Assessing whether connection of solar home systems can improve electricity access in off-grid areas

Abstract

In Sub-Saharan Africa, millions of people live without access to electricity. In rural areas, connection to national grids is not always feasible. A growing clean energy response has been implementation of solar home systems. These are composed of solar panels, batteries, and essential electrical appliances. With a limited capacity, the battery is unable to handle large variations in electricity demand. A potential solution to this may be connecting separate solar home systems using electric cables. This could allow for variations in electricity demand between separate households to be evened out through electricity exchanges.

This study examines the potential benefits of electricity exchange between off-grid solar home systems. To assess the effects of the exchanges, the solar home systems were simulated using a Python code. Konza, a village located in Kenya, is home to multiple owners of solar home systems and was therefore chosen as the case village for the study. Based on previous studies of load profiles for electric appliances in similar areas, probability-based demand was predicted for each appliance. Using the web-based software PVGIS, solar generation data was estimated. The electricity demand and solar generation were used as inputs to the Python code. The simulation calculated hourly battery charges over one year for independent and connected households. The effects of the exchange were assessed by comparing results before and after connection.

The study examines three separate cases. Case 1 included three households that owned varying sets of electric appliances. Improvements to electricity access were observed including a 17% reduction in amount of demand left unserved. Case 2 added adjustments to electric appliances for one household. Unserved demand was reduced by 4.5% after connection, which suggested that some of the results from Case 1 were attributable to differences in electricity demand between separate households. In Case 3, the number of households was increased to six and unserved demand was reduced by 33% after connection. This indicated that a higher number of connected households will increase the benefits of connection. For all three cases, the improvements to electricity access were limited because seasonal variations in generation outweighed day-to-day variations in demand. The results suggest that the connection of separate solar home systems can to some degree improve electricity access for homeowners in off-grid areas, particularly where higher numbers of households are close to each other.

I Afrika, sør for Sahara, lever millionvis av mennesker uten tilgang til strøm. I distrikter er det ofte ikke mulig å koble seg til nasjonale strømnett. En voksende ren-energi respons har vært implementering av frittstående solenergisystemer (solar home systems). Disse er sammensatt av solcellepaneler, batterier og elektriske apparater. Med begrenset kapasitet er batteriet ikke i stand til å håndtere store variasjoner i elektrisitetsforbruk. En mulig løsning på denne utfordringen kan være å koble sammen separate systemer ved hjelp av elektriske kabler. Dette kan legge til rette for at variasjoner i strømforbruk mellom ulike husholdninger utjevnes gjennom strømutveksling. Denne studien undersøker de potensielle fordelene av strømutveksling mellom solenergisystemer utenfor strømnettet. For å vurdere effekten av utvekslingene, ble systemene simulert ved hjelp av en Python kode. Konza, en landsby i Kenya, er hjemsted for flere eiere av solenergisystemer og ble derfor valgt som caselandsby for studien. Basert på tidligere studier på lastprofiler for elektriske apparater i lignende områder, ble sannsynlighetsbasert etterspørsel predikert for hvert apparat. Ved hjelp av den nettbaserte programvaren PVGIS ble data for strømgenerasjon estimert. Elektrisitetsbehovet og strømgenerasjonen ble brukt som input til Python koden. Simuleringen beregnet timevis batteriladning over ett år for uavhengige og sammenkoblede husholdninger. Effekten av utvekslingene ble vurdert ved å sammenligne resultater før og etter sammenkobling. Studien undersøker tre ulike case. Case 1 inkluderte tre husstander som eide forskjellige sett med elektriske apparater. Forbedringer i elektrisitetstilgangen ble observert, med blandt annet en 17 % reduksjon i mengden strømbehov som ikke ble oppfylt. Case 2 la til justeringer av elektriske apparater for én husholdning. Mengden uoppfylt strømbehov ble redusert med 4,5 % etter sammenkobling, noe som tydet på at noen av resultatene fra case 1 kan tilskrives forskjeller i strømbehov mellom ulike husholdninger. I case 3 ble antallet husstander økt til seks og mengden uoppfyllt strømbehov ble redusert med 33 % etter tilknytning. Dette indikerte at et høyere antall sammenkoblede husholdninger vil øke fordelene ved tilknytning. For alle tre tilfellene var forbedringer i elektrisitetstilgangen begrenset fordi sesongvariasjoner i strømgenerasjon oppveide daglige variasjoner i etterspørsel. Resultatene tyder på at sammenkobling av frittstående solenergisystemer til en viss grad kan forbedre elektrisitetstilgangen for huseiere i områder utenfor nettet, spesielt der flere husholdninger er nære hverandre.