escuela tÉcnica superior de ingenierÍa y sistemas...

153
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN CHARACTERISATION OF THE OPERATION & MAINTENANCE PHASE IN PV RURAL ELECTRIFICATION PROGRAMMES THESIS AUTHOR: LUIS MIGUEL CARRASCO MORENO DIRECTOR: LUIS NARVARTE FERNÁNDEZ MADRID, MAY 2015

Upload: vulien

Post on 29-Apr-2019

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y

SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

CHARACTERISATION OF THE OPERATION &

MAINTENANCE PHASE IN PV RURAL

ELECTRIFICATION PROGRAMMES

THESIS

AUTHOR: LUIS MIGUEL CARRASCO MORENO

DIRECTOR: LUIS NARVARTE FERNÁNDEZ MADRID, MAY 2015

Page 2: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN
Page 3: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dedicado a mis padres,  

mi hermana,  

mi abuela,  

a toda mi familia, 

 mis amigos  

y cómo no, a Adelita. 

Page 4: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

ii 

Page 5: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

iii 

ACKNOWLEDGEMENTS

 

 

 

"[...] el olmo ya seco de la ermita  debe su único verdor a la hiedra que le abraza,  pero ella a su vez sólo gracias al viejo tronco  

logra crecer hacia el sol." 

José Luis Sampedro (La Sonrisa Etrusca) 

    

  Escribió Galdós que la experiencia es una llama que no alumbra sino quemando. Creo que en 

mi  vida me he  chamuscado bastante, pero no  lo he hecho  solo  y por eso  tengo que agradecer a 

muchas personas  todo  lo que de  ellas he  aprendido  trabajando  codo  con  codo hasta  llegar  aquí, 

empezando por  Luis Narvarte, mi  tutor y director de  tesis, alma mater de este  trabajo, excelente 

persona y amigo, quien me animó a emprenderme en esto de  investigar y quien siempre ha estado 

disponible para escuchar, pensar y resolver. A Eduardo Lorenzo, por su experta mirada desde lo alto 

que tanto ha servido para enderezar mis torcidos renglones. A todos mis compañer@s del grupo de 

sistemas fotovoltaicos del IES, que forman entre tod@s el más cordial ambiente de camaradería de 

trabajo que he conocido. A  tod@s mis compañer@s de  la extinta  Isofoton en España y Marruecos 

con  los  que  trabajé  y  aprendí muchas más  cosas  además  de  fotovoltaica.  Y  a much@s más,  que 

aunque no mencionados, fueron fuente de iluminación. 

  Agradezco a Isofoton Maroc s.a.r.l. por su colaboración al poner los enormes cimientos en los 

que se ha basado el trabajo experimental de esta tesis. 

  Un último  reconocimiento a  la Universidad Politécnica de Madrid por su ayuda al  financiar 

parte de los estudios llevados a cabo en esta tesis con el proyecto 35_FOTOVOLT perteneciente a la 

XI Convocatoria de Acciones de Cooperación Universitaria para el Desarrollo. 

Page 6: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

iv 

Page 7: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

ABSTRACT

 

With 1,300 million people worldwide deprived of access to electricity (mostly in rural environments), 

photovoltaic solar energy has proven to be a cost‐effective solution and the only hope for electrifying 

the most remote  inhabitants of the planet, where conventional electric grids do not reach because 

they are unaffordable. Almost all countries  in  the world have had  some kind of  rural photovoltaic 

electrification  programme  during  the  past  40  years, mainly  the  poorer  countries, where  through 

different  organizational  models, millions  of  solar  home  systems  (small  photovoltaic  systems  for 

domestic use) have been installed. During this long period, many barriers have been overcome, such 

as  quality  enhancement,  cost  reduction,  the  optimization  of  designing  and  sizing,  financial 

availability, etc. Thanks to this, decentralized rural electrification has recently experienced a change 

of  scale  characterized  by  new  programmes  with  thousands  of  solar  home  systems  and  long 

maintenance periods. Many of these large programmes are being developed with limited success, as 

they have generally been based on assumptions that do not correspond to reality, compromising the 

economic  return  that  allows  long  term  activity.  In  this  scenario  a  new  challenge  emerges, which 

approaches the sustainability of large programmes. It is argued that the main cause of unprofitability 

is the unexpected high cost of the operation and maintenance of the solar systems. In fact, the lack 

of  a  paradigm  in  decentralized  rural  services  has  led  to  many  private  companies  to  carry  out 

decentralized electrification programmes blindly. Issues such as the operation and maintenance cost 

structure or the reliability of the solar home system components have still not been characterized. 

This  situation  does  not  allow  optimized  maintenance  structure  to  be  designed  to  assure  the 

sustainability and profitability of the operation and maintenance service. 

This PhD thesis aims to respond to these needs. Several studies have been carried out based on a real 

and large photovoltaic rural electrification programme carried out in Morocco with more than 13,000 

solar home systems. An  in‐depth reliability assessment has been made  from a 5‐year maintenance 

database with more  than 80,000 maintenance  inputs. The  results have allowed us  to establish  the 

real reliability functions, the failure rate and the main time to failure of the main components of the 

system, reporting these findings for the first time in the field of rural electrification. 

Both  in‐field  experiments  on  the  capacity  degradation  of  batteries  and  power  degradation  of 

photovoltaic modules have been carried out. During the experiments both samples of batteries and 

modules  were  operating  under  real  conditions  integrated  into  the  solar  home  systems  of  the 

Moroccan programme. In the case of the batteries, the results have enabled us to obtain a proposal 

of definition of death of batteries in rural electrification. 

A  cost  assessment of  the Moroccan  experience based on  a  5‐year  accounting database has been 

carried out to characterize the cost structure of the programme. The results have allowed the major 

costs of the photovoltaic electrification to be defined. The overall cost ratio per installed system has 

been  calculated  together  with  the  necessary  fees  that  users  would  have  to  pay  to  make  the 

operation and maintenance affordable. 

Finally,  a mathematical  optimization model  has  been  proposed  to  design maintenance  structures 

based on the previous study results. The tool has been applied to the Moroccan programme with the 

aim of validating the model. 

Page 8: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

vi 

   

Page 9: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

vii 

ACRONYMS

 

AECID:    Agencia Españolda de Cooperación para el Desarrollo 

AEG:     Allgemeine Elektrizitäts Gesellschaft 

CC:     Charge Controller 

CFL:     Compact Fluorescent Lamp 

CM:     Corrective Maintenance 

DOD:     Depth Of Discharge 

EC:     European Communities 

ECU:     European Currency Unit 

EDP:     Energy Demonstration Programme 

ESCO:     Energy Service Company 

EVA:     Ethylene‐Vinyl‐Acetate 

GEF:     Global Environmental Facility 

HW:     Hardware 

IEA:     International Energy Agency 

IEC:     International Electrotechnical Commission 

IES‐UPM:   Instituto de Energía Solar ‐ Universidad Politécnica de Madrid 

LC:     Low power Consumption light lamps 

LED:     Light‐Emitting Diode 

LEDC:     Less Economically Developed Countries 

MAD:     ISO code for the Moroccan currency (dirham) 

MDG:     Millennium Development Goals 

MNRE:    Ministry of New and Renewable Energy of India 

MPPT:     Maximum Power Point Tracker 

MTTF:     Mean Time To Failure 

NGO:     Non‐Governmental‐Organizations 

O&M:     Operation and Maintenance 

OEI:     Organización de Estados Iberoamericanos 

ONEE:     Office National de l'Electricité et l'Eau (Morocco) 

OW:     Orgware 

pdf:     probability density distribution 

PERG:     Programme d'Electrification Rurale Globale (Morocco) 

PLANER:   Plan Nacional de Electrificación Rural (Spain) 

PM:     Preventive Maintenance 

Page 10: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

viii 

PPER:     Programme Pilote d'Electrification Rurale (Morocco) 

ppp:     public‐private‐partnership 

PV:     Photovoltaic 

PVPS‐IEA:   Photovoltaic Power Systems Programme ‐ IEA 

PVRE:     Photovoltaic Rural Electrification 

PWM:     Pulse‐Width Modulation (charge controller) 

REA:     Rural Electrification Administration 

REDP:     Renewable Energy Development Project 

SE4ALL:   Sustainable Energy for All 

SGA:     Société Générale Agricole 

SHS:     Solar Home Systems 

SLI:      Start‐Lighting‐Ignition (Battery) 

SOC:     State Of Charge 

Solar‐PERG:  Photovoltaic PERG programme 

Solar‐PERGISO:  Solar‐PERG carried out by the private company ISOFOTON 

SW:     Software 

UN:     United Nations 

UNDP:     United Nations Development Programme 

USAID:    United States Agency for International Development 

UTSfSHS:   Universal Technical Standard for Solar Home Systems 

VAT:     Value Added Tax 

VRLA:     Valve‐Regulated Lead‐Acid (Battery) 

WB:     World Bank 

Wp:     Watt peak 

 

   

Page 11: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

ix 

SUMMARY

 

1  INTRODUCTION ......................................................................................................... 2 

1.1  THE GLOBAL ACCESS TO ELECTRICITY ................................................................................... 3 

1.2  THE ORIGINS OF RURAL ELECTRIFICATION .......................................................................... 10 

1.3  REVIEW OF THE DEVELOPMENT OF THE PHOTOVOLTAIC RURAL ELECTRIFICATION .......... 17 

1.4  OBJECTIVES OF THE THESIS ................................................................................................. 35 

1.5  METHODOLOGY OF THE WORK ........................................................................................... 35 

1.6  THESIS STRUCTURE ............................................................................................................. 35 

2  THE MOROCCAN PV RURAL ELECTRIFICATION PROGRAMME .................................. 38 

2.1  INTRODUCTION ................................................................................................................... 38 

2.2  THE PERG PROGRAMME ..................................................................................................... 38 

2.3  THE SOLAR‐PERG ORIGIN, DEVELOPMENT AND FEATURES ................................................ 40 

2.4  THE ISOFOTON‐PERG PROGRAMME ................................................................................... 43 

2.5  SOME COMMENTS ABOUT THE SOLAR PERG DEVELOPMENT ............................................ 50 

2.6  THE ISOFOTON‐PERG DATABASE ........................................................................................ 50 

3  RELIABILITY ASSESSMENT OF SHS COMPONENTS .................................................... 54 

3.1  INTRODUCTION ................................................................................................................... 54 

3.2  RELIABILITY ANALYSIS ......................................................................................................... 54 

3.3  ANALYSIS OF THE RESULTS .................................................................................................. 60 

3.4  APPLICATION EXAMPLE ...................................................................................................... 65 

3.5  CONCLUSIONS ..................................................................................................................... 66 

4  IN‐THE‐FIELD ASSESSMENT OF BATTERIES AND PV MODULE RELIABILITY IN THE PERG 

PROGRAMME ................................................................................................................. 70 

4.1  INTRODUCTION ................................................................................................................... 70 

4.2  IN‐FIELD BATTERY TESTING ................................................................................................. 71 

4.3  IN‐THE‐FIELD PV‐MODULE TESTING .................................................................................... 81 

4.4  CONCLUSIONS ..................................................................................................................... 84 

5  CHARACTERIZATION OF THE OPERATIONAL & MAINTENANCE COSTS ...................... 88 

5.1  INTRODUCTION ................................................................................................................... 88 

5.2  COST ANALYSIS .................................................................................................................... 88 

5.3  SENSITIVITY ANALYSIS ......................................................................................................... 94 

5.4  INFLUENCE OF THE SHS SPATIAL DENSITY ........................................................................... 96 

5.5  APPLICATION EXAMPLE ...................................................................................................... 97 

5.6  CONCLUSIONS ..................................................................................................................... 99 

6  DESIGN OF DECENTRALIZED MAINTENANCE STRUCTURES IN PHOTOVOLTAIC RURAL 

ELECTRIFICATION ...........................................................................................................102 

Page 12: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

6.1  INTRODUCTION ................................................................................................................. 102 

6.2  BASELINE DATA ................................................................................................................. 103 

6.3  METHODOLOGY ................................................................................................................ 103 

6.4  MODEL APPLICATION ........................................................................................................ 111 

6.5  CONCLUSIONS ................................................................................................................... 115 

7  CONCLUSIONS AND FUTURE RESEARCH ..................................................................118 

7.1  CONCLUSIONS ................................................................................................................... 118 

7.2  FUTURE LINES OF RESEARCH ............................................................................................. 121 

PUBLICATIONS GENERATED DURING THIS PHD ..............................................................124 

BIBLIOGRAPHY ..............................................................................................................128 

 

 

Page 13: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

 

CHAPTER 1

INTRODUCTION

Page 14: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

1 INTRODUCTION

Beyond  the  reasons  that  justify  the  right  of  every  human  to  have  access  to modern  sources  of 

energy,  the  importance  of  electricity  as  energy  vector,  from  the  first  application  of  the  late 

nineteenth  century  to  today,  lies  in  the  fact  that  it  is  easy  to  transport  and  simple  to  operate. 

Nowadays there are still 1,300 million people deprived of electricity, 85% of them  in remote rural 

areas  where  electrification  encounters  problems  such  as  high  economic  investments,  low 

profitability or difficulty of operation, among others. In these cases, decentralised electrification by 

means of solar home systems (SHS) has aimed to be a technical and cost‐effective solution for over 

40  years  in many  countries  of  the world.  Currently,  large‐scale  electrification  programmes with 

thousand of SHSs are established  in remote and  impoverished regions, whose results,  in terms of 

sustainability, are in doubt. These attempts at electrification are frequently based on assumptions, 

such as electricity consumption, device reliability, operating costs, rural spending habits, etc, which 

bear  little resemblance to reality. The consequences are the  long term economic  instability of the 

programmes, the failure of private operators and the abandonment of SHSs, which has happened in 

many initiatives developed in recent decades. 

This  work  presents  a  study  based  on  a  real  and  large  photovoltaic  rural  electrification  (PVRE) 

programme,  taking  advantage  of  the  excellent  opportunity  that  the  author  took  advantage  of 

whilst,  for  five  years,  being  part  of  the management  team  of  the  company  that  operated  that 

programme, having  full access  to  the detailed maintenance data,  failure of  the SHS components, 

unit costs, management structure, activity organization, etc, during that period. The study provides 

the  chance,  for  the  first  time,  to  contrast  the  real  data of decentralised  electrification with  the 

classic assumptions, by means of the SHS's reliability statistic research, the characterization of the 

actual costs in the operation and maintenance (O&M) phase and the study of the application of the 

results in the formulation of PVRE programmes. 

This chapter  introduces the detailed historical evolution of rural electrification,  in general and the 

photovoltaic rural technology, in particular, which nowadays has culminated in the implementation 

of large PVRE programmes. First, it focuses on the problem of access to electricity and discusses the 

difficulties  that  it  faces.  Then,  a  review  of  the  rural  electrification  origins  throughout  the  20th 

century is presented to show that barriers and solutions at the beginning of rural electrification are 

similar  to  the  current  challenges.  Finally,  an  historical  review  of  photovoltaic  rural  technology 

evolution shows that the three dimensions that integrate it (hardware, software and orgware) have 

unequally evolved to the present day, which gives rise to a still non‐mature technology. 

The  chapter  concludes  with  the  main  objectives  of  the  thesis,  a  brief  explanation  of  the 

methodology of the work and the description of the document structure. 

 

 

Page 15: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

1.1 THEGLOBALACCESSTOELECTRICITY

1.1.1 Currentstatus:1,300millionpeoplewithoutelectricity

Nowadays,  the  lack of access  to electricity affects  to 1,300 million people worldwide, 20% of  the 

world’s population. This figure, published by the International Energy Agency (IEA) in 2012 ‐ World 

Energy Outlook Report, [1]  ‐ gives us an overall  idea of a problem to be solved globally, similar to 

other issues such as hunger, access to clean water, sanitation, etc. According to the IEA, this figure 

has decreased since 1990, from 2,000 million people, to 1,300 million in 2010. Not only that, in just 

in 8 years (2002 ‐ 2010), it has been reduced from 1,623 million to 1,267, a gap of new 356 million 

people  with  access  to  electricity  (more  than  the  population  of  the  United  States  of  America). 

However, these figures are  just estimations (as recognized by the  IEA), since the  lack of access to 

electricity is something specific to the marginal and rural areas of the less economically developed 

countries (LEDC), where the  inaccuracy of the population census, also affected by the double and 

opposing  effect  of  population  growth  and  migration  to  urban  areas,  precludes  any  accurate 

estimations [2]. 

1.1.2 TheIEAexpectsthatuniversalaccesstoelectricitywillbeachievedinpartwithSolarHomeSystems

From  the perspective of  reducing  the world population without access  to electricity,  in 2010  the 

United Nations (UN) launched the Sustainable Energy for All (SE4ALL) initiative to "achieve universal 

energy access, improve energy efficiency, and increase the use of renewable energy" [3] (It must be 

remembered  that  the  UN  for  many  years  did  not  include  action  on  energy  poverty  in  the 

Millennium Development Goals).  

The  2011  World  Energy  Outlook  report  [4]  published  by  the  IEA  estimated  the  necessary 

investment  for  electricity  universal  access,  between  2010  and  2030,  at  US$  640  billion  (this 

requirement  is  small  when  compared  to  overall  energy‐related  infrastructure  investment, 

equivalent to around 3% of the total). The report suggests that 70% of the required infrastructure 

would consist of off‐grid  systems: mini‐grids  (65% of  this share) and  stand‐alone off‐grid solutions 

(the remaining 35%), that  is, solar home systems (SHS), small hydro systems, and others (wind and 

biogas). We estimate that nowadays, the SHSs represent 95% of the stand alone system  installed 

worldwide. So, the IEA foresees an investment of around US$ 150 billion for SHSs to reach universal 

access  to  electricity  before  2030.  If  photovoltaic  (PV)  systems  were  sized  to  meet  housing 

consumption between  250  and  500  kWh/year  [5],  the  required  SHS  power would be  180  ‐  365 

watts peak (Wp). Taking into account a unit cost for the installed SHSs of between US$ 6 ‐ 8 /Wp1, it 

would correspond to installing more than 50 million SHSs, giving access to electricity to 250 million 

people.  

1.1.3 Whythelackofelectricityisaproblem

Access to electricity is not considered a universal fundamental right of people [6]. However, there is 

a unanimous opinion that electrical supply is a priority factor which is urgent to resolve. Therefore, 

in the last decade there have been numerous initiatives to address the problem, such us the Global 

                                                            1 It includes equipment, transportation, installation of the SHSs and 10% of overhead expenses. 

Page 16: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

Environmental Facility ‐ GEF [7], the Millennium Development Goals [8] and the Sustainable Energy 

for ALL (SE4ALL) from the UN [3], "Luz para Todos" in Brazil [9], Power for all in India [10] or "Luces 

para aprender" from the Organization of Ibero‐American States (OEI) [11], among others. 

Apart from the extended consideration in Western culture that human enrichment as a society, in 

economic, social, political and cultural aspects,  is necessarily  linked to  infrastructure development 

[12, 13], perhaps, the best arguments that justify the need for access to electricity are included in 

the Millennium Development Goals (MDG). In this resolution, adopted by the UN in 2000, although 

there are no specific MDGs  relating  to energy,  it has been  recognized  that MDGs cannot be met 

without affordable, accessible and reliable energy services (Table 1): 

Table 1: Importance of electrical access for achieving the MDGs 

Goal 1:  

Eradicate extreme poverty 

Access  to modern electricity  increases household  incomes  through economic development and reduces the burden of time‐consuming domestic  labour.  Electricity  supply  enables  poor  households  to engage  in activities that generate  income by providing  lighting that extends  the working day  and by powering machines  that  increase output. 

Goals 2 and 3:  

Achieve universal primary education and promote gender equality and empowerment of women 

For  poor  people  everywhere,  access  to  electricity  frees  time  for education; time that would otherwise be spent collecting traditional fuels,  fetching  water,  processing  food  or  in  other  physical  work. Access  to  electricity  contributes  to  the  empowerment  of women. Increasing  access  to  energy  brings major  benefits  for women  and girls; in health, education, and productive activities. 

Goals 4, 5 and 6: 

Reduce child and maternal mortality and reduce diseases 

Electricity helps improve health by powering equipment for pumping and  treating water;  it enable health  clinics  to  refrigerate  vaccines, operate  and  sterilize  medical  equipment,  and  provide  lighting.  It allows  the use of modern  tools of mass communication needed  to fight the spread of HIV/AIDS and other preventable diseases. Access to  electricity helps  attract  and  retain  health  and  social workers  in rural areas by improving living conditions. 

Goal 7:  

Ensure environmental sustainability 

Energy  use  and  production  affect  in  local,  regional  and  global environments.  The  environmental  damage  and  its  harmful  effects can be reduced by increasing energy efficiency, introducing modern technologies for energy production and using renewable energy. 

Goal 8:    

Develop a global partnership for development 

The  World  Summit  for  Sustainable  Development  called  for partnerships  between  public  entities,  development  agencies,  civil society and the private sector to support sustainable development, including  the  delivery  of  affordable,  reliable  and  environmentally sustainable energy services. 

 

However, these arguments, usually very common in the literature, should be treated with caution, 

since, very often, the availability of electricity does not directly  involve any development [14, 15]. 

Page 17: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

An example  that  refutes  this attribution  is  the Moroccan Global Rural Electrification Programme 

(PERG  in  French  acronym),  which  will  be  widely  discussed  in  this  work.  This  electrification 

programme focused on providing electricity mainly to housing and not to farmlands, which are the 

places where electrification could have some impact on the development of the local economy. The 

case of Tizi n'Ait Amer, a small village of just 700 inhabitants in the south of Morocco, is illustrative. 

It got access to electricity 10 years ago and every dwelling  is connected to the grid. However, no 

new  economical  activities have been  developed  since  the  electrification of  the  village.  The only 

hope of carrying out new activities has been the extension of agricultural lands, which has recently 

become possible thanks to the  installation of a photovoltaic water pumping system to  irrigate the 

new  crops,  as  the wells  are  400 meters  from  the  village  and  the  grid  does  not  reach  it2.  This 

example  shows  that giving access  to dwellings  is not enough  for economical development. Rural 

electrification must be more ambitious if new economical activities are to be implemented.  

From  a different  point of  view, most modern  societies  are  economically  based on  the  so‐called 

"consumer economy",  thus  it  is not surprising  that private corporations,  financial  institutions and 

public  administrations  are  interested  in  the  extension  of  the  economy  to  the  rural  population, 

focusing  in  the  fact  that  access  to  electricity  contributes  to  the  acceleration  of  that  process 

(consider, however, the existing criticisms of the dominant current model of economic growth, but 

this subject is far from the arguments addressed in this thesis). 

Beyond corporate or market  interests, the extension of the access to electricity  is currently  in the 

hands of the people themselves, that even knowing about the electricity, they still  live without  it 

and therefore they demand it. To a greater or lesser extent, modern standards of living have spread 

to the most remote areas of the planet, and so electric  lighting, television and mobile phones are 

currently perceived as basic needs in the rural areas of impoverished countries. The introduction of 

these everyday uses  requires  the availability of electricity.  It  can be  said  that after more  than a 

century of electrification, the current demand for electricity is global. 

1.1.4 Blockingfactors

Despite  the efforts made  to enhance  the conditions  for people  in  rural environments,  the  fact  is 

that  the access  to electricity  rates are  still  very  low  in  some  regions of  the planet  (Sub‐Saharan 

Africa and South Asia constitutes 95% of the world population without access to electricity). 

The evolution of the rate of access to electricity is affected by several factors: 

a) Positive factors that increase the electrification rate: 

‐ Migration from rural to urban areas 

‐ Rural electrification 

‐ Maturity, quality and cost reduction of new technologies 

b) Negative factors that reduce the electrification rate: 

‐ The high birth rates in rural areas of impoverished countries 

                                                            2 Own  sources.  The  PV  pump  installed  in  Tizi  n'Ait  Amer  belongs  to  a  project  financed  by  the  Spanish International Cooperation (AECID) and the Universidad Politécnica de Madrid (UPM) 

Page 18: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

‐ The increased costs of conventional technologies 

These  factors,  which  could  be  quantified,  depend  on  other  more  unpredictable  and  difficult 

weighting factors, such as political will, armed conflict, famine, natural disasters, etc. 

Considering the last 3 decades (1980 ‐ 2010), an analysis of the factors involved in global access to 

electricity could be carried out just by assigning an indicator to each factor (Table 2). 

Table 2: Factors that quantitatively affect the evolution of global access to electricity 

Factor  Indicator  1980  2010 

Migration from rural to urban areas 

Rural population (nº of people living in rural environment) 

2,675,822,000  (61% of the population) 

3,320,679,000  (48% of the population) 

Birth  World population (nº of people) 

4,413,536,000 6,861,918,000 (increased by 

55%) Rural electrification programmes 

People without access to electricity  

2,000,000,000  (45%) 

1,300,000,000  (20%) 

Maturity and reduced costs of new technologies 

Photovoltaic systems costs ($/Wp of the photovoltaic module) 

$12 $0.8 (93% reduction) 

Increased costs of conventional technologies 

Crude oil prices (US$/  barrel) [16] 

Jan. 1970 (Before 1970s oil crisis) 

US$ 21.00 

July 2010 US$ 82.25 

1.1.4.1 Theincreaseintheruralpopulation

On the one hand, in spite of the strong migration impact towards the cities (in 2007 there was the 

historical phenomenon that, for the first time, the world population changed from mainly rural to 

urban),  the high  global birth  rate has meant  that  in 3 decades  the world’s  rural population has 

increased by 25% (more than 600 million people). 

On  the other hand, although  the  rural electrification programmes have contributed  to  increasing 

the rate of access to electricity, it is not known precisely what was this rate in the 1980s, but it can 

be estimated  that  the overall number of people without access  to electricity  remained  constant 

during  that decade  at 2,000 million, which means 45% of  the population  [17].  If  the  figure was 

reduced to 1,300 million  in 2010,  it means that the rate of access to electricity  is still higher than 

the  growth  rate of  the  rural population, which  is  a  very  encouraging  fact  (see  Figure  1)  on  the 

evolution of  the global access  to electricity, especially  in Asia, where  the  ratio of people without 

power  is  declining  rapidly  (China  gave  access  to  electricity  to  more  than  700  million  people 

between 1980 and 2000 [18], and the country's electrification rate currently exceeds 99% [5]). Sub‐

Saharan Africa, however,  remains  as  the only  region of  the world where  the number of people 

without access to electricity is increasing. 

Page 19: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

 

Figure 1: Global evolution of population, rural population and lack of access to electricity until 2013. World Bank [19] 

1.1.4.2 Conventionalelectrificationisbecomingmoreexpensive

The  current  high  costs  of  conventional  rural  electrification  systems  are  affected,  among  other 

factors,  by  the  increased  prices  of  fossil  fuels.  For  example,  in  US,  the  cost  of  electricity  for 

residential  use  has  doubled  in  three  decades.  In  Europe,  between  2002  and  2013,  the  cost  of 

electricity for households has gone up by 61%.3 

Among  the  less  electrified  regions  of  the  world,  Sub‐Saharan  Africa  has  the  most  expensive 

electricity tariff in the world, on average between US$ 0.13 ‐ $0.14/kWh (in comparison, electricity 

tariffs in Latin America, Eastern Europe and East Asia are around US$ 0.08/kWh.) [5], which lie well 

below  the  true  cost of production, which on average  is US$ 0.18/kWh, preventing any  return  in 

capital, thus threatening the long‐term sustainability of the utilities in the region [20]. 

