E
ARTH AND 
S
PACE
-B
ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
S
YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
TUDY
Energy payback times (WP4)
Final Report
9-349
Type of surface
Albedo
Source
Aluminum (polished)
0.71
[Bernasconi 1994]
Metal (polished)
0.90
[Bernasconi 1994]
Snow
0.72 .. 0.98
[TNC 1996]
Table 9-60: Comparison of surfaces' albedo coefficients
Regarding photovoltaic (PV) installations, [Genchi 2002] developed a numerical
simulation model (see Figure 9-26) and calibrated it with real world measurements in
order to determine the impact of large scale PV application to the so-called urban heat
island (UHI) effect.
Figure 9-26: Parameter setup of a simulation model and measurements
accomplished by [Genchi 2002]
Figure 9-27: Differences in the heat balances for rooftops with and without PV
installation for three different buildings which were examined (see [Genchi 2002]
for details)
Convert pdf into jpg online - Convert PDF to JPEG images in C#.net, ASP.NET MVC, WinForms, WPF project
How to convert PDF to JPEG using C#.NET PDF to JPEG conversion / converter library control SDK
change pdf file to jpg file; convert pdf into jpg online
Convert pdf into jpg online - VB.NET PDF Convert to Jpeg SDK: Convert PDF to JPEG images in vb.net, ASP.NET MVC, WinForms, WPF project
Online Tutorial for PDF to JPEG (JPG) Conversion in VB.NET Image Application
changing pdf file to jpg; convert pdf page to jpg
E
ARTH AND 
S
PACE
-B
ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
S
YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
TUDY
Final Report
Energy payback times (WP4)
9-350
Without PV installations, the anthropogenic heat emission from three different types of
buildings (office buildings, residential buildings made of reinforced concrete and wooden
residential buildings) is ~400 W/m² in daytime on all building surfaces (facades and roof)
in the study region Tokyo. The resulting sensible heat flux due to PV installations (roof
coverage about 50%) resulted in an increase of heat flux between 20 and 40 W/m².
[Genchi 2002] thus concludes that the resulting direct influence of PV installed on
buildings to the urban heat island effect is negligible. However, he found that due to the
PV shading the building's cooling effort was reduced by 2.7% at the office building and
even by 10% at the wood residential building.
Aside the simulations and measurements conducted by [Genchi 2002], from a global
perspective the overall relevance of PV installations is negligible, too: Even when
considering the worst case (150 GW
e
non-base load scenario with hydrogen storage, no
facades-mounted PV modules, 0° tilt angle) the area which is occupied by PV is less than
4,200 km² compared to 17,118 km² for traffic purposes which are 2001 in place in
Germany only, let alone approximately the same amount of space which is occupied by
buildings in Germany in 2001 (Table 9-61 depicts current land use with albedo values
equivalent to PV and SOT). However, glaciers are currently shrinking. If at all, PV plants
may rather tend to compensate this loss of albedo on a global level.
Germany (2001)
Area type
Area
Share
Water (lakes, rivers etc.)
8,085 km²
2.3 %
Traffic
(so called 'Verkehrsfläche')
17,118 km²
4.8 %
Buildings and adjacent free space
(so called 'Gebäude und Freifläche')
23,081 km²
6.5 %
Forest
105,314 km²
29.5 %
Table 9-61: Exemplary land use in Germany (total area 357,031 km²) in the year
2001 [Destatis 2003]
Regarding solar thermal (SOT) installations, [Thomas 1991] performed simulations and
real world measurements concerning the SOT induced change of albedo. As reference
albedo, he chose dry soil (0.38) which would be typical for regions with high levels of
direct solar irradiation, i.e. regions where SOT plants would preferably be sited. Among
Online Convert Jpeg to PDF file. Best free online export Jpg image
So, feel free to convert them too with our tool. Easy converting! If you want to turn PDF file into image file format in C# application, then RasterEdge
convert pdf file to jpg on; .pdf to jpg
C# Create PDF from images Library to convert Jpeg, png images to
Batch convert PDF documents from multiple image formats, including for exporting high quality PDF from images for combining multiple image formats into one or
convert pdf to jpeg; batch pdf to jpg converter
E
ARTH AND 
S
PACE
-B
ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
S
YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
TUDY
Energy payback times (WP4)
Final Report
9-351
other parameters, he logged the change of albedo for a typical sunny day with time. His
record is plotted in Figure 9-28.
