend are depicted for global and direct horizontal irradiances. Furthermore, photovoltaic yields are calculated on a daily basis. They show a strong meridional gradient with highest values of 5 kWh/kWp in the Sahara and Sahel zone and lowest values in southern West Africa (around 4 kWh/kWp). Thereby, the temporal variability is highest in southern West Africa (up to around 18%) and lowest in the Sahara (around 4.5%). This implies the need of a North-South grid development, to feed the increasing demand on the highly populated coast by solar power from the northern parts of West Africa. Additionally, global irradiances show a long-term positive trend (up to +5 W/m²/decade) in the Sahara and a negative trend (up to -5 W/m²/decade) in southern West Africa. If this trend is continuing, the spatial differences in solar power potential will increase in the future. This thesis provides a better understanding of the impact of atmospheric variability on solar power in a challenging environment like West Africa, characterized by the strong influence of the African monsoon. Thereby, the importance of aerosols is pointed out. Furthermore, long-term changes of irradiance are characterized concerning their implications for photovoltaic power.
  • Um eine nachhaltige Entwicklung umzusetzen muss der Stromsektor dekarbonisiert werden. Im Jahr 2017 waren 54% der westafrikanischen Haushalte nicht an das Stromnetz angeschlossen. Deshalb sollte dort für die Entwicklung des Stromnetzes auf erneuerbare Ressourcen gesetzt werden. Wegen des hohen Potentials wird insbesondere Solarenergie eine entscheidende Rolle spielen. Jedoch ist diese stark von den atmosphärischen Bedingungen abhängig. In dieser Arbeit werden die Herausforderungen für ein solar betriebenes Energiesystem in Westafrika untersucht. Dabei wird im ersten Teil der Einfluss von atmosphärischen Aerosolen quantifiziert. Meteorologische Daten aus dem Jahr 2006 von überwiegend klaren Tagen an sechs Messtationen werden genutzt, um den Ertrag eines potentiellen Photovoltaik- und eines Parabolrinnenkraftwerkes zu modellieren. Während eines Sandsturms können Aerosole für eine Ertragsreduktion von bis zu 79% bei Photovoltaik- und von bis zu 100% bei Parabolrinnenkraftwerken verantwortlich sein. Im Durchschnitt reduzieren Aerosole den Ertrag von Photovoltaikanlagen um 13% bis 22% und von Parabolrinnenkraftwerken um 22% bis 37%. Im zweiten Teil werden die langfristige atmosphärische Variabilität und generelle Trend analysiert und deren Einfluss auf Photovoltaikerträge in Westafrika beleuchtet. Basierend auf Satellitendaten (1983~-~2017) werden sowohl zeitliche und räumliche Variabilität als auch Trends der Global- und Direktstrahlung bestimmt. Außerdem wird der Photovoltaikertrag anhand von Tageswerten berechnet. Der Ertrag zeigt eine starke meridionale Abhängigkeit mit höheren Erträgen und niedrigerer Variabilität in der Sahara und Sahel Zone (mehr als 5 kWh/kWp und etwa +/- 4.5%) und niedrigeren Erträgen und höherer Variabilität im südlichen Westafrika (etwa 4 kWh/kWp +/- 18%). Hier wird sichtbar, dass ein Netzausbau in Nord-Süd Richtung notwendig ist, um die bevölkerungsreiche Küste mit Solarstrom aus der nördlichen Region zu versorgen. Zusätzlich ist ein positiver Trend (bis zu +5 W/m²/Dekade) der Globalstrahlung in der Sahara und ein negativer Trend (bis zu -5 W/m²/Dekade) im südlichen Westafrika zu erkennen. Setzt sich dieser Trend weiter fort, werden sich die regionalen Unterschiede im Solarenergiepotential in Zukunft noch verstärken. Diese Arbeit verbessert das Verständnis der atmosphärischen Einflüsse auf Solarenergie in einer vielfältigen Region wie Westafrika. Die Bedeutung des Aerosol-einflusses wird deutlicher, insbesondere in Wüstenregionen. Außerdem werden langzeitliche Veränderungen der Strahlung charakterisiert und deren Einfluss auf Photovoltaik aufgezeigt.

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Metadaten
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Author:Ina Neher
URL:https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:38-251084
Referee:Susanne Crewell, Stephanie Fiedler, Stefanie Meilinger
Contributing Corporation:Universität zu Köln
Date of first publication:2020/12/03
Tag:Energy meteorology; Solar power; West Africa
Departments, institutes and facilities:Internationales Zentrum für Nachhaltige Entwicklung (IZNE)
Graduierteninstitut
Dewey Decimal Classification (DDC):5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
Entry in this database:2020/12/17