If,  in  addition,  we  consider  the  investment  needed  to  provide  access  to  electricity  to  rural 

communities,  it  should  be  noted  that  the  infrastructure  costs  for  conventional  electrification 

(extensions of  electricity  grids mainly  through  the medium  and  low  voltage  lines) has  increased 

considerably. These  lines use  raw materials  such  as  iron  and  copper, whose market prices have 

increased 2 and 5 fold respectively from 1980 to now [21]. The average cost of a medium voltage 

line  is around €6,000/km  (case of 11 kV;  cost of medium voltage  transformers or operation and 

maintenance not included [22, 23, 24, 25]) and its impact on the energy costs can be estimated at 

€2.5c/kWh/km [26]. 

At  the  same  time,  during  the  last  40  years,  the  silicon  flat‐plate  photovoltaic  industry  (that 

represents more than 90% of the global photovoltaic market) has reduced  its costs by 93%, so  in 

the sunniest countries, such as the Mediterranean area, or most of the African continent, it is now 

                                                            3 Note, however,  that  the  integration of  renewable energy  sources  into  the European energy mix has also affected the increase in tariffs. 

1,000   

2,000   

3,000   

4,000   

5,000   

6,000   

7,000   

8,000   

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Million of peo

ple World 

Rural WorldWithout electricity access

7,125

3,336

1,285

Page 20: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

feasible to produce solar electricity at a cost around4 €8c/kWh , which could lead to the possibility 

of a medium term change of paradigm. 

On other matters, from 1980 to 2010, electrical power consumption in the world has increased by 

more  than  150%,  at  a  rate  nearly  5%  per  year  (Figure  2). However,  the  human  population  has 

grown  at  a  rate  of  1.8%  per  year, which  indicates  that  electricity  consumption  per  capita  has 

increased  almost  3  fold  in  30  years. Although  the development of  the  industry  carries    a  lot of 

weight  in  these  results,  it  is also obvious  that home electricity consumption  is growing. This  fact 

suggests that providing access to electricity leads not only to an increase in the power required to 

meet the new connections, but also that this power needs to be gradually  increased according to 

trends in household consumption. 

 

Figure 2: Evolution of the World’s electricity capacity, generation, consumption and losses [27]   

Within the great figures of the world electricity generation, it is worth mentioning the importance 

of the distribution energy losses (see Figure 2), which represent 8 ‐ 9% of the electricity generated 

every year worldwide. This means annual losses of 1,800∙106 MWh, enough to supply electricity to 

a  country  of  more  than  300  million  inhabitants  with  the  European  standard  consumption  of 

electricity (5.4 MWh/person/year [28]). Not only that. Taking  into account the minimum electrical 

consumption  to  guarantee  basic  life  conditions  (1  MWh/person/year  [29]),  the  figure  would 

become 1,800 million people; and considering  the average consumption per capita  in Africa  (0.5 

MWh/person/year),  this  figure would  rise  to  3,600 million  people,  almost  3  times  the  world’s 

population without access to electricity. 

                                                            4 It concerns large photovoltaic (PV) power plants. Taking into account a power degradation rate of 1%/year for PV modules and a lifetime of 25 years, 1 kWp PV power could produce around 44,500 kWh for 25 years (solar radiation = 5.5 kWh/m2/day). At current PV power plant investment prices (€1.5 /Wp), a performance ratio PR = 0.75 and O&M costs corresponding to 3% yearly of the investment cost, the produced solar energy 

cost would be €7.8c/kWh. 

 

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Total Electricity Net Consumption (Billion Kilowatthours)

Electricity Distribution Losses (Billion Kilowatthours)

Total Electricity Installed Capacity (Million Kilowatts)

109 kWh 106 kW

Page 21: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

1.1.4.3 Politicalandsocialfactors

In the current global energy scenario, with a declining growth rate of the world’s rural population 

and  viable  alternatives  to  conventional  electrification,  we  can  estimate  that  technical  and 

economical aspects are not the only cause impeding access to electricity. The development of rural 

electrification also depends on other factors such as political will, social acceptance, subsidies and 

agricultural development policies, among others. 

It is socially accepted that renewable energies, especially photovoltaic technology, are "expensive"  

and have low reliability compared to conventional technologies, so they would require a great deal 

of  investment  for  implementation  and  the  power  supply  could  not  be  guaranteed.  But,  in  2013 

subsidies to conventional energies, such as petroleum, reached US$550 billion all around the world, 

4 times higher than the amount dedicated to renewable energies [30]; or, in the same context, as 

regards rural electrification, the World Bank (WB) argues that subsidies for grid electrification are 

significantly greater than those for off‐grid electrification [31].  

As  regards  rural development  in  impoverished  countries,  the  lack of  structure  in  the agricultural 

sector  also  contributes  to  impeding  access  to  electricity,  since  the  agricultural  policies  require 

investments  in  infrastructures  to be made  in  the agricultural economy and dignify  the peasant's 

lives. Thus,  it  is very unlikely  that a country without agricultural policies will be able  to allow  the 

rural population to get access to electricity. As will be set out below, rural electrification in almost 

all Western countries  in the mid‐20st century was developed  in parallel with agriculture with  the 

aim of modernizing the countryside and increasing agricultural production ratios. 

Finally, it must be taken into account that rural electrification especially addresses a particular part 

of  society,  the  peasants.  They  have  been  historically  constituted  as  an  independent  economy 

characterized by the fact that the peasantry has always supported itself. The peasant community is 

the most aware class with  regard  to  its economy, which determines  the decisions  that  they  take 

daily.  The  difference  between  a  peasant  and  other  society member  is  that  the  former  knows 

perfectly what he obtains  from his work: he produces what he needs  to  live and  the  rest of  the 

production can be a surplus value when sold on. On the other hand, a worker from the "standard" 

society never knows  the  real value of  the product of his work. Thus,  is  important  to  realize  that 

giving access  to electricity  to  rural people means an  incursion  from  the macro‐economy  into  the 

peasant  economy,  with  all  the  difficulties  involved  (resistance  to  change).  For  example,  rural 

inhabitants from countries like Morocco are not familiarized with public services such as electricity, 

and it is difficult to admit concepts like the payment of monthly fees or the long term contracts, or 

contractual rights and obligations. 

To  better  understand  the  phenomenon  of  contrast  in  the  development  of  rural  electrification, 

which prevails both  in  the effort  to electrify and  the problem of electrification,  there  is nothing 

better than referring back at the origins of rural electrification in the Western countries carried out 

during the twentieth century. 

 

Page 22: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

10 

1.2 THEORIGINSOFRURALELECTRIFICATION

1.2.1 Theappealofelectricity

1.2.1.1 Startofthemarketingofelectricity.The1881ParisExposition

Electricity and its applications have fascinated humans since the beginning of the industry over 130 

years ago. When  today a peasant  family without access  to electricity  in an  impoverished country 

finally gets access to it, the ability to marvel at the optimum quality of electric lighting in addition to 

the possibility of using appliances like TV or mobile phone must be very similar to that experienced 

by our ancestors in the late nineteenth century. 

It  may  be  argued  that  the  commercial  inception  of  the  electrical  industry  began  with  the 

International Exhibition in Paris in 1881, exclusively dedicated to electricity, that brought together 

many  of  the  inventors  and  industrialists  from  the  emerging  sector  at  the  time  to  exhibit  their 

creations  and  show  them  to  the  world  (Figure  3).  It  was  the  closest  thing  to  what  we  now 

understand  as  an  industrial  exhibition.  It was  attended by over  600,000  visitors  and had over  a 

thousand exhibitors (including Thomas A. Edison, Joseph W. Swan, Zénobe T. Gramme, A. Graham 

Bell, William Thomson, etc), 19 of whom came from Spain [32].  

 

Figure 3: Overview of the International Exhibition of Electricity, Paris 1881 (appeared in Nature, 1881 second quarter) 

Inside the Palais de l'Industrie, which then occupied the place where now stands the Grand Palais 

des Champs Elisées,  the  latter built  to host 1900 Universal Exhibition, all  kinds of  inventions  for 

electric power generation,  transmission and application were exhibited,  from a  lighthouse, boats 

and  even  an  airship  driven  by  electric  motors,  submarine  cables,  telegraphy  apparatuses, 

electrochemical  batteries,  electric  stoves,  large magneto‐electric machines, microphones,  trams, 

etc. 

Page 23: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

11 

But surely, there were two applications which caused more excitement: the phone and lighting. On 

the  latter,  the Spanish magazine "La  Ilustración Española y Americana" published  in  reference  to 

the Paris Exhibition the following [32]: 

"On the bottom left, there are all the known generators: steam, gas, or by means of batteries. Further, a series of powerful gas engines or steam, which set in motion the dynamo‐magneto‐electric machines of Gramme, Lontin, Siemens and Meritens, which send torrents of electricity to  the  lamps  of  various  systems, which  shine  splendidly  inside  the  Palace with  the most brilliant clarity that human industry has ever produced and with the astonished gaze of man has ever seen." 

Thus, electric lighting was the first application of electricity that amazed humanity and became the 

engine  of  development  and  expansion,  thus making  other means  of  artificial  lighting  practically 

inconceivable. 

1.2.1.2 Firstpublicsupplyofelectricityinaruralsetting:Godalming1881

Coinciding with  the 1881 Exhibition  in Paris, and one year before  that  the  famous electric power 

plant of Pearl Street  in New York (September, 1882) was  inaugurated,  it took place  in September, 

1881 in Godalming (England) the first experience in the rural supply of electricity on record, built to 

provide  street  lighting  for  the  town,  and  replacing  the  existing  gas‐lighting  system.  In  the  last 

quarter  of  the  nineteenth  century,  electricity was  perceived  by  society within  the  realm  of  the 

"scientific". The  fact  that  it was applied  in a small  town of only 2,000  inhabitants caused a huge 

interest around  the country. The power generation genius system and  the welcome given by not 

only  the  local and  surrounding population, but also by  the press, because of  the good quality of 

lighting  [33],  started  the paradigm of what electricity would mean  for humanity  throughout  the 

coming  century.  However,  the  enormous  expectation  of  the  pioneering  system  and  its  initial 

success had to deal with its technical immaturity and despite the enthusiasm of its promoters, the 

private company of electricians Calder & Barnet, eventually abandoned its contract with the Town 

of Godalming, which  in  turn was  taken over by  Siemens  and  after numerous problems,  causing 

continuous and repeated outages, Godalming went back to gas lighting only 2 and a half years after 

the start of the new experience. Electricity would come back to Godalming  in 1904 and this time 

would be forever. 

1.2.1.3 Theurbandevelopmentoftheelectrification

Electrification  applied  to  lighting  was  really  confined  to  the  big  cities,  whose  beginnings  were 

marked by the fierce competition against gas‐lighting, but the rapid popularity of electricity and its 

great reception brought about its rapid expansion.  

The  first  urban  experiences  of  using  electricity  did  not  go  beyond  being mere  exhibitions.  For 

example  the  lighting  of  Puerta  del  Sol  in Madrid  in  1875,  or  in  1878,  to mark  the  engagement 

between King Alfonso XII and his cousin Maria de  las Mercedes  (who was only 17 years old. She 

would die of  typhus  just  five months  later, giving  rise  to  the  famous  legend of  the  love between 

them and the traditional songs that have survived in popular heritage), or other more extravagant 

events,  like  the  first  night  bullfight  with  not  very  good  results  in  1879,  which  "La  Ilustración 

Española y Americana" would outline [32]: 

"If the shadows of our grandparents hold bullfight functions in the Otherworld, they should be 

very similar, because what we saw was a show of silhouettes." 

Page 24: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

12 

In the late nineteenth century, European cities were equipped with a gas lighting service operated 

by  private  companies.  The  pioneers  of  electrification  were  also  private  companies,  and  after 

electricity  superseded  gas  lighting, many  gas  companies  turned  to  electricity.  Thus  emerged  a 

network of companies that obtained concessions (from municipalities) to illuminate streets or even 

whole  neighbourhoods.  The  companies  employed  steam  engines  and  alternators  installed 

wherever  they  could  (rented  basements,  cellars,  etc)  to  power  the  street  lights.  Very  soon, 

theatres, cafes, public buildings, and later dwellings, would also be electrified which led to complex 

commercial competition between  the numerous electric companies  (Figure 4), generating a price 

war in order to win customers.  Electrical distribution was born, therefore, as a totally private and 

decentralized system. 

 

Figure 4: Electricity sales advertisement appeared in an early 20th century newspaper from Barcelona  

1.2.1.4 Theworld'slargestindustryemerges:theelectricalindustry

The development of  the electricity  supply  industry was possible  thanks  to private equity, closely 

linked  to  the European  industry.  In  the case of Spain,  the  first electric company, also  founded  in 

1881, was  the  "Sociedad Española de Electricidad", with a  company's  share  capital of 20 million 

pesetas, and created by D. Tomás Dalmau, who owned an "optics and physics" shop  in Barcelona, 

and who had previously  introduced  the Gramme machine  in  Spain  in 1873, which  subsequently 

obtained a license for manufacturing. 

The  "Sociedad  Española de  Electricidad"  installed  a multitude of  electrical  supply  equipment  for 

public and  interior  lighting  in many cities  in Spain, especially Barcelona and  its surroundings, even 

overseas  (Cuba  and  the  Philippines)  and  navy warships.  The  representative  of  the  company  in 

Madrid, who was also a partner, the engineer and inventor Artilleryman Colonel Isodoro Cabanyes, 

had  already  equipped his  atelier with  electricity  in  1881  for  lighting  and motive power. He was 

responsible for many of the first electrical project demonstration  in Spain.  It  is worth mentioning 

that  Cabanyes would work  some  years  later  on  the  use  of  solar  energy  for  decentralized  rural 

applications in the field of agricultural irrigation, firstly through a "solar reflector system" (Figure 5) 

and afterward with the "solar air engine" [34].  

The company was taken over in 1894 by the German company Allgemeine Elektrizitäts Gesellschaft 

(AEG) who founded the "Compañía Barcelonesa de Electricidad"  in the same year [35, 36, 37, 38, 

39]. 

Page 25: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

13 

 

Figure 5: Cabanyes's solar reflector. It appeared in 1890 in the magazine La Gaceta Industrial [34] 

Electricity  generation,  initially  produced  by  means  of  the  steam  engine,  made  the  leap  to 

hydroelectricity, which meant a  reduction  in  the costs of production and consequently electricity 

tariffs, initiating the development of large electrical distribution networks. 

This new  situation  led  to  the need  to make major  investments  in  the  construction of dams and 

reservoirs,  artificial  waterfalls,  high  voltage  distribution  lines,  etc.  However,  the  enormous 

investments necessary could not be covered by the  limited national electric companies, nor even 

the public administration, so since the very early days, the electricity industry in Spain, which in the 

1930s  was  the most  important  in  terms  of  investment,  exceeding  that  of  the  rail  and mining 

industries, needed the  intervention of  international  investment holdings to meet the costs of the 

rapid development of the electricity sector. In the early 1930s all European utilities were already in 

the  hands  of  roughly  20  companies,  thus  shaping  what  would  later  become  the  paradigm  of 

centralized electrification [36]. 

1.2.2 Thebeginningsofruralelectrificationanditsproblemofprofitability

After  the  introduction  of  use  of  electricity  in  the  cities,  the  Spanish  countryside  showed  little 

interest  in  the new  technology. However,  the public administration  considered electricity as  the 

panacea  for  the 3 major  rural problems of  the Spanish post‐civil war years  [40]: unemployment, 

poverty and the consequent rural exodus. However, access to electricity in the countryside had to 

face  two major obstacles:  "the  enormous  cost of  setting up  the  transmission and distribution of 

electricity" and  the  lack of  interest of  the  rural population  towards  technological  innovation. The 

first problem was  solved  through  subsidies  and  as  regards  the  latter,  Luis González Abela  in his 

book "La Electrificación Rural, Problema Nacional " published in 1942 described the problem in thus  

[40]: 

"... there is only one way to overcome it, which is a very active advertising through pamphlets, daily and technical press, radio, cinema and whatever means possible, which will highlight the transcendental  benefits  that  would  result  giving  access  to  electricity  to  our  honoured peasants, because there  is no reason for them to be second‐class citizens and because they did not commit any offense in having born in the countryside ... " 

Page 26: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

14 

An example of  these  transcendental benefits was cited  in  the Congress of Rural Electrification  in 

1948, held at the School of  Industrial Engineers of Madrid  [41],  in which the  importance of using 

radio receivers  for the Spanish peasant was mentioned: 

"...  [the peasant]  isolation  is broken  in  this way. He belongs  to  the great human  family. He can cultivate his Spirit,  increase his knowledge, participate  in the national  life and enjoy the artistic beauties of music whenever he wants. Not enough can ever be said about the benefits of radio in the life of an isolated peasant. " 

Much  less documented  than urban electrification,  rural electrification was  carried out  in parallel 

with  the urban, but with  a different  approach  and  significant  limitations. On  the one hand,  the 

existence  of  small waterfalls  that were  used  in  the  flour mills,  saw mills,  foundries,  etc, were 

exploited by means of small generators (dynamos) to provide electricity to small towns. Again, the 

origin of  the  electrification  system,  like  the urban  one, was  absolutely  decentralized.  From  that 

mentioned at the 1948 Congress of Rural Electrification, the following is extracted [41]: 

"The typical electric mill that is used in many towns and all of its electrical industry is known; it  is a  completely  logical  solution, which adequately meets  the needs of  these people.  It  is enough to have a small water flow, provided by any ravine that goes to a canal that carries the water to a small pond. At the foot of it, a turbine with a dynamo and engine is installed, achieving a power of 5 to 20 CV; the latter serves to supply electricity to several towns. During the daytime  it works as mill, and at night, the dynamo supplies  lighting to the town. This  is the reality  for a  large area of  the country, and as  long as the Spanish countryside does not change  its  habits,  what  nowadays  seems  to  be  difficult,  the  National  power  distribution networks and the rural electrification will be superfluous." 

They  were  small  companies  including  municipalities  and  agricultural  cooperatives  which  were 

commissioned  in  the  early  decades  to  deal  with  these matters.  The  technical  and  productive 

limitations of the electrical rural generators, the distribution losses (voltage drops) and the gradual 

increase  in  loads (users added more  lighting points, or appliances every year), caused the electric 

service  to be of very poor quality, with  frequent power outages and  failures of  the generator or 

even  in  the distribution network.  From  the  aforementioned 1948 publication,  the  following was 

cited [41]: 

"... the technical solution for creating small local power plants or, at most, at a regional level, installed  in waterfalls  that are built ad hoc or even using already existing mill and  sawmill facilities, is usually not effective, unless, even within modesty of the installations, their energy power  far exceeds that required for the loads."  

At  the  time,  the  notion  of  critical mass  of  users  that would  allow  to  a  company  to manage  an 

electrical network with an economic return was already mentioned [41]: 

"... the towns where electrical  lighting has not yet arrived, not only will not give profits but losses, even if the facilities were freely outsourced to the nearest distributor, as the expected revenue would be 75‐100 pesetas   per month on average at current  tariffs, because  towns have  between  15  and  40  neighbours, most  of  them with  poor  access,  and  therefore  the operation of electrical services is very expensive." 

"The  solution must  be  sought  permitting  the  rural  distributors  to  apply  an  adapted  tariff throughout  its  region.  In  this way, while  tariffs  remain moderate  for  the  entire  electricity rates, the distributors can increase it to get the real rural electrification in the area that they 

Page 27: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

15 

manage. So these new rates shall be applied to the rural market in which villages with up to 2,000 subscribers must be included. " 

 Another  singularity  of  the  rural  electrification,  which  directly  affects  the  problem  of  the 

profitability should also be noted:  the collection of  the user  fees. Given  that  the peasant and his 

family  spend most of  the daylight hours  in agricultural activities,  it  is most  likely  that  collectors, 

when they visit their customers will not find anyone at home, so the already high cost of moving 

around  remote  regions  is  increased  as  they  have  to  return  repeatedly.  In  this  regard,  another 

extract from the 1948 Congress is shown [41]: 

"Collection of receipts.‐ currently, they are charged at home, which is very expensive because the collector does not always find all the neighbours at home, so he is bound to make several trips, and very likely he may not be able to complete the collection." 

As  a  result  of  this  historical  evidence,  it  can  be  argued  that  some  of  the  problems  that  rural 

electrification  had  to  face  in  the  first  half  of  the  twentieth  century were  based  on  the  lack  of 

profitability for the utilities, due to the high costs of infrastructure (network extensions), no return 

on  investment  (very  low  consumption  of  electricity)  and  insurmountable  operation  and 

maintenance  tasks  (remote  and  dispersed  customers  and  difficulty  in  managing  users'  fee 

collection).  As will be seen below, these problems have remained to date. 

1.2.3 Ruralelectrificationtomodernizeagriculture

In 1932, during the Second Spanish Republic, the Instituto de Ingenieros Civiles (now known as the 

Instituto de la Ingeniería de España [42]), organized a series of conferences on rural electrification 

dedicated  to  electrical  energy  applied  to  agriculture,  where  in  a  somewhat  visionary  way  it 

addressed the tilling of the land by means of electric machines, in addition to the "electroculture of 

crops"  (direct application of electricity  to the crops  to  influence  their development). The  focus of 

the conferences was the French experience, which had already almost 40,000 electrified towns and 

used  the  "electric‐tiller"  (Figure 6)  for agricultural work  in France,  its Protectorates and Colonies 

[43]: 

"... the Gas Lebón Company, in Algeria [...] had decided to give a subsidy of 300,000 Francs to private farmers and agricultural cooperatives that purchased electric‐tillers of more than 100 H.P." 

 

Figure 6: Electric‐tiller with cable winch, owned by the Société Générale Agricole (SGA). Photo from [43] 

Page 28: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

16 

It is known that later, during the second half of the twentieth century, the engine of development 

of  rural  electrification  were  policies  focused  on  agricultural  modernization,  carried  out  in  the 

European post‐war as a means of activating the European economy. 

"...  to  turn electrification  into a profitable activity,  it must  cover electric‐tilling, harvesting, threshing and other available operations using electric motors ..." [41] 

Thus, the idea was to extend the grids, at the time fed by large hydraulic and thermal power plants, 

toward farms with the aim of  increasing crop yields through the use of new electrical equipment. 

However, the private companies, which had flourished within urban electrification, did not perceive 

the  same  business  opportunity  in  rural  electrification  that  had  it  had  seen  in  the  cities,  for  the 

aforementioned reasons. 

1.2.4 Publicsubsidiesforruralelectrification

Then government  intervention was required through  incentives for both the utilities and the rural 

users in order to make the rural electrification attractive to them. In most Western countries rural 

electrification was  achieved  through  grants  and  loans  provided  to  the  electricity  companies  to 

ensure a return on the  investment, and carrying out awareness campaigns addressed to the rural 

population to ensure a minimal electric power consumption. 

For example, the US created a rural electrification agency (the Rural Electrification Administration ‐ 

REA) with  the aim of  funding  the utilities  that were electrifying  the  rural areas  [44, 45].    In  the 

1930s, the US administration launched a promotional campaign aimed at encouraging the peasants 

to use  electricity  (at  the  time  they were  reluctant  to  pay  for  an  electric  service  that never had 

needed before) for different domestic appliances and machinery for agriculture and livestock farm 

work (Figure 7). 

 

Figure 7: Two of the advertisements that the REA agency used for electrification promotion in the 1930s to increase awareness among the rural population on the benefits of electricity. 

Page 29: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

17 

Thanks to this campaign, an electrification rate close to 100% in US was attempted in few decades, 

which contributed  to popularizing  the use of domestic appliances,  such as  television, oven,  iron, 

bread machine, vacuum cleaner, etc, which would  later be exported all over the world. It had the 

same  impact  on  agriculture,  and  the  consequent  employment  of  sophisticated  electrical  power 

tools. 

1.2.4.1 Publicsubsidies:TheSpanishPLANER

In 1974, in Spain, more than 900,000 rural people still lacked access to the public service electricity 

lines (over 6% of rural population). Giving access to electricity to that remote population meant a 

huge  investment  and  negative  profitability  because  of  the wide  dispersion  and  low  purchasing 

power of  the population. The 1973 National Electrical census  indicated  that while  the density of 

subscribers in urban areas was 116.68 per km2, in rural areas it was 11.42 per km2. Moreover, while 

the mean urban consumption was 6,244 kWh/year (per dwelling), the rural rate was 885 kWh/year, 

i.e. the rural household consumption was 7 times lower than the urban one and the dispersion of 

the dwellings was 10  times higher, what meant  that  the  rural electrification costs were 70  times 

higher than the urban costs [46]. 

Although  most  of  the  electricity  companies  in  Spain  were  private,  the  Spanish  government 

launched the rural electrification plan, PLANER in Spanish acronym, [47] with the aim of providing 

access to the non‐electrified rural population, upgrading rural power grids and contributing to the 

increase in agricultural and rural electricity consumption. The programme was carried out between 

1976  and  1989.  Just  from  1982  to  1989  [48],  the  amount  of  these  subsidies  reached  32  billion 

pesetas (more than €700 million at current rates [49]).  

In parallel to the modernization and extension of the conventional power grids,the first experiences 

in  decentralized  electrification  was  carried  out  in  the  1980s  by means  of  renewable  energies, 

promoted by the National Institute for Reform and Development (IRYDA in Spanish acronym) within 

the PLANER programme. Around 3 million ECU (European Currency Unit) were dedicated between 

1982  and 1985  (€4.6 million  at  current  rates,  applying  inflation  rate)  to  install more  than 2,200 

photovoltaic systems [50] in dwellings from decentralized areas. 

1.3 REVIEW OF THE DEVELOPMENT OF THE PHOTOVOLTAIC RURALELECTRIFICATION

1.3.1 Introduction

During the second half of the nineteenth century, the rising cost of coal  led to the exploration of 

other alternatives to replace the coal in industrial applications where thermal processes intervene. 

That was how the French professor M. Augustin Mouchot developed his solar thermal system, later 

perfected by the engineer Frank Shuman  in US  in the early twentieth century [51] (see Figure 8). 

After the First World War, oil prices dropped dramatically, putting an end to the new global energy 

paradigm  based  on  this  fossil  fuel  while  technological  initiatives  based  on  solar  energy  were 

abandoned. 

Page 30: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

18 

 

Figure 8: Left: 1878 Universal exhibition in Paris. First parabolic trough solar collector developed by Mouchot in 1866; right: First solar‐generating plant set up in 1913 in Egypt at Maadi by Frank Shuman 

The use of solar energy was absolutely forgotten for 6 decades until the 1970s, when the oil crises 

of 1973 and 1979 shook the entire energy sector. Then the emerging photovoltaic technology, at 

the  time  restricted  to  aerospace  since  in  the  50s,  Bell  laboratories  in  US  developed  the  first 

photovoltaic cells, making the jump to terrestrial applications. This coincided with the first steps in 

the manufacture of  silicon cells at a much  lower cost  than existed  to date  (in 1971,  the price of 

silicon photovoltaic cells for the aerospace industry was $100/Wp [51]).  

Since  then,  the  use  of  photovoltaics  was  conceived  as  a  possible  solution  to  electrification  in 

remote  areas.  On  the  one  hand,  the  solar  resource  is  available,  to  a  greater  or  lesser  extent, 

everywhere  in  the World and on  the other hand,  the photovoltaic module  is an element of high 

reliability and long life, which makes it ideal for use in isolated areas. 