Figure 9-28: Change in albedo with time due to solar thermal installation on a
typical sunny day at an reference albedo of 0.38 [Thomas 1991]
As can be seen from Figure 9-28, the albedo is reduced by an average of 8%-points. In
the course of midday (which is most important for the system's energetics) the average
decrease of albedo is 7.5%-points, resulting in an approximate decrease of reflected
irradiation of 70 W/m² (short wave) and 50 W/m² (long wave). [Thomas 1991] concludes
his study by stating that the resulting radiant balance, earth heat flux and sensible heat
are well within the range of natural fluctuations, thus "the danger of unexpected effects
appears to be low".
Regarding the change of microclimate due to PV module installations, the impact is
comparable to the conversion of roofs to grassland. Concerning SOT plants [Thomas
1991] states that under humid conditions the possible induction of clouding may be a
subject for further research. However, SOT plants are preferably sited on rather arid land
for irradiation and space reason. SOT impact on microclimate is comparable to urban
development (namely concrete) in arid zones.
Positive side effects may be drawn from PV and SOT installations. According to [Genchi
2002] the shading of buildings by PV modules decreases the cooling load of buildings by
2.7% - 10%. The shading of soil by SOT may allow a resettlement of vegetation in arid
regions.
VB.NET PDF Convert to Images SDK: Convert PDF to png, gif images
Convert PDF documents to multiple image formats, including Jpg, Png, Bmp, Gif, Tiff, Bitmap, .NET Graphics, and REImage. Turn multipage PDF file into image
changing file from pdf to jpg; change file from pdf to jpg on
C# Image Convert: How to Convert Adobe PDF to Jpeg, Png, Bmp, &
Adobe PDF document can be easily loaded into your C#.NET String inputFilePath = @"C:\input.pdf"; String outputFilePath = @"C:\output.jpg"; // Convert PDF to jpg
convert online pdf to jpg; convert pdf to jpg c#
E
ARTH AND 
S
PACE
-B
ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
S
YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
TUDY
Final Report
Energy payback times (WP4)
9-352
However, the overall impact is similar to other human activities, especially roads and
buildings (concrete) as well as agriculture (grassland).
c) 
Conclusion
The change of albedo due to PV and SOT installations and its influence on microclimate
are well within local natural variation. Compared to other human activities such as urban
development or agriculture, the SOT/PV contribution to the change of albedo is minor
(SOT) and even negligible (decentralized PV). Whereas the albedo of PV is comparable to
grassland the albedo of SOT is comparable with concrete. However, the scientific
knowledge on the local and global impacts of changes in albedo is low. This topic is thus
subject to future findings.
Positive side effects may be gained from reduced cooling efforts for buildings due to PV
installations and resettlement of vegetation in arid regions due to SOT installations.
Additional heat is not released during the operation as fossil or ex-situ primary sources of
energy are neither required by PV nor SOT plants.
C# PDF Convert to Tiff SDK: Convert PDF to tiff images in C#.net
with specified zoom value and save it into stream The magnification of the original PDF page size Description: Convert to DOCX/TIFF with specified resolution and
bulk pdf to jpg; convert pdf image to jpg image
VB.NET PDF insert image library: insert images into PDF in vb.net
Support various image formats, like Jpeg or Jpg, Png, Gif, Bmp Insert images into PDF form field in VB.NET. to PDF in preview without adobe PDF control installed.
convert pdf to jpg 300 dpi; convert pdf to gif or jpg
E
ARTH AND 
S
PACE
-B
ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
S
YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
TUDY
Reliability and risk discussion
Final Report
10-353
10 R
ELIABILITY AND RISK DISCUSSION
The comparison of base load and non-base load scenarios presented in the previous
chapters was done with a focus on costs. Therefore terrestrial and space concepts were
selected, system architectures described and evaluated for the most economic concepts
for each scenario. This chapter discuss further aspects to be considered for a more overall
evaluation of these systems and scenarios. Figure 10-1 shows three parameters to be
evaluated and considered for a more complete comparison between space and terrestrial
concepts. In the following subchapters the previous selected and discussed technologies
and system architectures are further discussed regarding their system reliability and
potential risks. Though, a discussion on reliability and risk is rather of a qualitative nature,
these issues are to be taken as serious as quantitative (cost) figures.
Cost
Reliability
Risk
Figure 10-1: For an overall comparison between space and terrestrial power
systems costs, reliability and risks have to be evaluated
It is the nature of this study that a comparison between terrestrial and space-based solar
power systems is significantly asymmetric regarding data reliability and validity in all
three dimensions. This is reflected in the following discussion of both systems, and in the
conclusions. These are not recommendations as to whether commercial systems should be
produced or not, but rather raises priorities for further research work.