Despite  these  two  great  qualities,  there  have  been  other  factors  that  have  played  against  the 

supposed  "idealism"  of  the  photovoltaic  technology,  such  as  high  costs  or  low  reliability  of  the 

other  system  components. These negative  factors have been evolving during  the 40 years of PV 

history  thanks  to  the  efforts  of  industry,  researchers,  installers  and  especially  the  users,  who 

throughout the world have been the great laboratory of the decentralized PV electrification. 

1.3.2 TheSolarHomeSysteminPhotovoltaicRuralElectrification

Although the global PV market is currently shared by around 99% dedicated to the grid‐connection 

and only 1% (see Figure 9) to off‐grid applications, the use of PV technology in stand‐alone systems 

was, until  2000,  the most  extended  application, mainly  to provide  electricity  (lighting  and  small 

appliances)  to  rural  homes  through  the  so‐called  solar  home  systems  (SHS).  The  PV  rural 

electrification  is currently growing annually at a rate greater than 20% [52]. For example, the off‐

grid  PV  systems  power  installed  in  2013 may  have  been more5 than  600 MW  (with  500 MW 

installed in China alone) [53]. 

                                                            5 The author have not found any source reporting reliable data about global off‐grid PV markets 

Page 31: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

19 

 

Figure 9: Evolution of the off‐grid and grid‐connected global market. The worldwide cumulated PV installed power at the end of 2014 was 177 GWp 

The  solar  home  system  has  been  the most  used  concept  for mass  electrification  of  houses  in 

remote areas, versus  the  centralized PV  systems  (pure or hybrid power‐plants) or commonly  so‐

called mini‐grids (Figure 10). 

 

Figure 10: Left: Village electrified by SHSs; Right: PV off‐grid power plant (both in Morocco) 

The  idea  in favour of SHS argues that PV users  invariably consume more electricity when they are 

not personally  responsible  for  the  system. This  concern  is  linked  to  the  capacity and  size of  the 

systems,  to which  the  operation  and maintenance  factor  could  be  added.  The management  of 

collective structures (need of local organizations, agreements, etc) seems to be more difficult than 

individual  systems. However,  SHS has  also been  imposed  versus  the mini‐grids  for  the  following 

reasons: 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

% Grid‐Connected % Off‐Grid Cumuled GWp GWp

Page 32: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

20 

Standardization. The same design can be used in different homes or applications of similar ranks, which makes it easier for engineers, developers and installers; 

Geographical spread. SHS can be applied in both dense and sparse populations. Mini‐grids are justified only in geographically dense villages; 

Local availability of spare parts. SHS components are more standardized than those of mini‐grid  power  plants,  so  it  is  easier  to  find  spare  parts  locally  in  countries where  PVRE  is developed, such as electrochemical batteries, regulators or light bulbs adapted to the SHSs. 

An SHS is typically made up of (Figure 11) a small PV generator (35 – 100 Wp), a charge controller, 

an electrochemical lead‐acid battery, several lamps and DC plugs to connect low loads, such as TVs, 

radios or mobile phone chargers. These systems are usually set up to a 12 Vdc output [54]. 

 

Figure 11: Left: Solar Home System electric scheme, right: PV module of the SHS on the dwelling roof 

Even  though photovoltaic  technology applied  to  rural electrification has  reached a solid maturity 

after 40 years of development, it still faces several problems, some of which are dealt with in this 

thesis. These problems  involve not only  the body of  the  technology  itself,  the SHS  (what we are 

going to call hardware), but they mainly affect the management of decentralized services  in rural 

electrification (known as orgware). 

To understand this issue we consider the two approaches presented below: 

1.3.3 SHS:electrificationsystemordomesticappliance

Taking  into account  the millions of SHSs  that are  installed  in  the world,  it  can be  said  that  they 

consist of a standardized assembly of basic components (generator, charge controller, battery and 

loads). The user, in accordance with his economic resources, can purchase an SHS, and even install 

it  himself  in  exchange  for  an  equipment  warranty.  This  is  something  very  similar  to  buying  a 

domestic appliance. 

To refer to an SHS as an electrification facility, similar to the conventional power grid, it must satisfy 

certain requirements, which make it equivalent to the electric power grid. 

The  electrical  service  from  the  conventional  power  grids  is managed  by  large  companies  that 

ensure the supply through a strong system of generation, transmission, distribution and O&M. The 

resources  of  these  companies  range  from  sophisticated  media  and  control  management  to 

departments  with  specialized  technical  staff,  mobility  and  transport  capabilities,  intervention 

Page 33: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

21 

protocols,  etc. A  similar deployment of  resources  is used  for  commercial  issues,  for  example  to 

ensure  the collection of  fees  to end users by means of precise energy meters, switches  to which 

only the companies can access, direct debit payments, billing departments, etc. 

In PVRE, it is difficult to obtain these sophisticated, large and effective management tools, perhaps 

due to the  limited size of most of the PVRE programs, when compared with the grid, which does 

not  apparently  justify  the  necessary  investment.  While,  in  general,  some  PVRE  programs 

demonstrate meticulous care in terms of the quality of the devices, they pay little attention to the 

management mechanisms that must ensure the operation and maintenance of the SHSs. So it can 

guarantee the quality of the PV system but not its sustainability. 

As  a  response  to  this  problem,  many  electrification  experiences  have  considered  PVRE  as 

something further from a service notion and closer to a domestic appliance. Thus, the figure of the 

service manager is replaced by the figure of the sales and guarantee manager. This model is a copy 

of  the  common  domestic  appliance  market,  which  has  the  peculiarity  that  it  has  been 

institutionalized within the rural electrification field. 

As an example for purposes of illustration, PVRE can be compared to bicycle hire services that exist 

in many European cities. The purpose of this service  is to provide mobility to citizens by means of 

bicycles. The bikes are apparently  similar  to  those  that we have at home, but  they have  certain 

special features, such as the automatic identification codes for tracking, parking anchorage devices, 

etc, which make them different and adapted to a management system. The user rides the bike just 

like a normal one, but in parallel to a registration system, subscriptions, card payments, etc. Behind 

it there is a complex (and usually expensive) management system that allows the concessionaire to 

carry  out  the  O&M  of  bicycles  and  renting  facilities,  and  to  collect  the  leasing  charges  with 

guarantees (obviously the correct use of bicycles and the collection of fees  is not  left to the good 

faith of users). 

To date it has been usual in PVRE for, even in programmes configured as electric service, the SHS to 

be  set  up  in  a  similar  way  to  the  bicycle  that  we  have  at  home,  in  accordance  with  the 

aforementioned  example.  Thus,  the O&M managers  of  these  systems  do  not  have  any  tool  to 

manage the service offered to their customers and there is no choice but to trust in the honesty of 

thousands of SHS's users. 

The result of this fact is the well‐known dilemma about whether an SHS is a domestic appliance or, 

on  the  other  hand,  an  electrification  system  comparable  to  the  conventional  one  [55].  If  the 

tendency is to achieve the universality of the access to electricity rights, the SHS cannot be a simple 

appliance purchased by the user from any dealer. If the SHS is a real electric supply system, its set 

up cannot be simplified to the minimum required components, and in the same way as the public 

service  of  bicycle  renting,  it will  need  hardware  (the  SHS)  adapted  to  the management  system 

(orgware)  to provide  the necessary  tools  to administrate  the O&M and allow  the user  to benefit 

from a service with the same guarantees given by conventional electrification.  

1.3.4 PVREastechnologicalsystem

As regards the photovoltaic rural technology, understood as a system [56], from a holistic point of 

view it consists of three dimensions (Figure 12): 

Page 34: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

22 

The  hardware  (HW),  that  refers  to  the  system material  body:  the  SHS,  its  components,  quality, 

lifetime, reliability, cost, etc.  

The software (SW) is about the use of the system by the user: the consumption, the time of use of 

each appliance, the signals of the charge controller and reaction of the user, etc. 

The orgware (OW) is the organization model of the rural electrification programme, which provides 

the  electricity  service  to  the dwellings.  In  this  regard  it  is  taken  into  account on  the one hand, 

whether  the programme  is developed  through  subsidies,  credits,  cash  sales or a  fee  for  service, 

among others. On  the other hand,  the orgware dimension deals with programme management, 

from marketing  and  installation  of  the  SHSs,  to  the  "after  sales"  service  and  the  operation  and 

maintenance. 

 

Figure 12: Hardware, software and orgware interactions in the photovoltaic rural technology system 

This  scheme,  proposed  and  analyzed  for  technological  systems  by  the  Ukrainian  Gennady  M. 

Dobrov [57] in the late 1970s, has certain peculiarities concerning the 3‐dimension interaction. One 

of  them  is  that,  traditionally  in  technical  innovation, more  attention  has  been  paid  (and more 

resources dedicated)  to  the HW  and  SW  than  the OW.  This negatively  affects  the  technological 

system’s sustainability. The orgware, defined by Dobrov as "a set of organizational arrangements 

specially designed and  integrated using human,  institutional and  technical  factors  to  support  the 

appropriate interaction of the technology and the external systems", plays a key role in photovoltaic 

rural  technology,  which  has  been  underestimated  throughout  PVRE  history  and  currently  still 

suffers significant deficiencies.  

The element that perhaps has evolved most in the PV rural system has been the hardware, both in 

the  quality  of  the  SHS  devices,  and  adaptation  of  international  standards,  and  recently,  in  the 

dramatic reduction in market cost. 

•SHS components•Quality•Prices•Reliability•Installation

•User SHS know‐how•Consumption

•SHS interface•User manual

•Financementmodel (subsidies, credits, cash sales, fee for service, etc)

•Normes, tenders, engineering•ESCO: marketing, installation, O&M, fee collection•Internal skills and training•Management structure

•O&M management and costs

•Datalogger•Monitoring•Prepayment system•Technical standard•Spare parts

•Enquiries•User skills•Fee payment•O&M fees•Maintenance service

HARDWARE

ORGWARE

SOFTWARE

Page 35: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

23 

Second, the development of the software dates back to the beginnings of PVRE, when the task of 

accommodating  the  needs  and  abilities  of  users  to  the management  and  operation  of  the  PV 

systems was  the  first  requirement  for  the successful  implementation of  this  technology. This has 

remained until today, constantly adapting to new hardware advancements. 

As regards the orgware, despite its developmental delay in PVRE, some of the factors that integrate 

it have  reached a high degree of maturity. Several management and organizational models have 

been well described  in the  literature and applied  in the field, especially since the 1990s, and they 

have been studied in depth by recognized international organizations such as the World Bank [17, 

58, 59, 60, 61, 62, 63, 64] or the  International Energy Agency [65, 66, 67]. However, the orgware 

has had several weak points during the development of PVRE, as will be discussed below. 

1.3.5 EvolutionoftheHW,SWandOWinPVRE

1.3.5.1 The1960sand1970s. Hardwaredevelopment:reliabilityandcost‐effectivenessindecentralizedruralelectrification

The first terrestrial experiences of PV technology date back to the 1960s when Japan began to use 

it  in maritime applications  (light beacons, communications, etc)  [68]. Paradoxically, oil companies 

such as Exxon, Texaco and Shell, among others, pioneered  the use of photovoltaic  solar energy. 

These companies had equipped their platforms  in the Gulf of Mexico with  lighted beacons, which 

were fed from non‐rechargeable batteries which were frequently replaced, at an operating cost of 

about  US$2,100  per  replaced  battery.  In  the  1970s,  these  companies  decided  to  change  these 

accumulators for rechargeable batteries with a photovoltaic generator, thus reducing the operating 

costs by 95%. 

It was in 1968, in Niger, when PVRE started formally, through the installation of a system to feed a 

television  in  the  Gondel  school,  close  to  Niamey  [69].  The  experience was  expanded  to  other 

schools until 1977, after  installing 123 PV systems. They were made up of a 282 watt peak  (Wp) 

photovoltaic power generator, a 40 ampere‐hour (Ah) and 32 nominal volt (V) battery, and a charge 

controller to feed a television receiver of 32 W. The cost of these systems was US$3,100 per school 

in  1975,  with  an  estimating  price  of  US$0.12/hour  of  television,  which  meant  US$3.75/kWh. 

Despite  this enormous cost and considering  that  the  lifetime of  the PV  system was 10 years  (PV 

manufacturers  at  the  time  gave  5‐year warranties),  the  solution was  4  times  cheaper  than  the 

option of using high‐capacity alkaline cells, for which the TV receivers were originally designed. 

In the 1970s,   Father Verspieren  in Mali [70], and his organization Mali Aqua Viva [71],  instigated 

the first photovoltaic pumping systems programme for extracting water from wells, in order to try 

to  solve  the  disastrous  situation  of  thousands  of  people  affected  by  the  severe  drought  that 

suffered the Sahel region in those years. The use of PV pumps by Verspieren was the result of years 

of bad experiences with hand pumps and diesel generators because of their low reliability and high 

O&M costs. Mali Aqua Viva carried out the installation of 16 PV pumping systems (reaching a total 

power  of  21.8  kW)  between  1975  and  1980, which was  one  of  the  first milestones  of  PVRE  to 

consolidate  this  technology  as  a  cost  effective  and  reliable  alternative  to  diesel  generators  and 

hand pumps. 

Page 36: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

24 

1.3.5.2 FirstpromotionandR&DprogramstoreducethecostsofPV

The  oil  crisis  was  the  trigger  for  the  first  political  incentives  for  industry  and  research  into 

photovoltaic technology and its application in rural electrification. As PV was still a technology with 

high manufacturing costs, a  first researching phase  focused on  the cost reduction was necessary. 

Some of these initiatives were as follows: 

In 1975 the Commission of the European Communities financed the first R&D program in the field  of  non‐nuclear  and  non‐fossil  fuel  energies.  It  devoted US$6.4 million  to  photovoltaic conversion  [72],  with  the  aim  of  studying  and  enhancing  the  photovoltaic  cells,  to  later evaluate them in several 5 kWp prototype systems [73]. 

In 1976, the Department of Science and Technology of the Government of India launched their Solar Cell Programme Plan with  the aim of  researching and developing different projects  in areas such as the "development of conventional type single crystal silicon solar cells" to get 7‐9% PV  conversion efficiencies. The programme was motivated by  the  low  rate of  access  to electricity in India (less than 10% of the rural inhabitants). They took PV energy into account as a technological and cost‐effective solution, as alternative to the electric grid extensions. At the time a cost of US$60 billion was estimated to mass electrify 100% of the population at 1 kWp per dwelling [74].  

In  the mid 1970s Mexico had a rural electrification  rate of 35%  (10.7 million people without access  to  electricity).  The  Centro  de  Investigación  y  de  Estudios  Avanzados  of  the  Instituto Politécnico  Nacional  carried  out  some  projects  for  PV  terrestrial  applications  against  the background of  the rural electrification problem.  In 1976  two pilot projects were established: "the demonstration project in educational TV" and "PV for two rural telephone stations", both in the East of the Mexican Rocky Mountains, using PV modules of 7 Wp and 12‐15 V with 10% efficiency [75]. 

In Japan, also in the 1970s, the "Sunshine Project" had the final goal of reducing the cost of  PV by a  factor of 100  through 5  fields of  research:  silicon  ribbon crystals,  silicon  thin  film, new types of solar cells, II‐IV compound semiconductors and fundamental research [76]. 

In the same vein, the UK Department of Industry (DIn), the Science Research Council and the European Economic Community (EEC), started research work in the field of the PV cells in the 1970s a with the aim of reducing the manufacturing costs by half (less than £8/Wp) by means of the development of new manufacturing processes of photovoltaic cells [77]. 

By the mid‐1970s the first pilot projects began, which aimed to direct PV technology applications 

towards decentralized electrification,  integrating the software dimension while  its purpose was to 

electrify remote rural populations: 

In 1976 in the USA, the "PV Stand‐Alone Application Project", led by the NASA Lewis Research Centre  and  the  United  States  Agency  for  International  Development  (USAID),  developed "universal" stand alone PV systems in order to open up a new market for rural electrification in developing countries  for domestic  lighting applications, water pumping, grain mills, etc.  [78, 79, 80, 81]. 

In  1978  The  United  Nations  Development  Programme  (UNDP)  and  the  World  Bank  (WB) launched  the UNDP  funded GLO/78/004 project  to develop small‐scale pumping systems  for water  supply and  irrigation applications  in developing  countries  [82],  including  field  trials of systems in Mali, the Philippines and Sudan. 

Page 37: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

25 

In some forums, such as the "Solar Energy for Development" conference in 1979, Varese (Italy) [83]  the need  for  subsidies began  to be discussed, with emphasis  to  the  fact  that giving PV systems to the users as a "gift" was something quite inappropriate. 

In 1979, during the "Interregional Symposium on Solar Energy for Development" in Japan, the first NASA pilot experiences in the USA and Africa were set out [68]. The key factors related to the reduction in manufacturing costs were shown (between 1975 and 1978 the market price of the PV module had been reduced  from US$35/Wp to US$13/Wp and  it was expected that  it would reach US$0,61/Wp by 1986), together with the high reliability of the PV systems, which would  turn  this  technology  into  a  competitive  alternative  versus power  grids  in developing countries in the short‐term. 

1.3.5.3 The1980s.EvolutionaryconsolidationofHWandSW

After the first initiatives emerged in the 1970s and glimpsed the enormous potential of PV and the 

brilliant expectations of cost reduction in the short and medium term, the 1980s saw the boom in 

PV applications in rural electrification. The 1980s was the decade of the demonstration projects and 

the beginning of the development and evolution of the 3 dimensions of the PV rural electrification 

system together. Some of these projects are listed below: 

Energy Demonstration Programme (EDP). The Commission of the European Communities (EC‐Commission DGXII),  in addition to carrying out  the  first EC projects  in  the  field of energy co‐operation overseas  (Cameroon, Comoros, Syria,  Jordan, Mali, Senegal, etc)  [84],  it  launched the  Energy  Demonstration  Programme  (EDP)  (15.3 million  ECU  [85])  in  the  1980s  and  the THERMIE  programme  in  the  1990s  [86],  from  which  145  pilot  projects  were  successfully established  in European countries,  installing a power capacity of up  to 5.7 MW. 61 of  these projects were devoted to rural electrification. The purpose of the initiatives was to encourage the photovoltaic market, reducing costs and building up a know‐how on key issues such as the quality  and  performance of  the  systems  (hardware),  the  assessment of usage patterns  and interaction with the user (software) and the funding models in rural electrification (orgware). As regards the latter, the successful experience of the French Pyrenees electrification, in which the users created local associations for financing, operating and maintaining their PV systems proved  interesting  [87].  Another  significant  demonstration  project  was  the  PV  rural electrification of dwellings  in Sierra de Segura  (Spain), a remote  location  in  the South of  the country  [88].  It  involved different entities such as the regional utility, two research  institutes and  a  PV  module  provider.  Some  of  the  lessons  learned  were  that  PV  technology  was perceived  by  the  inhabitants  as  a  limited  electric  source  and  they  feared  that  getting  SHS would be an obstacle  to reaching the grid  in the  future.  In addition, they were aware of the need for maintenance and were willing to pay a periodic fee to assure the energy supply [89]. 

4‐year  Energy  R&D  Programme.  Belonging  to  the  EDP  programme,  15  pilot  projects  were carried out with power of between 30 and 300 kWp, reaching almost 1 MWp.  It was carried out  in  decentralized  locations within  the  European  Community, most  of  them  on  isolated islands  such  as  French Guyana, Crete,  Terschelling  Island  in Holland, Corsica, Giglio  in  Italy, Pellworm  in Germany (with a PV power plant of 300 kWp), or Kythnos  in Greece (with a 100 kWp  hybrid  PV‐diesel  power  plant)  [90].  The  evaluation  of  these  projects  gave  rise  to  the publication  of  the  first  IEC  (International  Electrotechnical  Commission)  quality  standards dedicated to terrestrial PV technology through the TC‐82 Committee [91]. 

The Navajo Engineering and Construction Authority ‐ Indian Health Service Home Photovoltaic Power Systems Project provided solar home systems to 191 dwellings on the Navajo Reserve, in the Southwest of the USA. ARCO Solar, the supplier and installer, guaranteed the SHSs to the users for a period of 3 years [92]. 

Page 38: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

26 

An  agreement  between  Spanish  Cooperation  and  Senegal  in  1985 was  responsible  for  the electrification of the Village of Noto  (Senegal), which had 400  inhabitants, by means of SHSs and an 8 kW PV power plant [93]. 

USAID  developed  a  cooperation  solar  project  in  Egypt  to  check  the  performance  of  PV 

technology  applied  to  different  usages,  such  as  water  pumping,  an  ice‐machine,  water 

desalination,  village  stand‐alone  systems  and  grid‐connection.  The  aim was  to demonstrate 

the economic viability and open the Egyptian market to this technology [94].  

Colombia was highlighted  through  a boom  in  PV  technology  applied  in  rural  electrification, with  more  than  6,000  SHS  installed  in  the  mid‐80s  of  the  decade  and  over  10,000 telecommunications systems [95]. 

France began on  its own PV programme  in  the 1980s  for  industrial development  in order  to manufacture PV modules locally reducing costs and creating a national PV market [96]. Several PVRE  projects  were  carried  out  in  some  of  its  islands,  for  example  Polinesia  [97],  New Caledonia, Guadeloupe and the Marie‐Galante Islands [98], even in regions from the South of France  [87]  by  means  of  the  EC‐Commission  DGXVII  programme  (the  Solar  Energy Demonstration Projects), which also financed the provision of PV systems to electrify mountain refuges in the Alps and Pyrenees mountains [99]. 

Some demonstration projects were also carried out  in Spain, for example the 100 kW power plant  in  San  Agustín  de  Guadalix  (close  to Madrid)  [100],  10  kW  in  Caravaca  (Murcia),  in addition to other CEC DG‐XVII projects. However, the development of a spontaneous and non‐demonstration PV market was quite remarkable.    It was  the  largest  in  the world during  that decade, after the United States, with more than 8,000 SHSs installed between 1980 and 1986, which  represented 35% of  the more  than 1.6 MW  installed  in  total  in  the  country  [50, 101, 102]. The other PV facilities were professional applications such as telecommunications (20%) or  holiday  homes  located  in  the  countryside  (40%).  The  Spanish  experience was  studied  in depth by the Insitituto de Energía Solar from the Universidad Politécnica de Madrid (IES‐UPM). For the first time the consumption profiles and usage habits of the SHSs were characterized, which contributed to the software evolution providing a valuable feedback [103, 104]. One of the most revealing conclusions was that, in general, electricity consumption in PVRE was low, which has been a common trend in many other experiences analyzed later in other countries. 

The  software  approach  was  also  studied  in  depth  by  researches  in  Chile  [105],  in  rural communities in the North of the country (the Camarones commune), where several aspects of the  software  were  characterized  such  as  the  different  consumption  habits,  the  available information of the users with respect the use of the system, its maintenance and procurement of  spare  parts,  the  degree  of  satisfaction  in  using  SHSs,  the  adaptability  to  the  electrical applications,  etc.  These  studies  conclude  that  social  aspects  must  be  considered  before formulating and sizing the SHSs to adapt them to real needs and get wide acceptance by the users. 

The  importance  that  the  software  dimension  gained  within  the  technological  system  was 

mentioned  in different studies, which took  into account the sociological factor [106]. Some of the 

failures in the first pilot projects were justified by technical problems, for example the low quality 

of SHS components,  limited size of the PV system or high prices. Instead,  it was common that the 

real problems came from the ignorance of certain sociological factors: 

even  if  the  technology  impact  assessments  were  frequently  carried  out  after  the installation,  the  cases  in which  the  studies were done before  the  implementation of  the projects were few; 

Page 39: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

27 

without  the previous sociological study,  it was difficult  to size  the system adapted  to  the real needs of the future users correctly; 

these deficiencies in the implementation of PV rural projects caused conflicts regarding the existing social structure, so many of these projects were doomed to failure. 

Some  referent  literature  at  the  time  approached  the  need  to  consider  the  maintenance  and 

reliability  of  the  systems  as  the  most  important  criteria  when  formulating  PVRE  projects  in 

developing countries [107, 108, 109]. The efficiency and reliability enhancement of SHSs, as well as 

the need  for  technically qualified  staff  to  carry out  the maintenance  services were  some of  the 

most important issues to ensure the success of the projects. However, this key factor (the orgware) 

was not paid enough attention during the coming decades. 

1.3.5.4 The1990sand2000.Theorgwareevolution

During the 1990s the photovoltaic rural technology reached some maturity that crystallized in new 

programs and projects, mainly in impoverished countries. Many of these electrification experiences 

have been  the  subject of  studies  that have highlighted  the different  financing models applied  in 

each case. The studies published by the World Bank were outstanding, such as the "Best practices 

for photovoltaic household electrification programs" [17], which, based on several real experiences 

in  Indonesia,  Sri  Lanka,  the  Philippines  and  the  Dominican  Republic,  released  the  first 

recommendations  about  the  implementation  of  financing  and  management  models  in  PVRE 

programs (OW), which in theory would ensure their success. 

The outstanding attention given during the 1990s and 2000s to the management models and the 

orgware  in general has been  reflected  in  some  studies  such as  the   Photovoltaic Power Systems 

Programme  (PVPS‐IEA)  [53],  on  the  nature  of  the  institutional  and  financial  framework,  the 

implementation  and  financing mechanisms  used  and  the  level  of  capacity  building  and  quality 

assurance  that  affect  the  success  of  PV  deployment  in  16  different  programs  carried  out  in  16 

countries from Asia, Africa, the Pacific, South America, Middle East [66]. 

The results of many of these studies agreed on the generalized lack of available information on the 

performance  of  SHSs  and  projects.  Some  experts  had  realized  at  the  time  that  "independent 

evaluations of PV projects are  scarce  (and also difficult  to perform),  so, despite  some  interesting 

exceptions [...], data related to technical problems on realities  in the field have rarely reached the 

available literature" [110]. 

As  regards  this concern,  the Netherlands Energy Research Foundation was very conclusive and  it 

made  a  large  assessment  based  on  experiences  from  32  countries  in  Africa,  the  Pacific,  South 

America and Asia. The study was articulated on the basis of the HW, SW and OW [111]. The main 

conclusion  of  the  study was  the marked  lack  of  feedback  of  the  programs  carried  out  and  its 

disastrous impact on the learning curve of the technological system. 

As regards the SHS, in parallel to the proliferation of rural electrification programs, tens of technical 

standards emerged, most of  them  for  local  specific projects. They  served  to define  the  technical 

requirements of these programs. In order to standardize the technical criteria in one standard rule 

that might serve in any PVRE programme, the Thermie B: SUP‐995‐96 initiative, carried out by the 

IES‐UPM and based on already existing  standards made ad hoc  for  real experiences  in  countries 

Page 40: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

28 

such  as  Bolivia,  India,  Brazil,  Kenya,  Indonesia,  etc,  [112]  resulted  in  an  international  quality 

standard for SHSs, which is still used in PVRE programs worldwide [113]. 