Because the public perception of risk often tends to be rather subjective than objective,
chapter 10.2 shall also help to create a higher transparency and understanding on
particular subjects of large-scale application of solar power systems. Therefore, major
issues attributed with terrestrial and space-based solar power systems are discussed as
potential risks in order to give a whole picture and complement the scenario comparison
which is based on cost assessments only.
VB.NET Create PDF from images Library to convert Jpeg, png images
Components to batch convert PDF documents in Visual Basic control for exporting high quality PDF from images. Turn multiple image formats into one or multiple
change from pdf to jpg on; change pdf to jpg format
C# PDF insert image Library: insert images into PDF in C#.net, ASP
Support various image formats, like Jpeg or Jpg, Png, Gif, Bmp Insert images into PDF form field. Access to freeware download and online C#.NET class source code
convert pdf file to jpg file; changing pdf to jpg file
E
ARTH AND 
S
PACE
-B
ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
S
YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
TUDY
Final Report
Reliability and risk discussion
10-354
Logically, any reliability and risk implication is eventually an economic risk.
10.1 Reliability
In this subchapter, the scientific concept and methods of reliability are introduced for a
broader understanding of the differences between the concepts risk and reliability alike.
In the field of technology "reliability" deals with the issue "How often will a failure
statistically occur in the course of normal operation?" whereas "failure" means an
unscheduled behaviour out of the system's technical specification.
Reliability is usually time dependant, meaning that when a systems gets older reliability
diminishes.
The various technologies applied have different failure rates.
Different system architectures lead to totally different failure paths.
A system architecture without backup systems is at most as reliable as its weakest link in
the chain.
Relevant parameters to assess the reliability of a system are its failure frequency (mean
time between failure – MTBF) and the mean time to repair (MTTR). Both parameters are
cost relevant. MTTR costs are two-fold. They comprise the cost of repair and the loss of
profit.
A trade-off between investment costs on one side and operation and maintenance costs
(O&M) on the other side may generally be observed.
Methods to perform failure analysis are among others: Failure Mode and Effect Analysis
(FMEA), Hazard Operability Studies (HAZOPS), Event Tree Analysis (ETA) and Fault Tree
Analysis (FAT).
In general, the reliability of a system is raised by connecting two or more components in
parallel. Regarding energy supply systems, this principle may be applied by installing
additional components as backup systems, such as more satellites than actually required
or an additional high voltage DC line. The reliability of a system can also be raised by
splitting a single energy conversion unit into several smaller units. Thus, if one unit fails,
only a fraction of the total energy supply is affected. This measure presumes, that the
system complexity does not raise with the number of units applied. A higher system
complexity generally results in a lower system reliability due to duplicating failure
pathways.
E
ARTH AND 
S
PACE
-B
ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
S
YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
TUDY
Reliability and risk discussion
Final Report
10-355
The validity of component reliability figures highly depends on the practical experiences
with the technology. Terrestrial solar power generation systems are up and running since
more than two decades. As hardly any experiences could be gained by now regarding
relevant technical parts of the space based solar power systems, a qualitative reliability
assessment is the approach of choice in this study.
In a broader sense, "reliability" in the context of energy systems is equal to the idea of
"security of energy supply" which is on top of the current political agenda in the USA and
EU alike. This stems from mainly two reasons:
a) The dependence of the western industrialized countries from oil, gas and coal imports.
b) The large-scale attacks made on civilians in New York September 11 2001, Bali October
13 2002 and Madrid March 11 2004 represented a new dimension of violence and
destruction threats from independent and worldwide operating groups. The weakest link
– i.e. the action with the highest impact – is preferably selected by these groups and for
general military operations alike. Infrastructure has always been the first target, such as
energy, material, food and water supply (and, with increasing importance, communication
facilities).
Generally, the use of locally produced renewable energy promotes the security of energy
supply and thus has positively to be taken into account. Yet, if production is too
centralized, the reliability of power supply is affected. Derived from [VDI 1994] we define
that a single power installation of 10 GW electrical power capacity or more is critical
regarding the overall stability of the European transmission grid.
In Figure 10-2 and Figure 10-3, the pathways of power generation are depicted according
to the system architecture applied for scenario calculation. At this aggregation stage, it is
not differentiated between PV and SOT. The major difference is the power size per
generation unit which is higher with SOT. The pathways described represent the current
state of system design as it is discussed in the scenarios of this study. Surely, it can't be
exhaustive. However, modifications to make these pathways more robust will have to
remain with possible future development stages.