Due to this concern about the quality of SHSs, an ambitious in‐field study of batteries working in a 

large PVRE programme was carried out for the first time, with 40,000 SHSs in Mexico, with the aim 

of assessing the performance of previously  installed photovoltaic (PV) rural electrification systems 

[114].  555  batteries  were  analyzed  within  their  first  18  months  of  operation.  Despite  the 

maintenance of the systems being devolved to the users, the study demonstrated that the state of 

the  batteries  was  satisfactory  (only  4%  of  the  batteries  showed  malfunctioning  or  high 

degradation). 

The beginning of the century  led to the assessment of many PVRE experiences carried out at the 

time.  The  most  significant  programs  were  reviewed,  from  which  significant  conclusions  were 

extracted  on  the  financing  and  management  models  that  were  implemented  (OW).  More 

international technical standards for SHSs were published (HW), and the user perception (SW) was 

analyzed in depth [115]. It was thus preparing for the jump to large PVRE programs. 

The  historical  overview  of  the  PVRE  evolution  shows  that  the  orgware  development  during  the 

1990s and the beginning of 21th century was mainly devoted to the role of the financing models. 

The  change  in  scale  of  PVRE meant  the  need  to mobilize  large  sums  of money  to  finance  the 

decentralized  electrification. When mobilizing  funds,  large  financial  institutions  needed  a  good 

definition and structuring of business models, which had just been defined and studied thoroughly, 

with support, for example, from the WB.  

In this way  , the development of  large PVRE programs was possible  in the first decade of the 21st 

century,  for  example  in  Senegal  (10,000  SHS  [116],  where  there  is  currently    an  additional 

concessions programme which aims to electrify the rural regions of the country by means of 18,000 

SHSs  [117,  118]  ),  Ghana  (10,000  SHSs  [119]),  South  Africa  (30,000  SHSs  [120])  the  PERG  in 

Morocco (51,000 SHSs [121]), Sri Lanka (20,000 SHSs [122, 123]), Nepal (110,000 SHSs [122]), India 

(the Remote Village Electrification Programme has equipped more than 10,000 villages by means of 

SHS and PV power plants as of 2013 [124]. Kenya and Tanzania (more than 320,000 SHSs have been 

installed  in Kenya and more than 40,000  in Tanzania as of 2013  [125, 126]), China  (from 2002 to 

2007, more than 400,000 solar home systems were sold in north‐western China under the US$316 

million World Bank/Global Environment Facility‐supported Renewable Energy Development Project 

(REDP)  [127]). Also  in  Latin America  some  large  programs  have  seen  the  light  [119],  such  as  in 

Bolivia (60,000 SHSs), Honduras (5,000 SHSs), Peru (10,000 SHSs), Dominica Republic (3,000 SHSs) 

or Argentina (30,000 SHSs).  

But among all  these experiences,  it highlights  the case of Bangladesh  [128, 129, 130, 131]. From 

mid‐2000 to May 2013 over 2,000,000 SHSs were  installed [132],  in a power range of between 30 

Wp and 75 Wp per SHS. In 2013 the  installation rate was 1,000 SHSs/day, therefore at the end of 

2014  the  operational  SHSs  could  have  got  around  3,000,000  SHSs  [133].  This  programme  is 

currently the most important in the world in terms of volume. It has been developed under a credit 

sales model.  The  keys  to  its  success  are  found  in  the  correct  balance  of  the HW,  SW  and OW 

dimensions, highlighting an economically affordable HW for users which is also sized to meet their 

needs; an efficient microcredit funding system which is well supported by solid institutions; and an 

O&M structure based on the creation of local employment through the training of technicians. 

Page 41: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

29 

Therefore  it  is evident that the "financial model" factor has been developed  in depth  leading to a 

worldwide phenomenon of investments, loans, financial products, etc. that has allowed the leap in 

scale of PVRE programs in terms of size, which is manifested by the millions of SHSs installed in less 

than 15 years worldwide (some studies estimate more than 5 million [134]). 

1.3.6 StateoftheartoftheHW,SWandOWinPVRE

Throughout the history of PVRE, rural photovoltaic technology has evolved in the three dimensions 

(HW, SW and OW) as summarized below: 

1. The SHS (Hardware) 

‐ PV modules. The most used PV technology at the beginning of PVRE was amorphous silicon (a‐Si), which was rapidly replaced by crystalline silicon (c‐Si), up to now. Other technologies such as thin‐film, CdTe, etc [135] have not still found an application niche in PVRE. The c‐Si PV module has reduced its cost by 95% in four decades, has increased its power efficiency by 2.5 (in  2014  an  efficiency  of  25%  had  been  reached  [136]),  and  the  quality  of  the  assembly components  have  been  optimized  (front  glass,  EVA‐tedlar  encapsulate 6 ,  electrical connections, module  insulation, etc) to obtain a  long  lifetime product  (more than 25 years) and  low  degradation  rates  (PV manufacturers  guarantee  currently  80%  of  the  PV module nominal power up to 20 years).  The cost of the PV cells has been reduced from US$100/Wp  in the early 1970s to  less than US$0.36 today  (Figure 13). The photovoltaic  industry has also contributed to this reduction by  lowering  the  production  process  costs,  from metallurgical  silicon  to  the  assembly  and lamination of the PV modules, in addition to the enhancement of its efficiency. 

 

Figure 13: The price evolution of Silicon PV cell (in US$ per watt). Source Bloomberg, New Energy Finance & pv.energytrend.com 

                                                            6 The Ethylene‐vinyl acetate (EVA) and the Polyvinyl fluoride (PVF, known by the trade mark Tedlar®) are two polymers used for PV module encapsulation 

Page 42: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

30 

‐ SHS components (Balance Of System): 

i. The  solar  battery.  The  technology  of  electrochemical  lead‐acid  batteries  has  not significantly changed in 4 decades. The deep‐cycle lead‐acid battery, used in stationary applications such as telecommunications since the 1970s, has been the most adapted battery  for  PV  systems.  However,  the  usual  budget  constraints  linked  to  the  local unavailability of deep‐cycle batteries  in many developing countries has extended  the use of start‐lighting‐ignition (SLI) batteries in PVRE programs due to its low cost.  

In the field of PVRE the most significant progress  in storage technology has been the use of VRLA (valve‐regulated lead‐acid) batteries, known as "free maintenance", which have a gel‐electrolyte, thus they do not require the periodic filling of water to keep the electrolyte. This aspect makes the VRLA very attractive in decentralized electrification as it represents a significant lowering of the maintenance costs. 

The  lead‐acid  battery,  with  over  100  years  of  existence,  has  very  little  chance nowadays to reduce its cost. Rather, the lead, as major component of the battery, is a metal which is becoming more expensive every year. The hope of reducing the cost of the SHS batteries is the development of new technologies, such as lithium‐ion, but this solution seems to be still far from becoming an economically viable alternative.  

ii. Charge controllers. The evolution of this device has basically been an improvement in the control algorithms and adaptation to the SHS‐user system. On the one hand, the electronic  progress  has  led  to  PWM  control  (Pulse‐Width Modulation),  the  voltage thresholds  in charging and discharging considering the temperature and the setup of algorithms presumably adapted to the charge and discharge curves of the batteries. In recent  years  the maximum  power  point  tracker  (MPPT)  technology  [137]  has  been imposed, especially in medium‐sized controllers. On the other hand the user interface is becoming more "friendly" through the  implementation of LEDs and acoustic signals or digital displays from which  information about the battery status, circuit faults, etc. can easily be obtained. 

iii. Lamps. Lighting  is  the main  load  in SHSs. Even  if  lamps are not a part of  the energy generator,  they  become  part  of  the  system.  The  importance  of  lamps  is  that  the performance of the SHS depends on the quality of  its  loads. Typically SHSs run at 12 VDC, so  the  lamps must be adapted  to  that voltage, and  their consumption very  low, according to the size of the SHS [138]. The lamps have evolved from early fluorescent tubes  to  the  later  compact  fluorescent  lamps  (CFL) and  the  current  LED  lamps. This development has led to more reliable lamps, larger lifetime, cost reduction and better quality of lighting [139]. 

‐ Quality:  PVGAP  (Global  Approval  Program  for  Photovoltaics),  IEC  (International Electrotechnical Commission) or Thermie‐B are some of the initiatives carried out throughout the three decades, which have generated a wide set of technical norms and quality standards as  regards  PVRE  [134,  140,  141].  The  IEC  has  published  since  the  founding  of  the  TC‐82 technical committee for solar photovoltaic energy systems  in 1981, the  largest collection of technical  standards  relating  to  both  the  photovoltaic  technology  and  PV  systems  and components.  Specifically,  the  IEC  TS  62257  series  [142]  is  devoted  to  PVRE  and  aims  to provide different players  (such as project  implementers, contractors, supervisors,  installers, etc.)  the  foundations  for  the  setting up of  renewable  energy  and hybrid  systems with AC voltage below 500 V, DC voltage below 50 V and power below 50 kVA.  

The role that these standards have played in PVRE has been called into question by different authors  [110]  due  to  their  effectiveness which  could  often  not  be  demonstrated,  among other  things  because  the  decentralized  nature  of  PVRE  has  not  allowed  the  required feedback  from  these  in‐field  experiences  to  be  obtained, which would  be  necessary  in  a 

Page 43: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

31 

correct process of developing standards. Furthermore, the behaviour of rural users is difficult to standardize, and difficult to simulate in the laboratories.  

By  the mid‐90s, under  the Thermie‐B program, The Universal Technical  Standard  for  Solar Home Systems (UTSfSHS) was released as the result of an ambitious survey of experiences in the field, resulting in a set of standards and recommendations that are still applied today in PVRE programs  (Peru, Bolivia, Morocco,  Tunisia,  among others)7.  The UTSfSHS  guarantees the quality and proper operation of the SHS components as well as proposing easy and cheap quality  control  procedures  to  check  the  SHS  performance  "in  situ",  with  no  need  for prestigious laboratories far from the locations where PVRE programs are developed. 

‐ Installation: as with  the SHS  components,  their  installations and  connections have  to  fulfil several quality criteria  to ensure an optimal performance of  the  system. These criteria are compiled in international standards such as the aforementioned UTSfSHS. This issue was one of  the  first  concerns  that  were  addressed  in  terms  of  quality  at  the  beginning  of  the development of SHSs and has been the object of several publications [143]. 

‐ Reliability: it has been indicated that the PV module is a very reliable device, its failure rate is very  low and  its  lifetime very  long. However, the other components of the system have not enjoyed  the  same  features. For example,  it  is  said  that a battery has a  lifetime of 3  to 10 years, according to some factors such as  its quality, kind of technology or even  its cost. The same applies to the charge controller or  lamps. But,  in rural electrification there  is another factor  that affects  the  reliability of SHS:  the user.  In a PVRE programme with  thousands of SHSs,  the  users'  behaviour  as  regards  SHS will  largely  determine  the  possibility  of  having more or less failures depending on the good or bad use of the system.  

To date, there are no studies reporting the reliability of SHSs working under real conditions and considering the intervention of the user, so this component of the hardware is one of the outstanding pending issues in photovoltaic rural technology. 

2. Use of the SHS (software).  

The trend over the 40 years life of PVRE as regards software has been: 

The user should be familiar with both the operation and the limitations of the SHS 

The SHS interface should be as clear as possible so that the user is able to diagnose the state of operation of the system 

The user must know the procedure to follow in case of failure (warning the ESCO) 

The few reported experiences show that consumption is in general lower than expected but  they gradually grow as users become more  familiar with  the  system and get new appliances 

The  size of  the SHSs  is a  controversial matter  since  the needs perceived by  the users rarely match  those  considered  by  engineers  and  promoters.  For  example,  lighting  is often considered a priority for rural inhabitants, while they may prefer to have access to TV. 

3. The management of the rural electrification programs (Orgware) 

The  good  use  of  SHS  by  the  users  and  their  correct  operation  and maintenance  are  aspects linked  to  how  the  PVRE  programs  are  designed  and  configured  (orgware).  Some  of  the  first experiences devolved the maintenance responsibility to the user, giving very poor results. Other 

                                                            7 Own sources. 

Page 44: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

32 

programs have persisted in this practice by supplementing with a period of warranty service that could be of 2 years or more.  

In  the so‐called  fee  for service model,  in which specialized  technicians are  responsible  for  the maintenance  in exchange  for a  fee  charged  to  the user,  she/he only  receives  training on  the proper  use  of  the  system.  The warranty  and maintenance  falls  to  the  concessionaire  energy service company (ESCO). 

The wide  range of organizational models  [144]  that have been used  to develop hundreds of PVRE programs worldwide in the last 4 decades is due to the presumed well‐intentioned will of their promoters in order to adapt the programs to the social and economic realities of the rural communities. The first experiences were pilot projects, as has been mentioned above, many of which  remained  at  that  stage  and  few  gave  rise  to  large‐scale  projects.  Non‐governmental‐organizations (NGOs)  implemented   programs  in which the SHS was given to the user as a gift, after a technical training addressed to the user in order to be responsible for the maintenance. The experience led to some authors to advise against this practice due to the maintenance not being carried out properly and the SHS not being appreciated enough (simply for being free) by the user and then the SHS had the risk of being abandoned. 

The cash sales model was implemented in the 1990s in Kenya, Tanzania and Uganda [145, 126, 146, 147, 148] with great  success  in  terms of  the number of SHSs  sold. The model has been replicated  in other  countries with varying degrees of  success. This model  treats  the SHS as a domestic  appliance.  To  run  the model  it  is  necessary  for  people  to  have  a  high  purchasing power, which is not common in most rural regions without access to electricity in the world. So, this model  is  geographically  limited.  As mentioned  above, with  the  goal  of  increasing  rural electrification  ratios  by means  of  access  to  lower‐income  households,  a  new  innovation  has been  introduced:  the  pico‐system.  These  systems  are  currently  being  commercialized  in countries where the cash sales model has been successful [149], reaching a target of customers with lower resources. 

Based on the low income of rural inhabitants, this concern has been addressed by micro‐credit schemes. Micro‐credits are usually used  for small business activities, but  they are granted  for SHSs in countries where favourable social and cultural conditions ensure the repayment of loans even if using an SHS is not a profitable activity. This model is running with enormous success in India and Bangladesh, 2  countries with  the  largest PVRE programs  in  the World. The  success when extending this scheme to other countries has not been demonstrated yet. 

Finally, the fee for service model  is generally based on subsidizing much of the cost of the SHS and then the user pays the rest. A specialized energy service company (ESCO) who  installs the SHSs will be responsible for their maintenance for 10 years or more, and receives a fee from the user  (usually monthly).  This model would be  the one  closest  to  the notion of  a public utility service. 

In addition to these factors relating to financial issues of the orgware, there are other questions linked to the operation of the photovoltaic rural technological system. The sustainability of the programs  requires a number of  factors which are  still  in an underdeveloped  state, and which have been the cause of failure of most them: 

Monitoring: A 10‐year O&M activity needs a constant feedback in all aspects: technical, economical, etc. 

Maintenance  structure:  to date  the  cost and  the necessary  size of  the operation and maintenance  structure  for  providing  electricity  in  decentralized  rural  environments  is still not known. This can be considered one of most significant  technical challenges  in PVRE which has been responsible for the  lack of economic sustainability  in most PVRE programs 

Page 45: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

33 

Spare parts: the reliability of the SHS components are not known when they operate in real conditions. Thus the  forecasting of spare parts through the programme  lifetime  is not  available.  This  concern  affects  the  design  of  the maintenance  structure  and  the profitability of the programme 

Fee  collection:  as most  of  the  programs  carried  out  to  date  have  not  considered  a hardware adapted to the management of non‐payment cases, the ESCO has to devote many  resources  and  time  to  collecting  the  fees,  with  long,  frequent  and  recurrent displacements, even to the dwellings, where it is often not easy to meet the customers or  gain  to  access  to  the houses.  In  response  to  this problem  some  experiences have integrated a control system of payments  into the hardware, such as prepayment cards [126,  150,  151],  or  the  "pay  as  you  go"  strategy  [152,  153],  among  others.  These innovations have had  limited  impact and effectiveness to date.  In addition PVRE tends to minimize  the  investment  costs,  however  these  innovations  tend  to  increase  the capital costs. 

1.3.7 ThechallengeofPVRE

After this assessment and a review of 40 years of PV rural technology development the following 

conclusions can be extracted: 

‐ Progress  in  the  technology has been affected by  the gap  in  the development of  the  three dimensions. Both the HW and the SW have co‐evolved since the early 1970s and  it was not until the 1990s that the OW started to play an  important role  in PVRE. Some authors argue that when introducing new technologies into human communities, the OW and SW should go ahead of the HW in order to "prepare" the receiver for the new technology and ensure that  he will adopt it successfully [154]. In PVRE the opposite has happened.  

‐ Despite the integration of the OW into the technological system, the implementation of this dimension has been arduous. A widespread case in PVRE has been the lack of promotion and awareness addressed to the future users, which is generally a source of problems related to the bad use of the SHS and consequently the cause of failures and non‐payments of the fees to the ESCOs. 

‐ The poor integration of the rural PV system elements between the 3 dimensions is the cause of the  lack of sustainability of PVRE programs. Another  illustrative example  is the economic imbalances of the ESCOs in many PVRE programs, due to the low fees paid by the users. The "fee", which can be collected monthly,  is  intended  to cover the maintenance costs.  It  is an orgware  element,  since  it  determines  the  economic  viability  of  the  operation  and maintenance service. If the quota is set incorrectly, the system will have a financial imbalance that would wreck the programme. 

‐ Finally,  the  lack  of  feedback  or monitoring  leads  to  ignorance  of  the  effectiveness  of  the 

measures  taken  for  the programme development.  If  there  is no  feedback during  the O&M 

phase, the replacement rates of the SHS components are unknown, as well as the lifetime of 

the systems, the degree of satisfaction of the users, the economic viability of the O&M, etc. 

As the funding mechanisms for PVRE are well defined and have a good monitoring, the same 

care during  the operation phase would be desirable. But  this element has  implementation 

problems  in  remote areas with difficult access and poor communications. Only a very well 

organized  structure with  sufficient  and  adequate  resources  to  develop  the  activity  over  a 

long period of time can ensure the necessary feedback for the system.  

Page 46: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

34 

Thus  it could be argued  that photovoltaic  rural  technology has  reached a  remarkable maturity  in 

the HW and SW dimensions, except  HW adaptation to the notion of a public utility service and the 

lack  of  understanding  of  the  real  reliability  of  the  SHS  components.  The  OW,  however,  has 

progressed  well  in  some  of  its  factors,  such  as  the  financing  models,  but  it  has  still  serious 

limitations  in matters  relating  to  the  sustainability  of  PVRE  programs,  firstly  due  to  the  lack  of 

feedback,  and  secondly,  because  there  is  still  no  paradigm  concerning  the  design  of  specific 

maintenance structures for decentralized environments. The  lack of both the reliability of the SHS 

working under real conditions and the O&M costs  left without tools for those responsible for the 

programme when designing the maintenance structures. 

So far, both the public body responsible for the formulation of electrification programs and private 

companies charged with implementing them, have designed the maintenance structures based on 

theoretical estimates, such as those assuming that the annual maintenance cost corresponds to 1% 

‐  3%  of  the  capital  cost  (investment)  [155,  156,  157],  or  fitting  the maintenance  costs  to  the 

remuneration  obtained  from  the  user  fees, which were  previously  established  according  to  the 

economic possibilities of the users or calculated from what was previously spent using conventional 

lighting systems, such as candles, kerosene or others.  

This situation reflects the lack of a paradigm on the O&M in PVRE programs. Many of the programs 

carried  out  so  far  imposed,  apparently,  low  fees,  such  as  South  Africa  [120]  (monthly  fee:  6 

US$/SHS∙month),  Zambia  [158]  (12 US$/SHS∙month),  Peru  [159]  (5  –  8 US$/SHS∙month),  Tunisia 

[115] (5.2 US$/SHS∙month) or the Pacific Islands [17] (5 US$/SHS∙month). Note that the dispersion 

of the fee's can also be intended as an indicator on the immaturity of the paradigm. The experience 

has proved that many programs have experienced economic imbalances in the operation phase as 

the  user  fees  did  not  cover  the  real  costs  of  the  O&M,  after which  the  ESCO  abandoned  the 

programme,  leaving  thousands of  SHSs without  a maintenance  service  [17, 120, 158, 160, 161]. 

Therefore,  the O&M  is,  in general, a more expensive activity  than expected; moreover,  the  fees 

paid by the users for the maintenance service are generally lower than necessary. These two facts 

lead to an unsustainable financial situation of the PVRE programs. 

Thus, the current challenge is to ensure the sustainability in PVRE programs, introducing the notion 

of public service in the decentralized rural environment in order to achieve the paradigm in which 

the conditions that make the global access to electricity affordable will be defined. 

This PhD  thesis will address some of  the  identified problems  for PVRE sustainability, as shown  in 

Table 3: 

Table 3: PV rural system factors discussed in this work 

HARDWARE  Reliability of the SHSs working in real conditions. 

SOFTWARE  O&M tariff sizing adapted to the real maintenance costs. 

ORGWARE  Design of maintenance structures for decentralised environments. Characterization of the O&M cost structure. 

 

Page 47: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 1: Introduction 

35 

1.4 OBJECTIVESOFTHETHESIS

The general objective of this thesis is to contribute to the technical and economic characterization 

of large PVRE programs, including the O&M phase to ensure their sustainability. 

This objective is broken down into the following specific objectives: 

‐ Determining  the  real  reliability  parameters  of  the  SHS  components  working  under  real conditions in which the "user" is involved  

‐ Characterizing the actual operation and maintenance cost of a real PVRE programme 

‐ Studying the battery and PV module degradation when working under real conditions within a PVRE programme  

‐ Establishing the design criteria to optimize the maintenance structures in PVRE programs. 

1.5 METHODOLOGYOFTHEWORK

To achieve the proposed objectives a wide experimental work based on the data collected during 

the 5  years of development of  a  real PVRE programme  carried out  in Morocco with more  than 

13,000 SHSs installed and managed by an ESCO in a vast region of more than 200,000 km2 has been 

carried out. A great effort has been dedicated  to  the assessment of a database with more  than 

80,000  inputs  related  to  the  technical  data  of  the maintenance  phase,  in  order  to  carry  out  a 

comprehensive reliability study of the SHSs.  

Furthermore, both in‐the‐field experiments have been conducted in several SHSs belonging to the 

Moroccan PVRE programme in order to study the power degradation of a PV modules sample after 

6 years of operation and the capacity degradation of a sample of batteries which have been tracked 

for 18 months. Both have been working in real SHSs of the programme. In the case of the battery 

assessment,  several electrical operation parameters have been  collected weekly and  the battery 

capacities have been measured every 6 months.  

The  second  line of work has  addressed  the  characterization of  the management  and O&M  cost 

during the same 5‐year period, based on the accounting records from the same ESCO. 

Finally, a mathematical model has been developed based on a mixed  integer  linear optimization 

with  the aims of designing maintenance structures adapted  to  the special criteria concerning  the 

PVRE  activity,  illustrating  its  functionality  through  several  examples  from  the  Moroccan 

programme. 

1.6 THESISSTRUCTURE

The thesis is structured as follows: 

Chapter 2: A brief description to the Moroccan electrification programme, known as PERG, because 

all the experimental work of this thesis has been articulated around this programme. 

Chapter  3:  The  description  of  the  procedure  carried  out  for  the  reliability  study  of  the  SHS 

components, from the debugging of the maintenance database to the study results and application 

examples. 

Page 48: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

36 

Chapter 4: The results of the in‐the‐field experiments related to the degradation of PV modules and 

batteries working under real conditions.  

Chapter 5: The characterization of the real costs corresponding to the first 5 years of development 

of the PERG programme and to the forecast for 10 years of O&M.  

Chapter 6: The modelling process of the decentralised maintenance structures, based on a mixed 

integer  linear  optimization,  as  well  as  its  application  to  several  regions  of  the  Moroccan 

programme. 

Chapter 7: Summary of the most significant contributions of this thesis in terms of publications and 

some possible future directions of research. 

Bibliography: references and bibliography referred in this work.  

 

 

 

Page 49: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

 

CHAPTER 2

THE MOROCCAN PV RURAL

ELECTRIFICATION PROGRAMME

Page 50: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

38 

2 THEMOROCCANPVRURALELECTRIFICATIONPROGRAMME

2.1 INTRODUCTION

The research work of this PhD is based on a real PVRE experience. The PVRE programme chosen has 

been one of the concessions of the Moroccan Rural Electrification Global Programme (PERG in the 

French acronym) which installed more than 13,000 SHSs in 3 years, disseminated in around 200,000 

km2  in  the  South of  the  country. This programme belongs  to a global  initiative managed by  the 

Moroccan national utility  to provide access  to electricity by means of grid extensions and  stand 

alone systems to almost 100% of the rural inhabitants. 

The PERG programme  is paradigmatic because, despite being  formulated  in a  careful manner  in 

terms  of  financing  and  organizational  schemes,  supported  by  previous  studies  in  social, 

demographic,  technical  and  economical  issues,  the  Solar‐PERG  concessionaries  (ESCOs) 

experienced  serious  financial  problems  when  carrying  out  their  work  during  the  maintenance 

phase. These problems have led to most of the ESCOs leaving their concessions because of financial 

imbalances.  

This chapter describes the Solar‐PERG concession assigned to the private ESCO ISOFOTON (it will be 

referred  to as Solar‐PERGISO). Being a public‐private‐partnership  (ppp) between  the ESCO and  the 

national utility, the development rules of the programme are set out, as are the objectives of the 

concession and the real achievements and main barriers encountered during  the  implementation 

and operation.  

In  the operative  frame,  ISOFOTON was  responsible  for selling  the SHSs directly  to  the  final users 

through a fee for service mechanism, as well as its supply and installation within the 3 first years of 

the programme  (from 2006  to 2008). The  installed SHSs were  subject  to a 10‐year maintenance 

period.  The  ESCO must  guarantee  the  systems  during  this  period  and  must  repair  or  replace 

damaged components. The ESCO was also responsible for collecting the monthly fees that the users 

must pay for the maintenance service.  

The maintenance and cost databases  in which almost all the experimental work of this thesis has 

been based are described and explained at the end of the chapter. 

2.2 THEPERGPROGRAMME

In 1995, more than 82% of the Moroccan rural population  lived still without access to electricity, 

that  is, around 10 million people. The Government of Morocco declared universal rural access  to 

electricity  as  a  political  priority  and  in  1996  began  supporting  the  implementation  of  the  Rural 

Electrification  Global  Programme.  After  this  great  effort,  the  electrification  rate  in Morocco  is 

currently 98.5%.  

Page 51: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 2: The Moroccan PV Rural Electrification Programme 

39 

During this period (1996 ‐ 2013), the PERG programme gave access to electricity to 2,027,120 rural 

households  in 37,099  towns by means of electric grid extensions and 51,559 more by means of 

solar home systems  in 3,663 towns  (the Solar‐PERG)  [162]. These achievements have been made 

through the construction of 42,900 km of Medium Voltage  lines, 111,700 km of Low Voltage  lines 

and 21,650 MV/LV  transformers  (a power of more  than 1,500 MVA). Moreover,  for  the off‐grid 

electrification,  51,559  solar  home  systems  have  been  installed with  a mean  peak  power  of  60 

Wp/SHS (more than 3 MWp installed). 

The PERG was promoted by the ONEE (Water and Electricity National Office), the National Utility, 

who needed  the  financing of more  than €2.27 billion  to  complete  the programme,  from which, 

around €1 billion came from  international  institutions. However,  it  is worth mentioning that  local 

authorities  have  greatly  contributed  to  financing  the  programme,  although  these  figures  rarely 

appear in the published summaries. 