E
ARTH AND 
S
PACE
-B
ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
S
YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
TUDY
Final Report
Reliability and risk discussion
10-356
Figure 10-2: Pathway of terrestrial-based power generation
Rectenna
Rectenna
Rectenna
HVDC
Solar Power
Satellites
x .. xx GW
e
Module
Module
...
Power conversion
Module
Module
...
Power conversion
Module
Module
...
Power conversion
EU high voltage AC transmission grid
Figure 10-3: Pathway of space-based power generation
In Table 10-1 and Table 10-2, power generation pathways depicted in Figure 10-2 and
Figure 10-3 are analyzed and their respective losses of power are calculated for the worst-
*   Applies only to some 45% of the 500 GW scenarios‘ power plants
** HVDC may be required for power distribution in Europe as part of EU grid
HVDC *
Solar systems
xx kW
e
.. xxx MW
e
Panel
Panel
...
Power conversion
Panel
Panel
...
Power conversion
Panel
Panel
...
Power conversion
EU high voltage AC grid **
Local consumption
E
ARTH AND 
S
PACE
-B
ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
S
YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
TUDY
Reliability and risk discussion
Final Report
10-357
case, i.e. the total failure of this path. Possible causes for power losses (no matter
whether technology or human induced) are explicitly not discussed as there is always a
n+1 failure constellation for everything, especially when considering such complex and
large-scale systems. Full-scale FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) and similar
reliability analysis methods would have to be applied which is beyond the scope and
timeframe of this study.
Description
Worst-case consequence
1
One sun to deliver solar irradiation to
n
pan
solar panels (PV modules or SOT
mirrors respectively)
Total loss of power output
2 At each of the n
plants
power plants,
n
pan
panels feed their energy to one
power conversion unit (inverter or
gas turbine respectively)
Loss of power supply of one power
plant (1/n
plants
of total power output)
3 At each of the n
plants
power plants,
electrical energy is fed into n
lines
lines
of the local distribution or European
transmission grid respectively
Loss of power supply ranges from one
power plant (1/n
plants
of total power
output) down to one distribution or
transmission line (1/n
plants
*1/n
lines
of
total power loss)
3a For the 500 GW scenario only, HVDC
lines are required for power
transmission from North Africa to
Europe and within Europe
Loss of one HVDC head station
(x/n
plants
*1/n
HVDC)
of total power loss)
Table 10-1: Principle terrestrial solar power system architecture and associated
worst-case consequences for power generation
E
ARTH AND 
S
PACE
-B
ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
S
YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
TUDY
Final Report
Reliability and risk discussion
10-358
Description
Worst-case consequence
1 One sun to deliver solar irradiation to
n
sat
solar power satellites with n
PV
PV
modules
Total loss of power output
2 n
PV
PV modules per satellite feed
power to one main power bus
Loss of power supply of one satellite
(1/n
sat
of total power output)
3 Each satellites power is converted for
microwave transmission
Loss of power supply of one satellite
(1/n
sat
of total power output), i.e. loss
of power supply of one antenna in the
case of the 500 GW system
architecture.
4 The microwave beam of one satellite
is directed to n
rect
ground rectennae
(or n
relsat
space-based power relay
satellites which are not part of
scenario calculations)
Loss of power supply ranges from one
satellite (1/n
sat
of total power output)
down to loss of power supply from
one rectenna (1/n
rect
of total power
output)
5 At each rectenna, microwave energy
is converted into electrical energy
Loss of power supply of one rectenna
(1/n
rect
of total power output)
6 With the 500 GW base load scenario
at least, electrical energy is converted
for high voltage DC transmission in
n
HVDC
head stations
Loss of power supply of one HVDC
system (1/n
HVDC
of total power output)
Table 10-2: Principle space-based solar power system architecture and associated
worst-case consequences for power generation
What can be observed is that the total failure of a single terrestrial PV or SOT plant has
almost no effect on the overall power supply.
In two links of the chain, the consequences of terrestrial and space-based solar power
systems could be equally far reaching: shading of the primary energy source (e.g. through
'global dimming', meteorites, severe volcanic activity etc.) and high-voltage DC
transmission (where applicable). It is in the nature of terrestrial solar power supply, that
their supply reliability inherently depends on the availability of sunlight, i.e. the accuracy
of weather forecasts. The probability of a complete power failure is practically zero due to
the geographical distribution of terrestrial solar power plants.
10.2 Risks
The concept of 'risks' extends the concept of 'reliability' (see previous chapter 10.1). Risks
comprise both the occurrence probability of an incident and its respective consequences.
Documents you may be interested
Documents you may be interested