The ONEE established the financial terms that would apply in the PERG development. In the case of 

the grid electrification, the  financing model determined that the users paid 2,500 dirhams  (MAD) 

for  the  subscription  (grid  connection)8,  the  local municipality contributed 2,085 MAD/connection 

and the remaining cost would be covered by the utility (the ONEE) until a fixed maximum threshold 

per  household,  set  out  in  Table  4,  that  varied  during  the  four  consecutive  phases  of  the 

programme. 

Table 4: Maximum threshold cost for household grid connection 

Period  PERG phase Maximum threshold cost per 

household (MAD) 

1996 ‐ 2002  1 & 2  10,000 

2002 ‐ 2004  3  14,000 

2004 ‐ 2006  4 ‐ 1st phase  20,000 

2006 ‐ 2016  4 ‐ 2nd phase  27,000 

 

The PERG rules dictate that when the grid connection cost to electrify a rural household exceeded 

the mentioned maximum  thresholds,  the house would be electrified by  solar energy, unless  the 

local authority covered the additional costs. 

At the beginning it was estimated that 150,000 households would be equipped with SHSs [163]. At 

the end of the programme,  just 51,559 homes had been electrified by means of PV systems, and 

not only that, most of these solar households are currently being connected to the grid. It can be 

deduced that more than 100,000 households have been connected to the electrical grid exceeding 

the threshold cost, reaching amounts that sometimes exceed 90,000 MAD/connection.  Overall, the 

global  cost  of  the  PERG  may  have  been  close  to  €3.5  billion  (taking  into  account  the  local 

authorities financing),  in addition to €0.86 billion corresponding to the user subscriptions and the 

municipality contributions, what means an average PERG cost of €2,000/household. 

                                                            8 1 dirham (MAD) = 0.09272 euro (€) exchange rate at 04/12/2014 

Page 52: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

40 

2.3 THESOLAR‐PERGORIGIN,DEVELOPMENTANDFEATURES

The technical definition and financial arrangements of the Solar‐PERG were based on the evaluation 

of a previous programme,   called PPER (Rural Electrification Pilot Programme), which was the first 

attempt  at  establishing  a  programme  in  the  field  of  off‐grid  rural  electrification  in Morocco.  It 

electrified 1,500 dwellings  in 30 different villages from 3 provinces between 1996 and 2001. After 

that, the Solar‐PERG was established as a  fee‐for‐service model  in which  the management of  the 

projects  would  be  delegated  to  private  energy  service  companies  (ESCO)  in  a  public‐private‐

partnership with  the ONEE  [164, 165]. The concessions  to  the ESCOs were made  through several 

tenders covering different regions of Moroccan territory. There were 4 different tenders between 

2002 and 2005, whose awards are detailed in Table 5 and Figure 15: 

Table 5: Solar‐PERG concessions and achievements 

TENDER  ESCO SHSs 

OBJECTIVE SHSs 

INSTALLED9 PROVINCES 

OFF‐PERG  Various  ‐  5,387   2002 ‐ PERG I  TEMASOL  16,000  16,000 (100%)  4 

2003 ‐ PERG II SUNLIGHT POWER MAROC  12,000  6,513 (54%)  3 BP SOLAR MAROC  4,000  950 (24%)  1 

2004 ‐ PERG III  TEMASOL  37,000  7,609 (21%)  20 

2005 ‐ PERG IV ISOFOTON  34,500  13,600 (39%)  13 TEMASOL  5,500  1,500 (27%)  5 

TOTAL Solar‐PERG  109,000  46,172 (42%)  46 

TOTAL Solar‐PERG + others    51,559   

 

The  installation process was carried out according  to  the chronological scheme showed  in Figure 

14: 

 

Figure 14: Solar PERG chronological scheme for the annual SHS installed 

                                                            9 Some of the figures are approximate. 

1500385 976 1308 1218

5070

83229533

5248

26911658

50

3929

45395132

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

PERG ISOFOTON

PERG other ESCOs

Before PERG

Number of SHS installed

Page 53: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 2: The Moroccan PV Rural Electrification Programme 

41 

 

Figure 15: Distribution of the Solar‐PERG concessions between the different ESCOs 

 

 

Figure 16: Solar‐PERGISO local agencies distribution. The different colours indicate the covered area by each local agency 

 

Morocco  has  a  surface  of  446,550  km2  (we  consider  the  international  recognition  of Morocco 

without  the Western  Sahara  territory),  so  the mean  geographical  density  of  SHSs  belonging  to 

Solar‐PERG  corresponds  to 0.1 SHS/km2. This extremely  low geographical density of  systems has 

been one of the barriers that the ESCOs had to face. 

Page 54: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

42 

In  the operative  frame,  the ESCOs were  responsible  for  the marketing, sales,  installation and  the 

operation & maintenance of the SHSs in accordance with the following principles: 

The SHS cost is subsidized 90% by the utility. The remaining 10% is paid by the user through 

a fee collected by the ESCO. 

There were different kinds of SHSs (Table 6), depending on PV power and service charges, 

whose choice corresponded to the users. 

The user signs a subscription contract with the ONEE, and a second contract with the ESCO 

and the ONEE for the O&M service. 

The  delay  in  installing  the  SHS  is  2  weeks  from  signing  the  contract  and  paying  the 

subscription fee. 

The SHS ownership remains with the ONEE utility. 

The ONEE inspects the new installed SHSs. If favourable, the ESCO will issue an invoice.  

Table 6: Different SHSs offered in the Solar‐PERG programme 

TENDER  PV power  Services User connection fee  in € and (MAD), taxes 

included 

Monthly O&M fee  in € and (MAD), taxes 

included 

PERG I&II 

50 Wp 4 lamps + 1 socket (12 V) 

69 (700)  6 (65) 

75 Wp 6 lamps + 1 socket (12 V) 

167 (1,800)  9 (96) 

100 Wp 8 lamps + 1 socket (12 V) 

287 (3,100)  12 (129) 

PERG III&IV 

75 Wp 4 lamps + 1 socket (12 V) 

83 (900)  6 (65) 

200 Wp 4 lamps + 3 socket (12 V) + 1 fridge 

370 (4,000)  14 (150) 

 

 

Figure 17 PERG III&IV standard 75 Wp SHS scheme and components description 

Page 55: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 2: The Moroccan PV Rural Electrification Programme 

43 

Despite the variety of SHSs, almost 100% of the SHSs installed in phases I and II were 50 Wp power 

systems and 75 Wp for the phases  III and  IV  (the smaller systems), which means that,  in general, 

users prefer low costs systems. 

The O&M contract establishes  the user and ESCO obligations  for a period of 10 years, which are 

detailed in Table 7: 

Table 7: Clauses of the O&M contract for the user and the ESCO 

USER  ESCO 

Respect of the SHS use rules 

Payment of the O&M fee every month 

Payment of surcharges when there is payment delay 

Contact the ESCO when failure or malfunction of the SHS 

Allow entry to the house to the ESCO technicians 

Train the user to use the SHS  

Collect the O&M fees 

Visit each SHS every 6 months for preventive maintenance 

Repair the SHS failures or malfunctioning within 48 hours after user claim 

Pick up (dismantling) the SHS after 3 months of non‐payment of the O&M fee 

It  is  worth  mentioning  that  the  ESCO  BP‐SOLAR,  concessioner  of  4,000  SHSs  in  1  province 

(Chichaoua), that finally installed less than 1,000 SHSs, used a prepayment system for collecting the 

monthly maintenance fees, based on a rechargeable electronic card that users had to take to the 

ESCO  staff,  and  after  recharging,  to  insert  it  into  the  charge  controller.  There was  no  feedback 

about the performance of the prepayment system since BP‐SOLAR was the first ESCO to abandon 

the programme because of economical imbalances. 

2.4 THEISOFOTON‐PERGPROGRAMME

The study of this PhD is based on the experience of the ESCO called ISOFOTON, marked in green in 

Figure 14, which installed 13,600 SHSs between 2006 and 2008 in 13 different provinces, as shown 

in Figure 15. 

The  Solar‐PERGISO  region  is  geo‐morphologically  characterized  to  be  located,  partly,  in  a 

mountainous  area  (50%  of  the  region  is  covered  by  3 mountain  ranges:  the Medium Atlas,  the 

Grand Atlas and the Antiatlas), and partly by wide desert areas (Table 8). These features give rise to 

difficult accessibility in the region and a wide dispersion of villages and households. 

Table 8: Geomorphological distribution of the region 

 PERG‐ISOFOTON 

surface Mountains Hills  Desert  Plain 

km2  214,531  109,636  2,990  79,148  22,757 

%  100%  51.1%  1.4%  36.9%  10.6% 

 

The extremely low geographical density of SHSs was a remarkable obstacle for the ISOFOTON‐PERG 

development. The average density of SHSs  in  the  region was 0.068 SHSs/km2, which means  that 

there  is 1 SHS per 14.7 km2. There are  just  two provinces, Al Kalaa des Sraghna and Beni Mellal, 

Page 56: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

44 

whose  geographical  density  is more  than  0.4  SHSs/km2.  In  the  vast majority  of  the  region,  the 

density is less than 0.1 SHS/km2, coinciding with the most mountainous and desert areas. 

ISOFOTON deployed a structure to manage the programme for each of its two phases:  

Marketing, sales and installation phase (3 years) 

O&M phase (10 years) 

This management structure was made up of the headquarters and warehouse in Casablanca and 9 

local  agencies dispersed  throughout  the  Solar‐PERG  region. The  staff was made up of  executive 

managers,  accountants  and  administrative  employees  in  the  headquarters  in  addition  to 

commercial and technical staff in the local agencies. 

Table 9 and Figure 16 summarize the distribution of the 13,600 SHSs in the different provinces and 

indicate the surface and the geographical density of the systems. The local structure for the O&M 

phase was made up of 9  local agencies, 43 employees and 19 vehicles.  It  should be noted  that, 

although 13,600 SHS were installed during the 3 first years of the programme, after the installation 

phase, that figure was reduced to 13,449 due to the cancellation of some contracts because of lack 

of payment. Thus, the O&M phase was developed for that latter figure. 

Table 9: Summary of the O&M structure location (Local Agencies) in the different provinces of the PERG programme. The provinces’ areas and the installed SHSs are also indicated. 

Provinces Province Capital 

Area km2 

Number of SHSs 

Density (SHS/km2)  

Local Agency location 

TOTAL  ‐  214,531  13,600  0.063  9 

Ben Slimane  Ben Slimane  2,760  889  0.311  Ben Slimane 

Errachidia  Errachidia  59,585  968  0.016  Errich 

Beni Mellal  Beni Mellal  6,638  2,754  0.410 El  

Ksiba 

Azilal  Azilal  9,800  1,817  0.185  Azilal 

Al Haouz – Marrakech 

Taghnaout  7,883  868  0.109  Ait Ourir 

Al Kalaa des Sraghnas 

Al Kalaa des Sraghnas 

10,070  4,445  0.437  Ben Guerir 

Ouarzazate – Zagora 

Ouarzazate   55,298  845  0.015  Ouarzazate  

Taroudant  Taroudant  16,500  697  0.042  Taroudant 

Tiznit – Guelmim – Assa‐Zag 

Tiznit   45,997  317  0.007  Tiznit  

 

The choice of the location of the local agencies by the ESCO management staff was down to logistic 

and administrative  reasons. This  is why  some of  the agencies were  located  in  the  capital of  the 

provinces, close to the ONEE’s bureaus, banks and regional government offices. Nevertheless, other 

agencies  were  based  in  rural  community  centres  to  be  closer  to  the  PERG  users,  such  as  in 

Errachidia, Al Kalaa des Sraghnas, Al Haouz or Beni Mellal. 

Page 57: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 2: The Moroccan PV Rural Electrification Programme 

45 

The local agency serves both as the executive office and warehouse. One administrative employee 

is  in  charge of  the  administrative  tasks  and  remains permanently  in  the  agency. The  SHS'  spare 

parts are stocked in the warehouse, where the O&M technicians pick them up for the maintenance 

and return the failed components from the in‐the‐field SHSs. The O&M teams are made up of two 

technicians and one vehicle. 

2.4.1 THEISOFOTON‐PERGSHS

The SHSs installed by ISOFOTON were mainly the 75 Wp power system kind. Just 30 of the 13,600 

systems were of the 200 Wp typology. The 75 Wp SHS components are summarized in Table 10.  

Table 10: 75W Solar‐PERGISO SHS component description 

Qty  Description  Picture    Qty  Description  Picture 

75 Wp monocrystalline photovoltaic module  

 

1 15 A PWM charge controller 

1 150 Ah C20 modified SLI battery (12 V)  

  3  7WDC  LC lamps 

  1  11WDC LC lamp 

 

The SHS was sized for an autonomy of 5 days (tender condition), which means that considering 150 

Ah as nominal capacity (Cnom), and a designed depth of discharge DOD = 40%, the design load was Ld 

= 12 Ah/day, which corresponds approximately to the use of all the charges for 2 hours every day. 

The SHS kit comprised a schematic manual for the user. It was a poster in Arabic installed close to 

the charge controller attached to the indoor wall (Figure 18). 

2.4.2 THEISOFOTON‐PERGPHASES

2.4.2.1 MARKETINGANDSALES

The commercial strategy to sell the SHSs was based on three approaches: the collective marketing; 

the door to door sales; and the institutional approach. 

In the first case, the collective marketing was carried out in the local markets (the so‐called souks) 

organized once each week in the Centre of the Rural Communities10. A commercial team, by means 

                                                            10 A Rural Community is a small region that comprises several villages and has an Administrative Center. Each Moroccan Province is made up of several Rural Communities, or Prefectures for the urban cities. 

Page 58: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

46 

of  a  prototype  of  the  SHSs  (Figure  19),  promoted  the  Solar‐PERG  programme  and  tried  to  get 

subscription contracts. 

The door to door consisted of the commercial teams visiting the rural dwellings  in order to get to 

know  to  the  future  customers. This  sales method  required a great deal of effort  to move  to  the 

dwellings, which supposed a high economic cost. The O&M technicians used to do the door to door 

sales when they visited the villages for the maintenance actions. 

The institutional approach was based on the contact with the local authorities to get the necessary 

support for the Solar‐PERG promotion (Figure 21). 

These three commercial approaches were dependent on each other. For example, it is very usual in 

the rural communities of Morocco for decisions not to be made at the  individual  level, but within 

the collective sphere. In general, a family does not decide to install an SHS if the other neighbours 

decide not to do the same thing. For this reason, the door to door was effective only when all the 

inhabitants were previously convinced by the officers from the municipal or regional governments. 

Even then, the Solar‐PERG programme had a generally negative response from the rural population 

as they wanted to be electrified by the electrical grid, and not by means of solar systems. So, the 

support of the local authorities was very important, in those cases in which these authorities were 

not against the solar electrification. 

However, despite the big efforts made by the ESCO in terms of commercial activity, the number of 

SHSs  installed remained well below the  initial target (13,600 against 34,500 SHSs). Moreover, the 

PV  electrification  was  considered  by  the  population  as  a  temporary  solution,  waiting  for  the 

definitive  grid  electrification, which  currently  is  being  carried  out.  This  great  gap  between  the 

objective  and  the  real  achievement  can  be  considered  as  a  paradigmatic  case  regarding  the 

weakness of the assumptions on which the PVRE programmes are based. 

2.4.2.2 INSTALLATION

After the subscription of a new customer and the signing of the contract, the ESCO delivered the 

new contracts to the provincial office of the ONEE to be signed by the utility. In few days the ESCO 

picked up the signed contracts from the ONEE and had a delay of 15 days to make the installations. 

The installations were planned by the ISOFOTON local agency (LA) manager and supervised by the 

headquarters  staff.  The  SHS  kits were  stored  in  the  local  agency.  Each morning,  the  technician 

teams departed from the LA with a vehicle together with the solar kits to be installed and the list of 

new customers. 

The  installation  follows  the ONEE  reference prescriptions  in  terms of quantity and quality of  the 

components (Figure 22). In fact, in each province, an ONEE technical team went every month to the 

rural villages for the commissioning of the new installed SHSs (Figure 20).  

The  installers, after finishing the  installation, trained the users, often women and children,  in the 

use  of  the  SHS,  the meaning  of  the  charge  controller  indication  lights,  and  the  procedures  for 

paying the O&M monthly fees and how to warn the ESCO when the SHS fails or malfunctions. 

Page 59: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 2: The Moroccan PV Rural Electrification Programme 

47 

Finally, the SHS kit also  included a record sheet  in which the ESCO must register the maintenance 

visits, indicating the date of the visit and the incidents that occurred. 

2.4.2.3 O&M

The O&M period of a SHS began when the  installation was accomplished. During the first 3 years, 

ISOFOTON deployed a structure to cover all the activities: commercial, installation and O&M. When 

the installation phase was finished, the structure was adjusted to just the O&M activity. 

The maintenance  comprised both  the preventive and  the  corrective maintenance  (PM and CM). 

The preventive maintenance (PM) consists of checking the SHS performance. The battery must be 

filled with distilled water if necessary, the PV module cleaned, the electric connections checked and 

failed  lamps  replaced.  The  PM  is  a  deterministic process  as  each  SHS must be  checked  every  6 

months, according to the Solar‐PERG rules. The maintenance technicians recorded the date of the 

visit on the maintenance record sheet. 

The  corrective maintenance  (CM)  is  carried out after prior notification by  the user when  she/he 

notices  a  problem  in  the  SHS  operation.  There  was  a  free  phone  number,  but  they  usually 

contacted the local agency or the technicians directly when they visited the weekly markets. Then, 

the  technicians went  to  the dwelling, within 48 hours,  to  repair  the  system or  replace  the  failed 

components  and  return  to  start  the  SHS.  The  corrective  visits  were  also  recorded  on  the 

maintenance record sheet. 

The fee collection was carried out during the maintenance visits,  in the  local agency, or mainly  in 

the  weekly  markets  organized  in  the  centres  of  the  rural  communities  (r),  the  souks.  These 

traditional souks attract most of the surrounding rural population and are the best places to meet 

the  SHS  users,  collect  the  monthly  fees  and  replace  failed  lamps  that  users  bring  from  their 

dwellings. Note that lamps are the only SHS components that can be replaced in the souks.  

The maintenance  technicians  are  in  charge of  collecting  the  fees  in  the  souks every week. They 

spend the morning at the souk and the afternoon  is dedicated to the maintenance activity  in the 

surrounding villages. 

In  some  regions,  there was  a  remarkable problem with  the delay  in payments, which habitually 

obliged  to  the  ESCO  staff  to  go  to  the  villages, dismantle  some  systems  and  even  to  take  legal 

action against the customers that did not allow to entry to the houses to take away the system. 

2.4.2.4 MANAGEMENT

The management  refers  to  the  organization  that  the  ESCO  uses  to manage  the  programme.  It 

involves the headquarters staff and resources, the flow of information between the customers‐local 

agencies‐headquarter,  the  project  and  economic  balances,  forecasting,  ONEE  communication, 

reports, etc. 

All the staff of the ESCO ISOFOTON corresponding to the headquarters represented about 20% of 

the  total and evolved  in  the  first 5 years  from 14 people between 2006‐2008  to 11 and 8  in  the 

years 2009 and 2010 respectively.  

Page 60: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

48 

The  ESCO  developed  an  ad  hoc  software  tool  to manage  the  programme  that  consisted  of  an 

extensive    database  in  which  all  data  corresponding  to  user  identification,  dates  of  contract 

signature, installation, fee payment, maintenance, stock, etc, were recorded. 

 

 

Figure 18: User manual. It consists of a schematic poster including information on the SHS operation, warnings and use recommendations

Page 61: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 2: The Moroccan PV Rural Electrification Programme 

49 

 

 

Figure 19: Marketing of the Solar‐PERGISO programme carried out by the ISOFOTON staff in a souk (local market) in the Zagora province. The SHS prototype was used to show the system and explain its 

operation

 

Figure 22: Outdoor and indoor installation stages of a SHS in the Errachidia province 

Figure 20: ONEE inspector Figure 21: Meeting of the management staff of 

ISOFOTON with the Assa‐Zag province authorities 

Page 62: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

50 

2.5 SOMECOMMENTSABOUTTHESOLARPERGDEVELOPMENT

Apart from the success of the PERG programme in terms of achieved objectives, the Solar‐PERG did 

not achieve the initial goals (only 42% of SHS were installed) and the private stakeholders involved 

had to face to some extrinsic difficulties: 

The expected objectives as  regards  the number of SHSs  that must be  installed were not 

achieved because of lack of potential customers. 

The  reduction  in  the  number  of  SHSs  had  a  negative  impact  in  the O&M management 

whose costs were significantly increased. 

The PERG programme developed by means of grid connections became strong competition 

for  the  Solar‐PERG  as  people  preferred  the  power  grid  instead  of  the  SHSs  and  local 

authorities supported it, in terms of financing. 

The  public‐private‐partnership  (ppp)  on  which  the  fee  for  service  model  was  based, 

devolved the Solar‐PERG promotion tasks to the ESCOs, whose corporate images were very 

weak,  as  regards  the  rural  population.  They may  have  known  the  ONEE  (the  National 

Utility) but they showed distrust towards the ESCOs. 

The SHS cost  increased dramatically during  the period 2006‐2008 due  to prices of many 

raw materials  increasing considerably, such as the silicon (the main component of the PV 

modules),  the  lead  (the main  component  of  the  batteries)  and  the  copper  (the main 

component of the electric wires). 

The Solar‐PERG contract signed between the ESCOs and the ONEE was very unfavourable 

for  the  ESCOs,  due,  for  example,  to  the  lack  of  price  revision  or  the  economic 

compensation clauses. 

Although  these  problems  have  been  specific  of  the  PERG  programme  and  they  cannot  be 

generalized to other experiences, it is worth mentioning that these kinds of problems are intrinsic 

to the public–private‐partnership projects and they may happen in any stage of the programme.  

As a  result of  the aforementioned  comments, most of  the ESCOs have been  forced  to  leave  the 

programme due to financial  imbalances  in the management of the O&M phase.  In a few regions, 

some local technicians and subcontractors continue to operate the Solar‐PERG customers and their 

SHSs. In many others they have been completely abandoned.  

Nowadays most of the dwellings electrified by the Solar‐PERG are being connected to the national 

power  grid,  thus,  it  is  predictable  that  in  a  short  time,  the  grid will  cover  almost  100%  of  the 

Moroccan countryside and the SHSs will become obsolete. 

2.6 THEISOFOTON‐PERGDATABASE

The experimental work of this thesis has been based on the data taken from the Solar‐PERGISO,  in 

particular  from  the maintenance and  cost databases  that  the ESCO drew up during  the  first  five 

years  of  the  programme  development.  These  databases  were  established  through  real  data 

extracted from the day‐to‐day activity as feedback for the management of the programme. 

Page 63: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 2: The Moroccan PV Rural Electrification Programme 

51 

The  advantage  that  the  author was  part  of  the  ISOFOTON management  staff  during  these  five 

years, has allowed, on  the one hand,  full access  to  the databases and on  the other,  to have  the 

necessary know‐how and capabilities to properly interpret the collected data for further analysis. 

2.6.1 THEMAINTENANCEDATABASE

It was made up of all kind of maintenance incidents such as failures of the SHS components, repairs, 

device  replacements or preventive actions. Every maintenance activity  recorded had  the date of 

the  activity,  the  complete  SHS  location  data  (personal  data  of  the  customer,  contract  number, 

name and  code of  the village,  rural  community and province), a description of  the maintenance 

activity and all possible devices repaired or replaced  (detailing  the serial number of  the new and 

replaced devices) and the name of the technicians that carried out the action. 

The  ESCO  used  an  ad‐hoc management  software  elaborated  by  CEGID  [166]  to manage  all  the 

Solar‐PERGISO data. The maintenance database was integrated into the software functions.  

Between  the  programmes  began  at  the  end  of  2005  and  November  2010  the  maintenance 

database had cumulated more  than 80,000 maintenance  inputs out of  the 13,600 SHSs  installed. 

The compiling of the database was made in accordance with the following description: 

The  maintenance  technicians  visiting  the  SHSs,  either  because  of  the  preventive 

maintenance schedule or after the user failure warnings (corrective maintenance). During 

the  visit,  the  technicians made  an  inspection  of  the  SHS  operation  and  diagnosed  the 

possible  faults.  All  this  information  is written  in  a maintenance  datasheet  as  shown  in 

Figure 23. So, after every maintenance visit, a maintenance datasheet is generated. 

The maintenance datasheets are transmitted to the headquarters administration to record 

the maintenance actions onto the database. 

The  corrective  inputs  are  checked  and  validated with  another  database:  the  spare‐part 

stocks management, which the ESCO details  in parallel within the overall management of 

the programme. 

2.6.2 THECOSTSDATABASE

It comes from the economic and financial management of the ESCO during the same period. From 

these data  the ESCO carried out the accounting of  the company, so  it  is a complete and detailed 

database compiled from the real costs of the the Solar‐PERGISO. 

Page 64: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

52 

 

Figure 23: Maintenance datasheet model used by the ISOFOTON technicians after maintenance activities 

 

Page 65: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

 

CHAPTER 3

RELIABILITY ASSESSMENT OF SHS

COMPONENTS

Page 66: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

54 

3 RELIABILITYASSESSMENTOFSHSCOMPONENTS

3.1 INTRODUCTION

The reliability of the SHS components  is a key factor in the design of the sustainable maintenance 

structures  of  the  PVRE  programmes.  However,  perhaps  because  of  the  intrinsic  difficulties  in 

gathering  data  in  decentralised  frameworks,  available  literature  does  not  offer  real  data,  thus 

impeding  the qualification of  the  reliability. Moreover, manufacturers do not usually provide any 

information on  failure  rates or mean  time  to  failure of  the devices, only  lifetime estimations,  for 

example the number of switch on/off cycles that a  lamp can resist, the characteristic  life  in cyclic 

use of batteries, or the annual power loss rate of the PV modules. However this kind of information 

is based mainly on laboratory experiments and cannot be transferred to a programme of thousands 

of  devices  in  operation  and,  most  importantly,  where  other  factors  are  involved  in  their 

performance, for example the user factor. 

In fact, what is relevant in PVRE programmes with thousands of SHSs and long maintenance periods 

is to know how the SHS components fail and how frequently they do so. This information is useful 

for spare parts forecasting which is one of the pillars that allows optimized maintenance structures 

to be designed. To cover this deficiency, this work has carried out a reliability study based on the 

maintenance data obtained from the 5 years of operation of the Moroccan PERG programme. 

The source of the data corresponds to the ISOFOTON ESCO, that has more than 80,000 corrective 

and preventive maintenance data inputs, collected between October 2005 and June 2010.  

The questions about which of the SHS’s components break down together with the frequency will 

be answered by analyzing the time distribution of failures of every SHS component, using concepts 

of reliability engineering and by determining the reliability function R(t), the failure rate λ(t) and the 

Mean Time To Failure (MTTF). 

3.2 RELIABILITYANALYSIS

3.2.1 SHScomponentsandfailureclassification

The description of the SHS components is summarized in Chapter 2.4.1 and Table 10. 

3.2.1.1 Photovoltaicmodule

The PV module corresponds to a 36 series‐associated monocrystalline cells with a 12 VDC nominal 

rated voltage. These modules usually have a very high reliability index and generally few problems 

are  associated  with  them.  Failures  in  PV  modules  can  be  linked,  generally,  to  a  poorly‐made 

electrical contact or a flaw in the by‐pass diode [167]. It must be noted that the module problems 

are frequently related to a difference between the peak power value shown on  its  label and that 

attained  in  experimental  practice.  In  any  case,  this  problem  does  not  involve  a  failure  in  the 

operating system. The expected faults in PV modules are as follows: 

Page 67: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 3: Reliability Assessment of SHS Components 

55 

Diode  failures.  This  failure  can  cause  a  malfunction  in  the  solar  module  thus  cutting  off  the 

operation of some or all PV cells. If a PV module does not work for few days, the battery will not be 

charged and  the electricity  supply will not be available. After  some days of an  inoperative  solar 

module,  the  battery  self‐discharge  can  give  rise  to  a  deep  discharge  and  it will  be  irreversibly 

damaged.  This  battery  failure  is  known  in  reliability  engineering  as  a  secondary  failure,  as  it  is 

caused by the failure of another component (main failure). This kind of PV module failure is usually 

repaired by replacing the damaged diode; hence, it is a repairable failure. 

Broken  PV  module.  Hail,  heavy  storms,  vandalism,  etc,  can  cause  PV  module  breakage  and, 

therefore, it is a catastrophic failure. 

Thermographic  defects.  There  are  sometimes  hotspots  in  the  solar  cells,  and  even  in  the 

interconnections between cells (bus), as a result of defects in the manufacturing process, which can 

be  detected  by  infrared  thermographic  cameras.  The  affected  cell  becomes  reverse  biased  and 

dissipates power in the form of heat [168, 169], which can destroy the PV module. 

3.2.1.2 Chargecontroller

The  charge  controller uses a Pulse Width Modulation  (PWM)  system  to  regulate  the  charge and 

discharge of the battery from the PV module toward the loads. Its maximum admissible current is 

15A during charge and discharge. This device protects  the battery by keeping  it working within a 

prescribed voltage range for an optimal use. It also shows the state of charge (SOC) of the battery 

by means of LEDs  located at the front of the device, which shows the SOC battery  level. The LEDs 

also warn of system malfunctioning, usually by showing a red LED when a deep battery discharge, 

overload or a short circuit occurs. The charge controller  is an electronic device, so  its faults occur 

randomly  [167]. This means  that  the  failure  rate  is  constant with  time. This behaviour  is usually 

described by exponential distributions of failures, which will be explained later. The failures in this 

device will be non‐repairable (catastrophic failures). 

3.2.1.3 Battery

The  battery  is  a  12V  modified  Starting  Lighting  Ignition  (SLI)  lead‐acid  battery  which  is 

manufactured  in Morocco  and  its  technical  report  shows  a  capacity  of  C20  =  150  Ah  (at  1.8V 

minimum discharge voltage per cell and at 20ºC).  

The  lead‐acid battery  lifetime  is  limited by  its ageing effects,  leading  to decreasing  capacity and 

decreasing efficiency, giving  rise  to higher  inner  resistance or even  to  total breakdowns. Sudden 

failures  (catastrophic)  can  occur  in  batteries  but  they  are  less  significant  than  failures  through 

continuously  ongoing  processes.  The main  causes  of  ageing  are:  anodic  corrosion,  sulphatation, 

degradation  of  the  separator,  growth  of  dendrites  and  loss  of  inner  surface  in  the  negative 

electrode [170]. Then, the ageing effect causes degradation failures. According to the standard IEC 

60896‐11:2002(E) [171], the lifecycle of the battery is considered before its residual capacity drops 

below 80% of  its nominal capacity. However,  in the real case of  field  trials, a residual capacity of 

less than 80% may be a satisfactory battery performance for some users. Some studies indicate that 

in an SHS with 3 – 4 days of theoretical autonomy, battery degradation will become noticed by the 

user (in the sense of less availability of energy) when the useful ampere‐hour (Ah) have decreased 

up to one‐third of the nominal battery capacity [172]. The user behaviour with regard to the SHS 

operation will be closely linked to the battery cycle life. 

Page 68: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

56 

3.2.1.4 Lowpowerconsumptionlamps

The  SHS  includes  three  7WDC  lamps  and  one  11WDC  lamp.  These  devices  are  made  up  of  a 

fluorescent tube and electronic ballast. The life time for lamps is usually measured as the maximum 

number of cycles (switch on/off) that  lamps can resist. The Universal Technical Standard for Solar 

Home Systems [173] has fixed this resistance to at  least 5,000 cycles. It may be noted that, unlike 

the rest of components,  lamps have a discrete operation. They do not work continuously, but by 

cycling. However, we do not consider this difference for the reliability analysis and we will use the 

time variable  instead of the cycle parameter. The expected failure types  in  lamps are, on the one 

hand,  the  random  electronic  failures  in  the  ballast,  and  on  the  other  hand,  the  ageing  of  the 

fluorescent tube. 

3.2.1.5 Electricalkit

The SHS electrical installation is made up, in addition to the devices described above, of wires, light 

switches, connection box, bulb sockets, a DC plug, etc. These components may also be the cause of 

system failures as a result of manufacturing defects or  installation mistakes. However, we do not 

consider  these  failures  because  of  a  lack  of  data  in  the  database,  but  we  are  aware  of  the 

significance of what this SHS failure causes and on the need to study it in more detail. 

3.2.2 Thesourceofdata

The database has been updated daily  from  the  corrective and preventive maintenance activities 

carried out by  the ESCO  technicians.  It  includes details on  the  failures of batteries, PV modules, 

charge controllers and low power consumption (LC) light lamps for every SHS. These failures are in 

most cases catastrophic failures, but we must take into account the following considerations: 

The PV module failures resulting from diode breakdowns are considered repaired failures, 

and not catastrophic failures. 

The batteries replaced by ageing effects will be treated as catastrophic failures. 

Before applying the reliability analysis,  it was necessary to arrange the database by carrying out a 

data debugging to remove the invalid inputs, such as mistakes in dates, erroneous PV identification 

codes, or non‐representative samples resulting from insufficient data. The database’s figures, after 

debugging, are  shown  in Table 11.  It  is worth noting  that  the number of SHSs considered  in  the 

study is still high (7,595 after debugging). 

   

Page 69: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 3: Reliability Assessment of SHS Components 

57 

Table 11: Recap of the maintenance database after debugging 

Database  Data inputs after debugging 

Number of SHSs  7,595 

Corrective & preventive Maintenance data    44,070 

Failures 

Batteries   714 

PV modules   20 

Charge controllers   433 

7 W lamps   2,337 

11 W lamps   755 

 

We have worked with a very large sample in which there are 44,070 maintenance inputs related to 

failures, as well as survivors (devices that have not failed during the period considered). 

3.2.3 Reliabilityconcepts

The operating  life of each component can be determined based on  the  failure database. After 5 

years of operation, there are some components which have failed (failure data) and others which 

have survived (the so‐called suspended or right censored data). The failure and suspended data can 

be used to determine a probability density distribution (pdf) of failures, hereinafter referred to as 

failure distribution f(t),  from which we obtain the cumulative distribution function F(t) [174, 175]: 

  t

dttftF0

)()(                 (1) 

F(t)  is  the probability  that a component will  fail before  time=t. On  the other hand,  the  reliability 

function R(t) can be defined as  the probability of a component  surviving  for a  time  interval.  It  is 

given by the complementary expression of the cumulative distribution function F(t):  

  )(1)( tFtR                 (2) 

The  failure  rate  λ(t)  is  the  frequency  with  which  a  system  or  component  fails.  Its  function 

represents the conditional probability of failure in the interval (t , t + dt) of that component, given 

that there was no failure before time ≤ t. It can be expressed as number of components failing per 

time unit. Its mathematical expression is:  

 )(

)()(

tR

tft                   (3) 

Page 70: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

58 

Finally, the Mean Time to Failure (MTTF) can be defined as the expected value of time until failure. 

It measures  the average  time between  failures with  the assumption  that  the  failed system  is not 

repaired. 

 

0

)( dttftMTTF               (4) 

3.2.4 Distributionfit

One  of  the  most  successful  models  used  in  reliability  engineering  is  the  Weibull  distribution 

because of  its versatility  in  fitting many different  failure models. The Weibull probability density 

function is shown in Table 12. 

Depending of the shape parameter β value, the trend of λ(t) will be decreasing for β<1; constant for 

β=1; and increasing for β>1. Once f(t) is known, the other reliability functions ‐ λ(t), R(t), and MTTF ‐ 

can be obtained as shown in Table 12, where: 

   )

11(

 is the Gamma function  )(x  for )

11(

x

 

When β comes close to 1, the reliability distribution R(t) approaches an exponential function and 

the  failure  rate  becomes  constant  (λ(t)=  λ).  This  distribution  is  usually  a  good  fit  for  electronic 

devices, which follows a random model of failures independently of time. The exponential reliability 

functions  are  also  detailed  in  Table  12, where  γ  is  the  location  parameter  and means  that  the 

failure  distribution  begins  at  t  =  γ.  Note  that  if  γ=0,  then MTTF=1/λ,  and  R(t)  for  t=MTTF  is: 

368.0)( 1 etR . This means that the survival probability for t=MTTF and γ=0 is 36.8% [176]. 

On  the other hand,  if Weibull’s scale parameter β≈3.5,  the  failure model approaches  the Normal 

distribution. It means that there is a dominant failure mechanism, for example ageing, even if other 

mechanisms intervene in the causes of the failure. The Normal functions appear in Table 12, where 

θ represents the mean and σ is the standard deviation. In this case, the survival probability for t = 

MTTF is 50%, and the mean θ will correspond to MTTF [175]. 

   

Page 71: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 3: Reliability Assessment of SHS Components 

59 

Table 12: Expressions of the failure distribution f(t), the failure rate λ(t), the reliability function R(t) and the mean time to failure MTTF for the Weibull, the Exponential and the Normal distributions. Note that 

Exponential and Normal are specific cases of the Weibull distribution 

Function Weibull (α, β, ϒ) 

Exponential (α=1/λ, β=1, ϒ) 

Normal (θ, σ) 

f(t) 

)(

1)()(t

ettf  )()( tetf  

2)(2

1

2

1)(

t

etf  

λ(t)  1)()(

tt    

dte

e

tt t

t

0

)(2

1

)(2

1

2

2

2

11

2

1

)(

 

R(t) 

)(

)(t

etR  )()( tetR   dtetR

t t

0

)(2

1 2

2

11)(

 

MTTF  )1

1(

MTTF  

1MTTF   dtetMTTF

tt 2)(2

1

0 2

1

 

Parameters 

α: scale parameter 

β : shape parameter 

γ : location parameter 

λ : failure rate 

γ : location 

parameter 

θ : mean 

σ : standard deviation 

3.2.5 Failuredistributionfit

In order to get the best fit for an experimental failure distribution, the failure and suspended data 

need to be put in order and the cumulative probability calculated. The accuracy of this distribution 

can be improved by calculating the median ranking of cumulative percentages. This approximation 

can be given by the Bénard estimation [174]: 

 4,0

3,0

n

iri

                   (5) 

Where ri is the median rank for each failure, i is the ith order failure value and n is the sample size. 

The median ranks are an estimate of the unreliability for each failure. 

After  the  ranking process,  the data will be  ready  to be plotted  looking  for  the best  fit. We will 

determine  how well  the  data  fit  an  assumed  distribution  by  using  some  of  the many  statistical 

indices  that measure  the  goodness  of  fit.  One  of  these methods  is  the  least  square  test.  The 

goodness of  fit as derived by  this method  is  called  the  correlation  coefficient  (ρ). The  closer  the 

value ρ is to 1, the better the fit [174].  

Page 72: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

60 

Once the reliability distribution is defined, the characteristic parameters can be obtained for every 

distribution, and then, the reliability equations will be solved. 

3.3 ANALYSISOFTHERESULTS

3.3.1 Distributionfitting

Different  fit  distributions  have  been  tried  for  each  SHS’s  component,  obtaining  the  following 

outcomes: 

i. The  charge  controller  has  the  best  fit  with  the  one  parameter  (γ=0)  exponential 

distribution.  Figure  24  shows  the  exponential  fit.  The  two  external  lines  mark  the 

confidence bounds of 95%. 

ii. LC lamps have the best fit with a two‐parameter exponential distribution. Figure 24 shows 

the 7WDC LC  lamp  fit, with a confidence  level of 95%. The result  is that the  failure rate  is 

λ=5.96%/year. Note that the straight line does not start in coordinate (0, 100), but begins at 

a time before zero (γ= ‐0.294 years). This fact can be interpreted because of the first points 

appearing at  the beginning of the  failure distribution on the plot paper  follow a different 

distribution, which may be due to an early failure period (β<1). However, its impact on the 

fitting result is imperceptible, since the correlation coefficient shows a very high value close 

to 1. As regards the 11WDC  lamp,  it shows the same behaviour as the 7WDC  lamp.  It has a 

location  parameter  γ=‐0.288  years  and  the  failure  rate  figure  is  5.97%/year.  The  two‐

parameter exponential  fit  in  lamps,  in contrast  to  the one‐parameter exponential  charge 

controller  fit,  can  be  explained  by  the  fact  that  the  failures  in  lamps  present  a  residual 

infant  mortality.  As  shown  in  the  graph,  this  period  is  very  short,  which  indicates  an 

acceptable quality control made by the manufacturer.  

 

Figure 24: Left: Failure distribution for the charge controller; Right: Failure distribution for 7WDC LC lamp. Both devices fit an exponential function (logarithmic scale on the y‐axis). In the case of the charge 

controller, the exponential distribution is a one‐parameter function. For lamps, the distribution fits a two‐parameter exponential model. Both show a very good correlation coefficient (ρ) and a low uncertainty for 

95% confidence bounds. 

iii. The battery has the best fit using the normal distribution. This is coherent with the fact that 

the main cause of failure is ageing. The correlation coefficient is perceptibly lower than the 

precedent ones, but  its figure remains very close to 1. However, there  is a range of  initial 

failures which do not  fit  the normal distribution.  In  Figure 25, where  F(t)  is  represented 

Page 73: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 3: Reliability Assessment of SHS Components 

61 

instead of R(t), we can see that the failures until t~1.4 years, out of the Normal fit straight 

line, have a different tendency. By trying a mixed Weibull distribution, shown in Figure 25, 

we successfully fit the distribution until t=1.4 years with a shape parameter β figure of less 

than 1. This means that the failure rate during this period decreases over time, which is to 

say, the failures are the result of an infant mortality. In what follows, we will maintain the 

Normal distribution as the best fit, although the first year behaviour has forced us to carry 

out a more detailed analysis which is presented in Chapter 4.   

 

 

Figure 25: Left: Normal fit of battery failure distribution. The Normal probability plot on the y‐axis represents the cumulative distribution function F(t); Right: Weibull fit. A slope change can be appreciated in the fit distribution line in t≈1.4 years. The shape parameter β in this stretch line is <1, hence, the failure rate has a decreasing tendency. It is important to note that the failure distribution does not fit the Normal function exactly in the first period until 1.4 years. After that, the Normal has a high goodness of fit and the correlation coefficient (ρ) presents a figure very close to 1 for the adjustment of all of failures altogether 

iv. Finally, the PV module's reliability evaluation has been achieved from the data detailed  in 

Table 13: 

Table 13: PV module failure figures: Left: figures from the maintenance database; Right: some failure information gathered from the maintenance technicians 

PV failures declared in the database 

Number of failures 

  PV failures declared by the maintenance technicians 

Number of failures 

Replacement but unidentified failures 

20     Diode failures  3 

Broken PV modules without replacement 

5    Breakage of the module through natural causes 

Unidentified failures. No replacement  

15    Breakage of the module through human causes (vandalism) 

Sum  40    Hot spots at the junctions between cells 

 

Page 74: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

62 

There have been 20 replacements of PV modules resulting from catastrophic failures.  In addition, 

another 20 failures have been declared even though they have not been replaced. Otherwise, after 

an interview with some of the ESCO maintenance technicians, we found that other different types 

of PV failures have occurred. The diode failures and hot spots in the cell bus were usually repaired 

“informally” by the technicians  in the field  (they access the cell bus through the tedlar  layer, and 

then  they weld  it).  The broken  PV modules were  not  replaced,  sometimes  the  users’  request  a 

termination of  the contract, perhaps because  the users do not want  to assume  the obligation of 

paying for a new PV module when the breakage was the result of human misuse.  

After the evaluation of these figures, we have concluded that there  is not enough  information to 

characterize PV module failures (we only have 40 failure inputs). The evaluation of the failure rate 

for  the PV modules will need more details on  the  causes of  the  failure and an  in‐the‐field peak 

power degradation and thermographic analysis. An in‐depth analysis on this is presented in Chapter 

4. 

3.3.2 Reliabilityfunctionsofcomponentsandsystem

The parameters (σ, θ) for Normal fit and (γ, λ) for Exponential distribution have been calculated and 

are  shown  in  Table  14.  We  see  elevated  goodness  of  fit  coefficients  (ρ)  for  each  of  the  fit 

distributions proposed.  

Table 14: Parameters of normal and exponential reliability functions, correlation coefficients and MTTF of the SHS components with 95% confidence bounds 

Parameter  BATTERY CHARGE 

CONTROLLER 7W LAMP  11W LAMP 

Reliability 

Normal 

θ (years)  5.46  ‐  ‐  ‐ 

σ (years)  2.27  ‐  ‐  ‐ 

Exponential 

λ (% / year)  ‐  3.67   5.96  5.97 

γ (year)  ‐  0  ‐0.294  ‐0.288 

Goodness of fit Correlation 

coefficient (ρ)  0.9762  0.9973  0.9939  0.9954 

MTTF (years). 

95% confidence bound 

5.5  

± 3.4% 

27.2  

± 9.5% 

16.5  

± 4.0% 

16.5  

± 7.0% 

 

The R(t) and λ(t) functions have been determined from the parameters  in Table 14 and equations 

from Table 12. We can  see  in Figure 27  that  lamps and charge controller  reliabilities are greater 

than battery reliability after the 2nd and 4th operating years respectively. Table 14 shows that the 

Page 75: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 3: Reliability Assessment of SHS Components 

63 

two  lamps  have  an  identical  failure  rate;  (λ≈5.9%/year)  being  a  higher  value  than  the  charge 

controller  (3.67%/year). The battery  failure  rate, however,  increases over  time,  typical behaviour 

when an ageing process is predominant. 

The reliability of the system has been calculated according to the following series model diagram 

(Figure 26): 

 

Figure 26: Block diagram representing the SHS series reliability model made up of 7 independent components. It is assumed that lamps work in a series model, because if just one lamp fails, one of the 

household rooms will not have lighting, hence the system will have failed 

It is assumed that the SHS is made up of 7 independent components. The system fails when one of 

the components fails. The main goal of an SHS  is to provide energy to the  loads (lamps and small 

household  appliances).  If  the  PV module  or  charge  controller  does  not  work,  the  battery  will 

become damaged  through  lack of  charge or/and deep discharge.  If  the battery  capacity  crashes, 

there will be no energy available to feed the charges, hence, the system fails. As regards the lamps, 

they are not working in series within the system, but we have assumed that when one of the lamps 

fails, because of  the  lack of  service  in  the  room where  this  lamp worked,  then  the  system  fails. 

Usually, when 1 lamp fails, a wide area of the dwelling will have an absence of lighting, and we have 

considered this fault as an overall failure of the system. Hence the proposed SHS model operates 

according to a series of system lamps. 

As regards PV module reliability, it is considered to be close to 1 [177] in order to calculate the SHS 

reliability function as the product of the individual component probabilities of survival [178]: 

  RSHS(t) = ΠRi(t) = RPV(t) RBAT(t) RCC(t) R7WL(t) R7WL(t) R7WL(t) R11WL(t)     (6) 

The RSHS(t) function  is plotted  in Figure 27.  It shows an exponential tendency and a very negative 

steep slope resulting from the battery function effect. On the other hand, the SHS series failure rate 

λSHS(t) function is the sum of the individual component failure rate, as shown in Figure 28: 

  λSHS(t) = ΣRi(t) = λPV(t) + λBAT(t) + λCC(t) + λ7WL(t) + λ7WL(t) + λ7WL(t) + λ11WL(t)  (7) 

PV module 

RPV(t) 

11WDC Lamp 

R11WL(t) 

7WDC Lamp 

R7WL(t) 

Pb‐acid Battery 

RBat(t) 

Charge Controller 

RCC(t) 

7WDC Lamp 

R7WL(t) 

7WDC Lamp 

R7WL(t) 

Page 76: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

64 

 

Figure 27: Charge controller, battery, 7 & 11 W lamps, and series system (SHS) reliability functions 

 

 

Figure 28: Charge controller, battery, 7 & 11 W lamps and series SHS failure rates 

Finally,  the MTTF  figures  for every  component  are  shown  in Table 14. This parameter has been 

calculated by  taking  into account a 95% confidence boundary  [179]. Note  that  the battery  is  the 

component with the lowest MTTF value (5.5 years ±3.4%) which is in accordance with its reliability 

and failure rate functions. On the other hand, the most reliable component is the charge controller 

(27.25 years ±9.5%). Finally, the  lamps have a very similar MTTF value between them  (16.5 years 

±4%  for  7W  lamps  and  16.5  years  ±7%  for  11W  lamps).  It  is  important  to  note  that  the MTTF 

concept has  a different meaning  according  to  the distribution model  chosen.  In  the  case of  the 

Page 77: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 3: Reliability Assessment of SHS Components 

65 

battery, whose  failure  distribution  fits  a  Normal model,  5.5  years  is  the  time  in which  50%  of 

batteries will have failed. In the case of the charge controller, the MTTF figure means that 36.8% of 

devices will have survived after 27.25 years. The case of the  lamps, whose distribution model  is a 

two‐parameter  exponential  function,  is  similar  to  that  of  the  charge  controller,  except  that  the 

location  parameter  γ  intervenes  in  the MTTF mathematical  expression  in  accordance  with  the 

equation  from Table 12. Therefore 36.8%  lamps will  fail before 16.5 years  for both 7 and 11WDC 

lamps. 

As regards the accuracy of the calculated MTTF, it can be observed that the confidence bounds are 

very close (less than 10%), therefore, their values have a low uncertainty. 

Some authors [180] have studied the mean lifetime of charge controllers and solar batteries based 

on  standard  reliability  level  electronic  parts belonging  to  charge  controllers.  These  studies have 

concluded with MTTF results of between 30 – 40 years for charge controllers and 6 – 10 years for 

solar batteries. These theoretical results, based in exponential distributions, are significantly higher 

than the experimental results shown  in this work, but they may serve as a comparative reference 

for the MTTF ranges achieved in our study. 

3.4 APPLICATIONEXAMPLE

The reliability, and therefore the accumulated cost, of a PVRE programme  is directly  linked to the 

material’s repairs and replacements when some of the devices fail. The ESCO is forced to draw up a 

forecast  for  the maintenance  period  in  order  to  calculate  the  optimal  stock  of  spare  parts,  the 

number of technical teams and how many vehicles will be necessary, among other things. Then, an 

application  example  of  the  resulting  reliability  functions  is  proposed  in  order  to  determine  the 

annual  stock of  spare parts  required  for  a hypothetical 100,000  SHS programme with  a  10‐year 

maintenance period. The  results,  in  terms of number of units of  the spare‐part stock per year,  is 

shown in Table 15: 

Table 15: Maintenance period forecast for a 100,000 SHS PVRE programme with 10 years of maintenance. Figures represent the device‘s units required per year 

Year  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 

Charge Controllers 

3,670 per year 

7W Lamps  17,880 per year 

11W Lamps  5,970 per year 

Batteries  2,700  5,910  10,834  16,704 21,677 23,497 21,801 18,82  16,618  16,855

 

As shown in Table 15, charge controllers and lamps have a constant failure rate, unlike the battery’s 

spare parts, which changes every year according to the normal distribution of failures. The annual 

evolution of the quantities of spare parts is represented in Figure 29: 

Page 78: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

66 

 

Figure 29: Annual evolution of the spare‐part requirements for a 100,000 SHS PVRE Programme with 10 years of maintenance  

3.5 CONCLUSIONS

Through this reliability study of the Solar‐PERGISO programme, the failure distribution of every SHS 

component has been evaluated in order to obtain its reliability function R(t), its failure rate λ(t) and 

its MTTF. The results achieved show the following conclusions: 

Charge controller and  light  lamp  failure distribution can be established by an Exponential 

function. The 2 types of lamps (7 and 11 WDC) show an identical behaviour as regards their 

reliability function and failure rate and MTTF parameters.  

Battery failure distribution is better established by a Normal function. Although the failures 

in the first 1.4 years do not fit the normal model exactly, the whole failure distribution has a 

high goodness of  fit and  it presents a correlation coefficient  close  to 1.  In  these  first 1.4 

years,  failure  distribution  fits  a Weibull model with  a  scale  parameter  β  of  less  than  1; 

hence  the  failure  rate  in  this period has  a decreasing  tendency,  corresponding  to  infant 

mortality causes. 

As  regards  the  PV modules  analysis,  the maintenance  database  does  not  give  enough 

information about  the  failure mechanisms of  this component. The  failures  found were: 3 

damaged diodes, 10 frontal glass breakages and 6 hotpots at the junctions between cells. 

The  resulting  R(t)  and  λ(t)  functions  have  been  shown  for  each  component  and  for  the 

whole system. It is important to note that battery is the main limiting factor as regards the 

reliability of the system, since its reliability figures are much lower than those of the lamps 

or charge controller. 

The MTTF results show, on the other hand, that the charge controller  is the most reliable 

component (about 27.2 years ±9.5%) and the least reliable is the battery (5.5 years ±3.4%), 

while 7WDC and 11WDC LC lamps have a similar MTTF value (16.5 years ±4% for 7WDC lamps 

and  ±7%  for  11WDC  lamps).  In  these  results we  realize  again  that  the battery has  a  low 

MTTF value as opposed to those of the other components. 

5   

10   

15   

20   

25   

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Battery Charge Controller7W Lamp 11W Lamp

Nº  of spare parts / year x 103

Page 79: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 3: Reliability Assessment of SHS Components 

67 

These  results  allow  the  maintenance  structure  in  PVRE  programmes  to  be  characterized.  The 

calculation of  the  spare‐parts  stock over a period of 10 years  for a 100,000 SHS programme has 

been shown as an example. It can also be very helpful when a quality improvement process needs 

to be carried out. This study shows that an improvement in quality of the battery could increase the 

system’s reliability if the battery performance reaches that of the lamps or charge controller. 

Finally,  the peculiarities of  the study  results  regarding  the  low  reliability of  the batteries and  the 

few  failures of  the PV modules have been  the  cause of a greater  in‐depth analysis of  these  two 

components, which is detailed in the next Chapter. 

   

Page 80: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

68 

 

 

Page 81: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

 

CHAPTER 4

IN-THE-FIELD ASSESSMENT OF

BATTERIES AND PV MODULES

RELIABILITY IN THE PERG PROGRAMME

Page 82: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

70 

4 IN‐THE‐FIELDASSESSMENTOFBATTERIESANDPVMODULERELIABILITYINTHEPERGPROGRAMME

4.1 INTRODUCTION

The  reliability study presented  in Chapter 3 has shown  that  lamps and charge controllers have a 

constant yearly failure rate of 6.0% and 3.7% respectively. Corresponding MTTF values are 27 and 

17 years. However, the battery, affected by ageing factors, presented a variable failure rate and its 

mean time to failure (MTTF) was 5.5 years.  

A  further  analysis  of  the  failure  database  showed  that  it  only  included  the  completely  dead 

batteries  that required replacement by new ones.  International  technical standards consider  that 

lead‐acid batteries are dead when the remaining capacity drops below 80% of their initial capacity. 

Nevertheless,  in PVRE, batteries operate  even when  the  remaining  capacity  is much  lower  than 

80%,  namely  until  the  user  perceives  that  the  battery must  be  replaced.  Consequently,  further 

studies to analyse the capacity degradation of the batteries and to establish their real lifetime and 

reliability are required. 

On the other hand, PV modules were not analysed  in the previous reliability study because of the 

very low failure data found in the database: just 20 failures out of 13,600 installed PV modules. This 

low  failure rate did not allow a proper reliability study  to be carried out, but  it  indicated that PV 

modules have a very high reliability as regards the other components. 

This  Chapter  describes  two  in‐field  assessments  carried  out  in  the  Moroccan  Solar‐PERGISO 

programme to determine both, the capacity deterioration of the batteries and the quality status of 

the PV modules when operating under  real  conditions  in a  sample of 41  SHSs  from 6 provinces 

(Figure  30).  In  32  of  these  dwellings  a  datalogger  has  been  installed  to  record  the  battery’s 

operating parameters. 

As already mentioned, the Solar‐PERGISO region is located partly in a mountainous area (50% of the 

region  is  covered  by mountains),  and  partly  by wide  desert  areas.  Climate  varies  between  the 

different areas, but the continental climate predominates with very hot summers and cold winters 

(it  becomes  very  dry  and  extremely warm  during  the  long  summer,  especially  in  the  southern 

lowlands). In the mountainous regions rainfall can reach up to 350 mm per year and snow also falls 

in winter. Precipitation in the south can reach 100 mm per year. Horizontal solar irradiation varies 

between  4.7  and more  than  5.5  kWh/m2/day  as  yearly  average.  This  allows  batteries  and  PV 

modules to be tested under very different climatological conditions. 

Page 83: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 4: In‐Field Assessment of Batteries and PV Modules Reliability in the PERG Programme 

71 

 

Figure 30: Moroccan PERG region divided into 12 provinces (shaded area). The table indicates the battery, datalogger and PV module sample distribution in the different provinces. 

4.2 IN‐FIELDBATTERYTESTING

The  battery  used  in  the  Solar‐PERGISO  is  a  flat  plate,  lead‐acid,  SLI  (starting‐lighting‐ignition) 

technology produced in Morocco (data sheet in Table 16). Note that this is the lowest cost battery 

technology used  in PV  stand‐alone applications, and  in  this  case,  it  reached a  cost of 100 €/SHS 

(0.06 €/Wh). On  the other hand,  the SHS's battery was  sized  for an autonomy of 5 days  (tender 

condition), which means that considering 150Ah as nominal capacity (Cnom), and a designed depth 

of discharge DOD = 40%, it can be deduced that the design load was Ld = 12 Ah/day. 

Table 16: Battery data sheet [181] 

Storage capacity  150 Ah C20, at 20 °C and 10.8 V (1.8 V per cell) as final discharging voltage 

Autonomy  5 days (DOD=40% and daily load Ld=12 Ah) 

Electrolyte density  1.26 g/cm3 at 20 °C 

The charge controller (CC) is a PHOCOS CML‐15 model, which has a pulse width modulation (PWM) 

control  including  a  temperature  compensation  algorithm.  It  protects  the  battery  against  deep 

discharge cutting the load consumption when the battery reaches 11.4 V (at 25°C), as required by 

Province BatteriesData‐

logger

PV 

modules

Beni Mellal 14 12 0

Azilal 8 8 6

Marrakech 2 2 0

Al Haouz 2 1 0

Ouarzazate 11 9 23

Zagora 3 0 12

Total 40 32 41

Page 84: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

72 

the Solar‐PERGISO technical specifications  imposed by the programme promoter (the ONEE). Other 

features can be found in the manufacturer’s datasheet [182]. 

In order to analyse battery ageing rates, we have substituted existing batteries with new ones at 40 

SHSs already  in operation for more than 5 years.  In this way, energy consumption habits must be 

stabilized.  32  of  these  SHSs  have  also  been  equipped  with  the  PHOCOS  CX20  model  charge 

controllers [182], capable of recording past daily energy consumption values.  

Several capacity tests have been carried out in these new batteries throughout their operating life 

as detailed in Table 17. 

Table 17: Different battery capacity tests achieved during their operation under real conditions 

Test  1.1  1.2  2  3  4 

Month 0 

(as delivered by the manufacturer) 

0 (after initial full charge) 

6  12  18 

 

Tests 2, 3 and 4 have been carried out by temporally collecting the batteries from the households 

and putting  them together on a testing stand  (Figure 31)  for around one week, during which the 

SHS  keeps working  through  a  spare  battery.  Initial  full  charging was  accomplished  by means  of 

largely available domestic battery chargers,  leaving the batteries for at  least 12 hours  in flotation 

after the end of the charge. Then, each battery was discharged through two 50W halogen  lamps. 

This way, the discharging current, ID, was close to C20 (ID ≈ 2x50 W / 12 V = 8.3A). Discharging was 

maintained  until  the  battery  voltage  VB  reached  10.8V.  ID,  VB,  and  ambient  temperature  was 

manually recorded every 30 minutes. So, the accuracy of the measurement is about ± 4 Ah. As the 

temperature affects the results, they have been corrected 0.5%/°C. So, we estimate an accuracy of 

the result at about 6%. The measurements of the electrolyte density were also taken both before 

and after carrying out the tests for each battery. 

Finally, one of the most degraded batteries was opened up after Test 4, and the plates extracted for 

direct visual inspection. 

 

Figure 31: Left: Battery test stand for capacity testing. Batteries are connected to a resistive load that consists of two halogen lamps of 50W each; Right picking up the battery from one of the dwellings of the 

sample 

Page 85: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 4: In‐Field Assessment of Batteries and PV Modules Reliability in the PERG Programme 

73 

Figure 32  shows  the voltage evolution of one of  the batteries  in Test 1.2. Note  that  the voltage 

drops  slowly  during  the  discharging  process  but  it  falls  quickly when  voltage  is  close  to  11.4 V, 

which means that the DOD when the batteries reach the CC low voltage disconnection is practically 

100%.  This  reveals  that  the  protection  threshold  was  incorrect  and  it  was  not  protecting  the 

batteries, although, as will see below, this does not seem very relevant, since excessive discharging 

rates are not common. 

 

Figure 32: Voltage and energy curves of one of the battery discharging tests. The crosses above the voltage line represent the different readings taken during the test. The dashed line above the light grey area 

represents the capacity extracted from the battery when the charge controller disconnects the battery at 11.4V. The dashed line above the thin and darker area shows the remaining capacity of the battery 

between 11.4 and 10.8 V.  

4.2.1 Capacityresults

Figure 33 shows the battery capacity histograms for the 40 batteries as delivered (Test 1.1) and 

after the initial charge (Test 1.2). Figure 34 describes the time evolution of the capacity once the 

batteries are in operation (Test 1.2, 2, 3 and 4). Table 18 summarizes the corresponding mean and 

standard deviation values. 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

13.0

14.0

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00

Voltage(V)

Voltage (V) Energy (Ah)

Time (h)

Energy (Ah)

11.4 V10.8 V

Page 86: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

74 

Figure 33: Capacity distribution of batteries from tests 1.1 (after delivery by the manufacturer) and 1.2 (after initial full charge). Note that characteristic capacity distribution of test 1.1 is broader than that of 

test 1.2 and its mean value is shifted to the left 

 

 

Figure 34: Capacity representation of the entire battery sample on the Tests number 1.2, 2, 3 and 4. Note that from Test 2, the average capacity is situated below 80% as regards the nominal capacity 

   

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%Measured Capacity / Nominal Capacity

Test 1.2 Test 4Test 3Test 2

18 months

40% 

05

10

15

45%

50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

105%

Test 1.1

Test 1.2

M d i / i l i

Number of bateries

Page 87: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 4: In‐Field Assessment of Batteries and PV Modules Reliability in the PERG Programme 

75 

Table 18: Corresponding capacity (C20) mean (μ) and standard deviation (σ) for the different tests 

TEST  μC20test/C20nominal (%)  μ C20 (Ah)  σ C20 (Ah) 

1.1  84  126  15 

1.2  92  138  11 

2  76  114  16 

3  65  97  25 

4  62  94  25 

 

The following comments apply: 

Low mean and large spread capacity values of delivered batteries suggest, respectively, insufficient 

‘formation’  of  the  plates  and  poor  manufacturing  quality.  It  is  worth  remembering  that 

incompletely formed plates contain not only proper active materials  (lead dioxide on the positive 

electrodes and sponge lead on the negative electrodes) but also remnants of other materials (PbO, 

PbSO4)  which  lead  to  initial  capacities  that  are  below  the  nominal  values.  Moreover,  these 

remnants  induce  anomalous  crystallization  around  them.  Thus,  this  initial poor quality  acts  as  a 

seed for accelerated degradation. This quality problem is also seen in the broader dispersion of the 

measured electrolyte density for the total battery set (see Figure 35). 

 

Figure 35: Average electrolyte density distribution from the six cells of each battery in Test 1.2. Measurements were taken before (grey colour) and after (black) the capacity tests. The high dispersion 

could be the result of poor manufacturing quality 

 

 

0

2

4

6

8

10

12

1085

1095

1105

1115

1125

1135

1145

1155

1165

1175

1185

1195

1205

1215

1225

1235

1245

1255

1265

1275

1285

1295

1305

1315

After test

Before Test

Density (g/l)

Frecuency

Page 88: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

76 

The  initial  charge  further  helps  the  formation  of  the  plates,  leading  to  an  increase  in  battery 

capacity. However, half the specimen still shows capacities below 95% of the nominal value, which 

is  the  recommended  threshold  for SHS battery acceptance  (see  the Universal Technical Standard 

for Solar Home Systems [112]). Large capacity spread still persists. 

Not surprisingly, subsequent observed degradation rates, with  the batteries already  in operation, 

are  very  high.  An  experimental  model  of  capacity  degradation  has  been  derived  simply  by 

calculating the time that each battery is in use to reach the states corresponding to 80%, 70%, 60%, 

and  50%  of  its  nominal  capacity.  For  each  capacity  state,  there  are  some  batteries  that  have 

reached  that  state  (it  could  be  defined  as  "failures")  and  others  that  do  not  reach  that  state 

("survivors") [174]. For instance, there are 21 batteries that reached the degradation of 70% of the 

nominal capacity  (0.7∙Cnom) at some point during the 18 months of the  testing period  ("failures"), 

and 15 batteries that never reached this degradation ("survivors”). 

Figure  36  shows  that  the  unreliability  function  F(t)  of  the  batteries  that  got  70%  of  their  initial 

capacity fits a Normal distribution. Furthermore, the mean value (or mean time to failure ‐ MTTF) of 

each  one  of  the  Normal  fit  distributions  at  different  capacities  have  been  calculated  (MTTF80%, 

MTTF70%, MTTF60% and MTTF50%). Based on  these averages, an experimental degradation  function 

has been extracted relating the MTTF and the capacity degradation (Figure 37). 

 

Figure 36: Normal fit of the battery’s unreliability F(t), that is to say, the distribution of batteries that reach 70% of their initial capacity as observed in the in‐the‐field battery testing. The two contour lines indicate the 95% confidence boundary of the fit distribution. The correlation coefficient (ρ) shows how well the 

linear regression model fits the data. In this case is very close to 1, indicating a good fit. 

Failure at Cmeasured / Cinitial = 70%ρ = 0.93

UnreliabilityF(t) (%

)

Page 89: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 4: In‐Field Assessment of Batteries and PV Modules Reliability in the PERG Programme 

77 

 

Figure 37: Capacity tendency degradation of batteries extracted from the different capacity tests. When operation time reaches the MTTF = 5.5 years, the remaining capacity of the battery is just 18%. The two 

contour lines indicate the 95% confidence boundary of the degradation function 

The question of battery  lifetime deserves  further comment. Worldwide accepted standards  [183, 

184]  indicate  that batteries reach  the end of  their  lifetime when  the remaining capacity  is below 

80%  of  their  initial  capacity.  In  adhering  to  this  figure,  the  degradation  function  derived  here 

implies  that  the SHS batteries concerned would have  to be  replaced before 1 year of operation. 

However, in reality, batteries survive until the user complains about frequent blackouts. The Solar‐

PERGISO  experience  shows  that,  on  average,  this  happens  according  to  a MTTF  =  5.5  years  of 

operation.  As  shown  by  the  previously  derived  degradation  model  which  corresponds  to  a 

remaining capacity of the battery of around 18% of the nominal value. That is, international battery 

standards and SHS user behaviour differ by factors between 4 and 6, when the remaining capacity 

of the battery and lifetime are considered respectively. We think that the explanation of this rather 

astonishing  result  relies on  the  fact  that  real  energy  consumptions  are well below  the  standard 

design  values  .  Thus, most users  are  happy with  its  SHS  even  if  it performs  substantially below 

specifications. 

At  this point,  it  is  important  to  clarify  that  the  capacity  that  remains  in  the battery when  it has 

0.18∙Cini does not necessarily match  the available  capacity when  the battery operates within  the 

SHS, as evidenced below. Batteries at high capacity degradation levels have unexpected behaviours 

due to the elevated internal resistance when current is flowing in the charge and discharge states, 

and then, the charge controller’s algorithms are malfunctioning. That is the case when PV module 

charges  a  degraded  battery:  the  voltage  in  the  terminals  rises  quickly  because  of  a  substantial 

increase  in  the  internal  resistance,  and  it  is  interpreted by  the  charge  controller  as  final  charge 

voltage, and  it starts  the  floating charge mode even  if  the battery  is not  fully charged. Thus,  the 

charge of the battery by the ensemble PV module – CC does not reach the full charge and then, the 

available capacity for the user is even lower than this 18% of Cini. 

Finally,  one  of  the most  degraded  batteries  of  the  sample  (it  reached  a  capacity  of  less  than 

0.3∙Cnom) was  inspected  in  the  laboratory  in  order  to  check  the  actual  state  of  the  plates  after 

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

MTTF (years)

Capacity / nominal capacity (%)

MTTF = 5.5 years

Possible definition of  death of battery: 18 % of nominal capacity

Page 90: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

78 

carrying  out  the  Test  4.  The  electrolyte  of  the  battery was  completely  removed  and  then  the 

container was opened and the positive and negative plates of the cells extracted.  

The  inspection  showed  that most of  the positive active mass was  lost  (shedding effect) and was 

deposited at the bottom of the cells (see Figure 38). The low physical resistance of the plates to the 

mechanical loads occurred during the cycling operation can be the cause of the loss of active mass, 

thus bringing about the dramatic decrease in battery capacity and its early death.  

 

Figure 38: Loss of active mass in the positive plates in one of the cells of the battery 

4.2.2 Observationsonenergyconsumption

After the analysis of the recorded data from the dataloggers it can be seen that: 

Mean daily energy consumption is μload = 5.2 Ah/day, and the standard deviation σload= 4.18 

Ah/day, which  indicates that there  is no standard  load profile, however the real  loads are 

on average lower than the load of design (12 Ah/day). 

Despite  that,  some  users  are  affected  by  blackouts,  associated  with  the  low  voltage 

protection. This may happen on days in which energy consumption is exceptionally large. In 

fact,  disconnections  at  the most  affected  houses  are  probably  related  to  consumption 

surges during the weekend: 1/7 = 14%, which  fits with the batteries that have suffered a 

greater number of disconnections (see Figure 40(b)). 

Dataloggers  indicate  that  the  average  battery’s  depth  of  discharge  (DOD)  ranges  from 

between 30% and 50%. 

The state of charge (SOC) recorded by the dataloggers after sunset  is, on average, 70%, while the 

percentage of days in which the dataloggers indicate full charge is 74%. The results shown in Table 

19 and the histogram in Figure 39 indicate that even if most batteries reach full charge every day, 

the mean SOC after sunset is not 100%. Assuming that in general the loads start from the afternoon 

onwards, it could be deduced that the charge controllers algorithms that are used to calculate the 

SOC and the full charge state of the batteries are distorted by the battery degradation and do not 

work properly. 

   

Page 91: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 4: In‐Field Assessment of Batteries and PV Modules Reliability in the PERG Programme 

79 

Table 19: Statistical results of the SOC in the morning and in the afternoon and days in which batteries are fully charged   

 

 

 

 

Figure 39: Distribution of days in which the batteries reach the full charge as a percentage 

Given that the charge cycles of the batteries are characterized by low DOD (normal operation), with 

sporadic high DOD and  load disconnections (exceptional operation),  it can be established that the 

capacity  degradation  is  related  to  both  the  capacity  throughput  [185],  that  is,  the  quantity  of 

energy that passes through the battery, and with the number of disconnections due to low battery 

voltage  that,  according  to  the  previous  analysis,  is  not  frequent  but  can  dramatically  affect  the 

health of the battery.  

In principle, with other  circumstances being equal  (solar  radiation, ambient  temperature,  charge 

controller algorithms, etc.) the higher the energy consumption, the larger the battery degradation. 

In  fact,  this can be observed  in  reality, despite  the anomalous behaviour of  the highly degraded 

batteries analysed here. Figure 40 shows a) the average daily load (Ah) of each battery during the 

18 months of operation; b) the percentage of days with at least one disconnection of the load due 

to low battery voltage; and c) the remaining capacity of the batteries after 18 months of operation 

ranked  from  least  to most.  The  eight  batteries  in  dark  are  those whose  remaining  capacity  are 

equal to or lower than 50% of the Cnom 

 SOC morning 

(%) SOC afternoon 

(%) Battery full 

charged days (%) 

Mean (μ)  66  70  74 

Median  67  71  83 Standard Deviation (σ)  11  9  25 

Mode  61  71  99 

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Days with full charged battery(%)

Battery frecuency

θ = 74% σ = 25%

Page 92: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

80 

 

Figure 40: Bars in the same vertical position correspond to the same battery; a) Average daily load(Ah); b) Percentage of days with low voltage disconnections; (c) Remaining capacity of batteries after 18 months of 

operation measured in Test 4. In dark, the 8 most degraded batteries (less than 50% capacity) 

The  data  represented  in  Figure  40  (a),  (b)  and  (c)  can  be  merged  in  a  mathematical  linear 

combination  such  as  z=Ax+By,  where  x  represents  the  percentage  of  days  of  low  battery 

disconnections, y the average daily  load (in percentage as well) and z the capacity degradation. A 

and B are two parameters calculated for the best linear regression (A = 0.42; B = 0.58) (see Figure 

41). 

 

 

 

0

5

10

15

a) Daily average load energy (Ah)

0%

5%

10%

15%

20%

b) Days of low battery disconnections (%)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

30 24 09 22 36 16 03 02 15 40 21 01 13 06 28 10 11 39 08 38 23 04 29 12 37 14 26 27 31

Code of each battery from the sample

c) Capacity Test 4 (CT4/Cnom)

Page 93: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 4: In‐Field Assessment of Batteries and PV Modules Reliability in the PERG Programme 

81 

 

Figure 41: Relationship between the degradation of the batteries (CT4 / Cnom) and the combination of both the percentage of days of low battery disconnections (x) and the average daily load percentage (y) with 

respect to a normalized load of 20 Ah. A and B are two parameters calculated for the best linear regression when compared with battery degradation. The results show that A = 0.42 and B=0.58 

These results suggest that battery's degradation is affected by the combination of both the normal 

and the exceptional operation roughly  in the same proportion according to the values of A and B. 

The  goodness  of  fit  is  supported  by  a  R2  =  0.494, which  is  a  representative  value when  social 

behaviours are  involved, as  is  the case  in SHS where  the users are not only consumers, but also 

managers of the systems. 

4.3 IN‐THE‐FIELDPV‐MODULETESTING

The PV module model is an ISOFOTON IS‐80S, consisting of 36 monocrystalline silicon cells and, at 

the moment of the testing, they had been working for a period of 6.15 years on average. 

The testing method consisted of in‐the‐field measuring of the I‐V curve of the PV modules by means 

of a capacitive load [186]. This I‐V curve has been extrapolated to standard test conditions (STC) to 

extract the peak power of the PV modules. Then, this actual peak power has been compared with 

the power of the flash report provided by the manufacturer as a part of the quality control carried 

out at the end of the manufacturing process. 

During  the  test,  the on‐plane effective  irradiance, Geff, and cell  temperature, Tc  [187], have been 

measured  from  a  coplanar  reference  PV module  [188,  189],  of  the  same model  as  that  of  the 

sample. Thus, uncertainty due to thermal, angular and spectral responses is not an issue. As shown 

in  Figure  42,  after  cleaning  both modules  and  waiting  for  cell  temperature  stabilization  (both 

modules must reach similar temperature values), the capacitive  load test  is carried out when the 

effective irradiance is above 800 W/m2 [189] in order to minimize uncertainty. 

 

 

Linear regression:R² = 0,494

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

Ax+By

Capacity in Test 4 / nominal capacity

Page 94: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

82 

 

Figure 42: Outdoor measurement equipment. The PV module below is one of the sample modules, and the upper one is the reference module. Both are stabilized in temperature before testing and they are installed in the same plane. The calibrated cell is used to check that the effective irradiance Geff is greater than 800 

W/m2 when carrying out the test 

The main  statistics  of  the  results  are  summarized  in  Table  20  and  Figure  43, where  ΔIm*  is  the 

variation of the maximum current with respect to that of the flash report and ΔPm* is the maximum 

power variation with regard to the same report. 

Table 20: Statistics of the PV module degradation, in STC conditions, related to the data from the manufacturer flash report after 6.15 years of operation 

  ΔIm*(%)  ΔPm*(%) 

Mean (μ)  ‐4.8  ‐6.7 

Median  ‐5.0  ‐6.7 

Standard deviation (σ)  ‐1.6  ‐2.0 

 

The test shows a mean reduction of PM* in 6.7%, and the standard deviation σ = 2.0%. 

Reference PV module 

Sample PV module 

Calibrated cell 

Capacitive  load & 

oscilloscope box 

Page 95: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 4: In‐Field Assessment of Batteries and PV Modules Reliability in the PERG Programme 

83 

 

Figure 43: Distribution of the measured loss of power of the 41 PV modules after 6.15 years of operation 

We can assume that the mean annual power (PM*) degradation corresponds to 1.1%. However, PV 

modules  can  experience  a  premature  degradation  after  the  first  hours  of  exposure  to  solar 

radiation. The possible early degradation is included in this yearly rate, since degradation in the first 

days of operation was never measured. Considering  an  early degradation  in  terms of maximum 

power PM* between 0% and 4%  [190], we  can  conclude  that  the mean  yearly degradation goes 

from 0.4% to 1.1%, which is consequent with other reported experiences [191, 192]. 

Inspection of hotspots has been  carried out with a  thermographic  camera  (model  Infracam FLIR 

E60). The  results show  that only one PV module presented  temperature variations  (ΔT) between 

cells higher than 20 °C. That PV module had a ΔT of around 30°C, reaching a hot‐spot temperature 

of 86°C (see Figure 44).  

 

Figure 44: Thermal image of the rear side of a PV module showing a hot cell 30°C higher than the other surrounding cells of the module 

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0

Freq

uen

cy (nºmodules)

Loss of power (%)

Mean = 6.7%Standard deviation = 2.0%

≈30 °C 

Page 96: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

84 

It has been observed, as well, some visual defects  in a  few PV modules, such as browning  in  the 

encapsulation ethylene‐vinyl‐acetate  (EVA)  layer  [193, 194], or defects  in small areas of  the anti‐

reflective  coating  in  one  cell  [169],  but  because  of  its  low  frequency  they  have  no  statistical 

relevance in this study.  

4.4 CONCLUSIONS

In order to analyse the battery degradation process, a sample of 40 batteries installed in the Solar‐

PERGISO has been periodically tested over a period of 18 operation months. The main results are: 

i. On  average,  the  capacity  drops  to  60%  of  the  initial  capacity  after  eighteen months  of 

operation. In  less than six months the batteries have reached a remaining capacity of  less 

than 80% of the nominal capacity, the threshold usually used to define the battery lifetime, 

which is not the case for PVRE users. 

In  spite  of  this  fast  degradation,  past  studies  based  on  the  O&M  database  show  that 

batteries keep working for much longer (MTTF=5.5 years) until the users perceive that the 

SHS does not satisfy their needs and ask for the replacement of the battery. 

Correlating  these  two  results,  a  model  has  been  proposed  to  calculate  the  remaining 

capacity  that  leads  to  user  dissatisfaction,  which  is  18%  of  the  initial  capacity  for  this 

particular programme. 

ii. Based on current recorded data,  it has been determined  that there  is no a standard  load 

profile, but  loads are  in general very  low as regards the storage capacity of the batteries. 

The mean load consumption has been μload=5.2 Ah/day and the standard deviation σload=4.2 

Ah/day.  It must be noted that the design  load was much higher (12 Ah/day), which could 

suggest that battery degradation would have been more accelerated if both design and real 

loads  had  been  closer.  This  leads  to  an  operation  normally  based  on  a  high  SOC, with 

sporadic events of low battery disconnections. A model that correlates these two types of 

operation with the battery capacity degradation has been proposed. 

iii. The reasons for this fast degradation of the battery capacity could be as follows: 

Bad  manufacturing  quality  of  batteries.  The  in‐the‐field  testing  has  exhibited  a  rapid 

degradation of batteries even working at  low  loads. Moreover,  they have  shown a wide 

dispersion  in terms of capacity and density of electrolyte. Ultimately, the visual  inspection 

of  the  plates  from  one  of  the most  degraded  batteries  has  shown  the  dramatic  loss  of 

active mass in the positive plate which suggests a very low physical resistance of the plates 

The behaviour of degraded batteries  (with  capacities of  less  than 0.8∙Cnom)  is difficult  to 

predict, which makes it very complex to adapt the algorithms of the charge controllers. 

The  threshold of  the  Solar‐PERGISO  charge  controller,  to protect  the battery against over 

discharge, allows a DOD close  to 100%, which  is completely  incorrect, although  this does 

not seem to be very relevant, since excessive loads are not common 

Page 97: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 4: In‐Field Assessment of Batteries and PV Modules Reliability in the PERG Programme 

85 

The results and conclusions reported in this Chapter could lead to the question of the convenience 

of  using  local  manufactured  batteries  in  rural  electrification  programmes.  It  is  assumed  that 

manufacturing quality depends only on the quality process and raw materials used and not on the 

country, but  it  is also true that quality  involves an  increase  in prices, and therefore, this must be 

adapted  to  the  local markets.  However,  successful  experiences  have  taken  place  in  Brazil  and 

Bolivia where  local  batteries  have  been  used  in  PVRE  programmes  (according  to  author's  own 

sources). Thus, the use of local batteries in general must not be excluded, but compliance with the 

minimum quality standards should be tested. 

As regards the PV modules, a set of 41 mono‐crystalline modules have been tested  in the field to 

assess their state of quality, resulting in a mean power degradation rate of between 0.4% and 1.1% 

per  year,  which  matches  other  experiences  reported  in  the  bibliography.  Defects  related  to 

hotspots,  broken  diodes,  browning  and  other  defects  are  almost  negligible.  Hence,  silicon  PV 

modules  show good  reliability behaviour, especially when compared with  the other SHS devices, 

such as batteries, lamps or charge controllers. 

   

Page 98: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

86 

 

 

Page 99: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

 

CHAPTER 5

CHARACTERIZATION OF THE

OPERATIONAL & MAINTENANCE COSTS

Page 100: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

88 

5 CHARACTERIZATIONOFTHEOPERATIONAL&MAINTENANCECOSTS

5.1 INTRODUCTION

As mentioned above, most PV rural electrification projects based on solar home systems (SHSs) and 

fee for service concept [50, 114] have failed because real operation and maintenance (O&M) costs 

have been  larger  than  initially expected  [120, 160, 158]. Fees  lower  than  the  real  cost produces 

serious financial  imbalances, making O&M unfeasible and  leading to the abandonment of SHSs by 

the ESCOs. 

In  fact, despite many programmes and subsequent evaluations having been carried out since the 

1970s  [17,  66,  115,  195,  196,  197,  198,  199,  200],  real O&M  costs  are  hardly  reported  at  the 

available  literature  [201],  making  difficult  the  task  of  designing  new  SHSs  programmes  with 

appropriate maintenance and management structures. 

This Chapter presents an assessment and evaluation of the operation and maintenance costs of the 

Solar‐PERGISO  programme, with  the  aim  of  characterizing  its  cost  structure.  Based  on  the  data 

extracted from the 5‐year operational costs of the ESCO, the programme has been analyzed to take 

out the most relevant economical aspects  involved  in the O&M phase as well as the comparative 

appraisal between the 3 main activities: installation, O&M and management.  

Remember that the Solar‐PERGISO rules provided that the ESCO must guarantee the SHS for a period 

of 10 years, during which it must repair or replace the damaged components. It is also responsible 

for collecting the monthly fees that the users must pay for the maintenance service. These fees are 

established by  the ONEE utility at 4.9 €/month/SHS  (excluding VAT),  that  it  is equivalent  to 59.0 

€/year/SHS. This fee will remain unchanged over the 10 years of maintenance service. 

5.2 COSTANALYSIS

We will distinguish 3 main activities  (see Figure 45):  installation, O&M and general management. 

The installation refers all the work and activities required to install the SHSs, as well as the purchase 

of  equipment  and  the marketing.  The  operation  and maintenance  of  the  systems  requires  the 

technical maintenance of the SHSs (including spare parts) and the collection of user’s fees. 

The general management (ESCO headquarters, management staff, etc) is linked to the others, so it 

can be considered as an  indirect cost. However, the management has been taken  into account as 

an independent activity in this study.  

The  different  costs,  such  as  taxes,  banking  fees,  insurances,  staff  training,  office  supplies, 

contingences  fees,  financial expenses,  transports,  customs, etc, are  included  in  these 3 activities 

according to their involvement in each one. 

Page 101: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 5: Characterization of the Operational & Maintenance costs  

89 

 

Figure 45: Solar‐PERGISO programme activities 

It  has  been  necessary  to  assign  every  unit  cost  from  the  accounting  database  to  the  different 

activity  levels  as  represented  in  Figure  45.  The  cost  allocation  of  the  first  5  years  of  the  Solar‐

PERGISO programme according  to  the different activities classification are shown  in Figure 46 and 

Table 21:  from 2006  to 2008  the activity was mainly devoted  to  the  installation of  the SHSs, and 

2009 ‐ 2010 to the operation and maintenance service. Obviously, O&M was also carried out from 

2006 to 2008 for already installed SHSs. 

The total expenses  in these 5 years reached the amount of €12.5 million, distributed as shown  in 

Figure  46.  Note  that  we  have  considered  every  expense  involved  in  the  development  of  the 

programme, taking into account all operative and financial costs before amortization. 

 

 

Figure 46: Distribution of actual costs in the first 5 years of programme 

 

 

0 €

100 €

200 €

300 €

400 €

500 €

600 €

700 €

800 €

900 €

2006 2007 2008 2009 2010

Equipements

Installation

Marketing

Fees collection

Maintenance & Spare parts

General management

Year

€/SHS

End of the installation phase

Page 102: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

90 

Table 21: Solar‐PERGISO cost balance (units in €/SHS). Note the elevated costs of the O&M activities in 2009 and 2010, where just the cost of collecting the monthly fees represents almost half of the fee collected 

Item  2006 2007 2008 2009  2010

Equipment  478  461  454  ‐  ‐

Installation  87  84 81  ‐  ‐

Marketing  94  80 64  ‐  ‐

Fee collection  12  10 8  26   24

Maintenance & Spare parts  15 15 16  33   40 

General management  112  54  36 23   18

Total (€/SHS)  798 704  659 82  82

 

Given the failure rate of the SHS components  in this programme (see Chapter 3), and considering 

that the total number of SHSs in the O&M phase (13,449) remains practically fixed, it is reasonable 

to suppose that the O&M costs in 2010 are representative of the following years. Therefore, we can 

calculate  the whole cost of  the programme after  the 10‐year period of O&M  just by making  the 

hypothesis that the yearly discount rate will be similar to the inflation rate in the coming years. 

In this way, the Solar‐PERGISO, whose completion year will be in 2018, should have an overall cost of 

€21.2 million, which when referring to all the installed systems is €1,574/SHS. 

We  can  see  in  Figure  47  that  the  installation  costs  are  similar  to  the O&M  costs  for  the whole 

programme period, and  that  the major costs are  the  initial equipment  (29.4%)  in  the  installation 

phase, and the maintenance activity including spare parts (26.5%).  

 

Figure 47: Overall cost distribution of the Solar‐PERGISO programme for 13,449 SHSs and 1.008 MWp installed (considering 75 Wc/SHS). Percentage distribution of costs for each group of activities 

O&M Management9.4%

Maintenance26.5%

Fee Collection14.9%

Equipments29.4%

Marketing5.0%

Installation5.7%

Installation Management

9.1%

Before set‐up

Management (18.5%)

Installation (40.1%)

O&M (41.4%)

After set‐up

Page 103: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 5: Characterization of the Operational & Maintenance costs  

91 

5.2.1 Installation

We must consider that the equipment costs, during the  installation phase, was  influenced by two 

important facts: 1) the prices of the PV modules went up considerably as compared to the previous 

years, reaching more than €3.5/Wp (€262/SHS) in the 2006‐2008 period; 2) the market price of lead 

shot up  reaching  limits greater  than 4  times  its  cost  in 2005, which directly affected  the battery 

costs, in which the cost of the lead is 50% , reaching €0.75/Ah (or €1.51/Wp). So, the purchase price 

of the PV kits was around €6.2/Wp (€465/SHS). Note that, at the photovoltaic market current prices 

of 2015  (around €0.8/Wp  for  "small  size" PV modules),  the  cost of  this PV  kit would be around 

€3.7/Wp  (€277/SHS). However,  this dramatic  reduction  in PV module  cost means  just  an 11.6% 

decrease in the cost of the programme, showing that the cost of PV module is not the key point in 

decentralized rural electrification.  

5.2.2 O&M

Maintenance includes both spare parts and the maintenance structure. Its cost represents 26.5% of 

the overall programme cost, as observed in Figure 47, and it can be expressed as an annual 9.01% 

of  the  equipment  investment  (€41.7/SHS∙year).  This  figure  is  so  far  from  other  figures  found  in 

some publications [155, 156, 157], where the maintenance cost is estimated at 1 – 3% per year of 

the investment in equipment.  

Costs  involved directly  in  the maintenance are  shown  in  Figure 48. We  see  that  the  cost of  the 

spare  parts  is  the  most  important  (€22.9/SHS∙year),  especially  battery,  which  represents 

€19.25/SHS∙year (according to MTTF = 5.5 years [18]), followed by lamps: €2.93/SHS∙year (MTTF = 

16.5 years). 

 

Figure 48: Maintenance cost structure (note that fee collection cost is not included) 

The  second  largest  cost  of  the  maintenance  is  the  maintenance  structure  (€14SHS∙year).  This 

structure  refers  to  the direct  costs of  this  activity  related  to  staff, offices,  stores,  vehicles,  fuel, 

€0.95 

€3.86

Battery  €19.25 

Charge C.  €0.61

Lamps  €2.93

D. water  €0.11

General Maintenance 

Structure  €3.19 

Local  Maintenance 

Structure  €10.81

‐ €

5 €

10 €

15 €

20 €

25 €

Equipments (spare parts)

Maintenance structure

Transports Other costs

€/SHS/year Total maintenance cost: 

€41.7/SHS/year

54.9% 9.3%2.3%33.6%

% of the total maintenance cost

Page 104: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

92 

telephone,  etc.  These  costs  are divided between  the  local  structures  close  to  the  SHSs,  as  local 

agencies, technical staff, etc; and the general structure located in the ESCO headquarters. Over 75% 

of  costs  are  attributed  to  the  local maintenance  structure  (€10.81/SHS∙year),  versus  the  general 

maintenance structure (€3.19/SHS∙year). This data confirms again that the decentralized character 

is  a  very  important  factor  in  a  PVRE  programme:  for  example,  the  cost  of  fuel  is  as  high  as 

€5.5/SHS∙year, and the annual distance per SHS travelled by the O&M vehicles is 57 km/SHS∙year.  

Distilled water  (€0.11/SHS∙year)  is  associated  to  the open  lead  battery used  in  this programme. 

However, the cost of the maintenance  linked to the distilled water for the batteries  is 30% of the 

total cost of  the battery maintenance  (the part of  the overall maintenance cost  intended  for  the 

battery, which includes the spare parts, a part of maintenance structure, transport and other costs), 

and represents 6% of the overall cost of the programme (€9.5/SHS∙year). This activity requires the 

SHSs to go at least once a year, and recommendable once every 6 months. This opens the door to 

evaluating  the  convenience  of  using  “free  maintenance”  batteries,  which  do  not  require  this 

practice. 

Within  the maintenance  activity,  the  cost  of  transport  refers  to  the  transport  of  spare  parts  to 

supply the  local stores, plus the  import of goods which are acquired from outside of the country. 

Under "other costs" we  refer  to  the documentation  (maintenance  forms),  financial expenses and 

other contingencies. 

Another of the major costs of the programme is the fee collection activity (14.9% of the total cost – 

or €23.4/SHS∙year ‐ as shown in Figure 47). The method of carrying out this activity is based on the 

daily presence of the ESCO staff  in the main rural communities from each region, coinciding with 

the days  in which  the  local markets  (souks) are organized, and demands a great effort  in human 

capital and mobility, which justifies its high cost.  

In  addition  there  is  another  circumstance  which makes  the  activity  even more  expensive:  the 

management  of  non‐payment. When  the  user  does  not  pay  the monthly  fee  for more  than  3 

months, the ESCO agents must go to the user’s dwelling in order to collect the arrears, or even to 

rescind  the  subscription  contract and  remove  the PV  system. This activity  is  very delicate and  it 

further  increases  the  cost of  the  fee  collection work. After  the  end of  the  installation phase,  in 

2009, the ESCO rescinded 151 customer contracts because of non‐payment of monthly fees.    

Considering all of the O&M costs over the whole duration of the project (2006 – 2018), we can get 

the average yearly cost of the O&M: €76.03/year∙SHS,  just €59.09/year∙SHS being the yearly user 

fees.  Making  a  cash‐flow  balance  for  a  5%  constant  annual  discount  rate,  and  given  a  ideal 

collection rate of 100%, we will reach a total deficit of €3.4 million for the O&M activity over the 

duration of the whole project. 

In order to evaluate the accumulative costs of the main SHS components during the whole duration 

of the programme, Figure 49 shows the component cost of installation as well as their replacement 

when they fail (initial installation + spare parts). 

Page 105: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 5: Characterization of the Operational & Maintenance costs  

93 

 

Figure 49: Detail of the general costs during the whole duration of the programme. The equipment costs are made up both of the initial installation and the spare parts of the maintenance activity. Figures in 

brackets detail the cost per SHS. 

From Figure 49  it  is shown that the most  important cost of the programme  is not the PV module, 

but the battery and the general management (both 18.5%). The PV cost of the module, of course, is 

significant, but it accounts for just 15.5% of the overall cost. Considering 2015 PV market prices, the 

PV module would mean only 4.36% of the cost of the programme. 

5.2.3 Management

The relevance of the general management activity within the cost structure (18.5% of the overall 

cost  as  shown  in  Figure  47  and  Figure  49)  must  be  highlighted.  The  ESCO  had  designed  the 

management  structure  for  a  34,500  SHSs  programme  as  initially  planned.  The  lack  of  potential 

customers and the electric grid expansion achieved by the ONEE, dramatically  limited the number 

of SHSs  installed. This fact suggests that the size of the PVRE programmes must be big enough to 

support the high cost of decentralized management structures. 

5.2.4 Energycost

Finally, we can reach a  figure of  the electricity cost by calculating  the electricity available  for  the 

users for the whole duration of the project. Taking into account that the daily average radiation on 

the tilted surface is around 5.5 kWh/d/m2 and considering the performance loses (75%), we obtain 

an available overall production of 15.19 GWh for the 13,449 SHSs over 10 years, leading to a cost of 

€1.39/kWh ( not so far from the figures of other programmes, e.g. India: US$0.65 – 1.35/kWh [202], 

Zambia: US$1.6  –  2.1/kWh  [203]  or  some African  countries: US$0.45  –  1.30/kWh  [20]). On  the 

other hand,  the  tariffs  for on‐grid  electricity  in Morocco  goes  from  €0.083/kWh  to  €0.137/kWh 

18.5%

11,9%

14.9%

5.0%

5,7%

5.5%

2.7%

1.8%

18.5%

15.5%

0% 5% 10% 15% 20%

General management

O&M (without s. parts)

Fees Collection

Marketing

Installation

Miscellaneous

Lamps

Charge controller

Battery

PV moduleINITIAL INSTALLATION + SPARE PARTS (€243/SHS)

(€292/SHS)

(€28/SHS)

(€43/SHS)

(€86/SHS)

(€91/SHS)

(€79/SHS)

(€234/SHS)

(€188/SHS)

(€291/SHS)

Page 106: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

94 

(2015 prices [121]) according to the quantity consumed, having an  initial subscription fee of €227  

and a monthly fixed fee of €0.75 [162]. 

5.3 SENSITIVITYANALYSIS

Figure 50 shows that both, the variation in the battery and PV module costs, have the most impact 

on the cost of the total programme. This analysis has been carried out by varying  just the cost of 

the  components,  without  changing  any  other  parameter.  It  is  remarkable  that  battery  affects 

slightly more  than  the  PV module.  An  80%  variation  in  the  cost  of  the  battery means  a  15% 

variation  in  the overall cost of  the programme  .  In  the case of  lamps and charge controllers,  the 

variation in costs has much less impact. Note that the fuel for the ESCO vehicles has more influence 

than lamps and charge controllers in the sensitivity analysis of costs. 

 

Figure 50: Sensitivity analysis of the SHS component costs and fuel belonging the Solar‐PERGISO programme 

Figure 51 represents the cost variation of the programme regarding the variation in the MTTF value 

in lamps, batteries and charge controllers, without changing their costs. Obviously, the tendency is 

that by increasing reliability, the overall cost of the programme decreases. We can see that battery 

reliability  has  more  influence  than  lamps  or  charge  controllers  on  the  overall  cost  of  the 

programme: a 30% increase in battery MTTF leads to a reduction in the programme cost of 5.5%. 

 

‐20%

‐15%

‐10%

‐5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

‐90% ‐60% ‐30% 0% 30% 60% 90% 120%

BATTERY

PV MODULE

FUEL

LAMPS

CHARGE CONTROLLER

∆G

loba

l PE

RG

Cos

t

∆ components cost

Page 107: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 5: Characterization of the Operational & Maintenance costs  

95 

 

Figure 51: Sensitivity analysis regarding the reliability variation of the SHS components 

Increasing reliability means increasing the cost of the kit components. Therefore, the impact on the 

overall cost depends on the device’s cost/reliability relationship. 

We can see  in Figure 52  the cost/MTTF relationship of each device  for keeping  the programme’s 

overall cost unchanged. This means, for example,  if the battery MTTF decreases by 60% regarding 

the MTTF  figure, and  its  cost varies by  ‐77.5%,  the programme’s overall  cost would not  change. 

These cost/MTTF relationships of  the SHS components will help us  to assess whether a  reliability 

variation  can  positively  or  negatively  vary  the  programme’s  overall  cost  depending  on  the 

component costs that were considered.  

 

Figure 52: Relationship between cost and MTTF in order to keep the overall cost of the programme constant when the MTTF varies. Example: the red dot in the upper right corner indicates a battery price 40% higher than the original, whose MTTF would be 80% longer, which means that the overall cost of the 

programme would be lower than by using the original battery  

‐120%

‐100%

‐80%

‐60%

‐40%

‐20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

‐100% ‐80% ‐60% ‐40% ‐20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

∆ component MTTF

∆co

mpo

nent

cos

t

BATTERY

CHARGE CONTROLLER

LAMPS

‐15%

‐10%

‐5%

0%

5%

10%

15%

20%

‐90% ‐60% ‐30% 0% 30% 60% 90% 120%

∆G

loba

l PE

R C

ost

BATTERY

CHARGE CONTROLLER

LAMPS

Page 108: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

96 

For example,  it  is evident  that a higher quality battery will be more expensive, but  in addition  it 

implies a longer life cycle, a greater reliability, and a lower maintenance cost. If the battery used at 

the beginning  in the Solar‐PERGISO  is replaced by a different one with a price 40% higher than the 

original, and  its MTTF  is 80%  longer, the overall cost of the programme will be  less than by using 

the original battery, as shown in Figure 52. 

5.4 INFLUENCEOFTHESHSSPATIALDENSITY

The spatial density of SHSs will largely determine the design of the maintenance structure, and will 

directly affect some unit costs, such as staff, fuel, vehicles, transport of spare parts, the number of 

local agencies and stores, etc. 

A management cost analysis of the Solar‐PERGISO has been carried out regarding each local agency, 

taking  into account the number of SHSs managed by each agency,  in addition to the agency staff 

and goods, the surface of the local region and its geomorphologic features. 

Figure 53 shows that decreasing the SHS density, the management structure cost  increases fitting 

an exponential  function. This  is due  to  the  fact  that general management  costs  increase  rapidly 

when  the  SHS’s  density  is  very  low.  On  the  one  hand  fixed  costs  are  spread  among  a  smaller 

number of SHSs, and on the other hand, the dispersion and inaccessibility of the systems increases 

the variable costs. 

 

Figure 53: Management local structure cost per SHS as regards the SHS density for each region. The geomorphologic features have been considered 

From this cost/density distribution model, a sensitivity analysis can be carried out to know how the 

SHS density affects the overall cost of the programme. 

Figure 54 shows the variation of the overall cost of the programme when the SHS density changes 

around the density figure. It fits an exponential function. The fact that this variation does not fit a 

 

y = 16.291x‐0.226

R² = 0.8397

0 €

10 €

20 €

30 €

40 €

50 €

60 €

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500

Annual real cost of the local structure / SHS (€/SHS/year). Data 2009 ‐ 2010

SHS density (SHS/km2)

€/SHS/year

Page 109: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 5: Characterization of the Operational & Maintenance costs  

97 

linear function has a great significance on the decentralized rural electrification and will be a major 

factor when designing a PVRE programme.  

 

Figure 54: Sensitivity analysis of the PERG according to the variation in the SHS density  

 

5.5 APPLICATIONEXAMPLE

An application exercise is presented here to illustrate the influence of the results of this Chapter in 

the  design  of  PVRE  programmes. We  will  imagine  a  hypothetical  programme  with  3  different 

characteristics as regards the Solar‐PERGISO. 

1) The cost of PV modules is reduced by half. 

2) The number of SHSs does not vary, but the programme’s surface will be 10 times smaller than the Solar‐PERGISO area.  

3) The battery MTTF will be double that of the current one and its cost will be 75% higher than indicated in the Solar‐PERGISO. It is an open battery that needs distilled water.  

Table 22 summarizes the features of the Solar‐PERGISO and the example: 

Table 22: Distinguishing features of Solar‐PERGISO and application example programmes 

Case  Parameter  Solar‐PERGISO  Application example 

1  PV module cost (€/Wp)  3.35  1.675 

2  SHS density (SHS/km2)  0.068  0.68 

3 Battery MTTF (years)  5.46  10.92 

Battery cost (€/Wp)  1.31  2.29 

‐10%

‐5%

0%

5%

10%

15%

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500

SHS density (SHS/km2)

0.068 SHS/km2

∆G

loba

l PV

RE

Cos

t

Page 110: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

98 

The overall programme costs  resulting  from applying  the modification of each of  the parameters 

(cases 1 to 3) and all of them together (case 4), are summarized in Table 23: 

Table 23: Resulting figures (in €/SHS) after applying the 4‐case features. The percentages indicate the cost variation as regards the original costs 

Case 

Total cost (€/SHS)  Installation cost (€/SHS) O&M cost (€/SHS)  Management cost (€/SHS)

Example Δ cost / 

PERG Example 

Δ cost / 

PERG Example 

Δ cost / 

PERG Example 

Δ cost / 

PERG 

PERG  1,574  0.0%  631  0.0%  651  0.0%  291  0.0% 

1  1,452  ‐7.7%  509  ‐19.3%  651  0.0%  291  0.1% 

2  1,434  ‐8.9%  603  ‐4.6%  541  ‐16.9%  290  ‐0.3% 

3  1,472  ‐6.5%  706  11.8%  472  ‐27.5%  294  0.9% 

4  1,211  ‐23.1%  555  ‐12.0%  361  ‐44.5%  294  1.0% 

 

It can be shown that case 4 achieves a reduction of 23.1% of the original overall cost. The increasing 

of the SHS density (case 2) mainly affects the O&M, reducing its cost by 16.9%. The reduction in the 

PV module cost (case 1) just affects the installation activity, and the new battery (case 3) increases 

the  installation cost by 11.82% but reduces the O&M by 27.50%. The management cost does not 

vary more than 1.0%. 

For case 4, the distribution of costs is shown in Figure 55. We highlight the following aspects: 

The major cost of the programme is not the battery (18.3%) nor the PV module (10%), but the management (24.3%). The halving of the cost of the PV module and the use of a battery with a cost/reliability relationship as we have chosen, is the reason why the cost of the programme is reduced.  Even  though  the  installation  cost  increases,  the O&M  cost  decreases  because  the number of spare parts, mainly the battery, has been greatly reduced. 

We  also  see  that  the  management  cost  changes  from  18.5%  to  24.3%.  Management  is practically  a  fixed  cost,  and  its  reduction  depends  on  increasing  the  number  of  SHSs  in  the programme. By keeping the number of systems in this example and reducing the maintenance costs,  the  relative  cost of management will  increase. This  fact  implies  that  it  is necessary  to improve  the  design  of  the  maintenance  and  management  structures,  which  will  be  the objective  of  the  following  Chapter,  and  to  implement  extensive  rural  electrification programmes. 

 

Page 111: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 5: Characterization of the Operational & Maintenance costs  

99 

 

Figure 55: Details of the overall costs of the application example as regards the SHS component costs 

The cost of energy in this application example has been reduced from €1.3/kWh to €1.0/kWh, and 

the maintenance  cost  is  reduced  from  €76.0/year∙SHS  to  €45.4/year∙SHS.  The  example  has  an 

economic profitability of €1.8MM over the programme life. 

5.6 CONCLUSIONS

The Solar‐PERGISO programme has been analyzed  in order to  identify the different costs that have 

been  involved  in  its  development.  Based  on  the  real  data  costs  of  the  first  5  years  of  the 

programme we have obtained the overall cost for 10 years of maintenance, detailing each activity. 

The  overall  programme  cost  reaches  €21/Wp  (or  €1,574/SHS),  where  40.1%  of  this  cost 

corresponds to the installation phase (€631/SHS); 41.4% to the O&M activity (€652/SHS) and 18.5% 

to the general management (€291/SHS). The main conclusions reached in this paper are as follows: 

Around 50% of  the overall  cost  is  invested during  the  installation phase, and  the other 50% during the O&M period.  

The O&M of the systems (maintenance, spare parts and fee collection) reaches €76.0/SHS∙year. This figure  is further higher than usually considered  in photovoltaic maintenance and  it  is not covered by user’s fees, causing unsustainable financial balances. 

The  PV module  represents  just  15.5%  in  the  overall  cost  (€243/SHS),  versus  18.5%  of  the battery (€292/SHS), so the battery has to be considered as the most expensive component  in decentralized PV rural electrification.  

The maintenance of  the open  lead batteries  leads  to the  frequent addition of distilled water, whose overall cost means 6% of the overall cost of the programme (€9.5/SHS∙year). 

The SHS dispersion and inaccessibility plays an important role in the cost structure, given by a mean SHS density of 0.068 SHS/km2. This  feature affects  the maintenance cost. For example, the cost of fuel in this programme represents €5.5/SHS∙year and the annual rate of distance per SHS travelled by the O&M vehicles reaches 57 km/SHS∙year. 

24,3%

8,7%

14,2%

4,4%

7,2%

7,1%

3,5%

2,3%

18,3%

10,0%

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%

General management

O&M (w/o spare 

parts)

Fees Collection

Marketing

Installation

Miscellaneous

Lamps

Charge controller

Battery

PV module

INITIAL SH

S INVESTEMEN

T + SPARE PARTS

% of the global programme cost

Page 112: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

100 

The  energy delivered by  the  SHSs,  expressed  as  available  electricity  for  customers has been calculated, reaching a cost of €1.3/kWh.  

Finally, we have shown an application example that demonstrates how by taking  into account the 

results of this analysis, the design of the PVRE programmes can be improved. Therefore, this study 

opens the door to the creation of a design tool for costs to formulate future PVRE programmes. 

 

 

Page 113: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

 

CHAPTER 6

DESIGN OF DECENTRALIZED

MAINTENANCE STRUCTURES IN

PHOTOVOLTAIC RURAL

ELECTRIFICATION

Page 114: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

102 

6 DESIGNOFDECENTRALIZEDMAINTENANCESTRUCTURESINPHOTOVOLTAICRURAL

ELECTRIFICATION

6.1 INTRODUCTION

It is usual when designing a PVRE programme that sizing the SHS, according to local or international 

standards,  is often one of the  issues most concentrated on, followed by the establishment of the 

financial  terms.  As  regards  the  latter,  the  incomes  from  the  users  play  a  decisive  role  when 

establishing the fees to be paid for the maintenance service. As has been already mentioned, fees 

are  usually  calculated  according  to  what  users  pay  for  traditional  lighting  (candles,  kerosene, 

batteries recharging, etc), which is around US$ 3‐10 /month [17, 204, 205], an amount that in many 

cases is not enough to cover the ESCO O&M costs. 

As it has been shown, the main cause of high maintenance costs is the decentralisation factor that 

has been often ignored by the promoters of electrification. In fact, decentralization makes the O&M 

costs unknown and uncertain (travelling to repair an SHS can be ten times more expensive than the 

repair  itself), depending on aspects such as  the geographical density of  the SHSs,  their reliability, 

road access, the different local costs (personnel, vehicles, fuel, taxes, etc). 

In this regard, the present Chapter aims to develop an ad‐hoc tool for the design of maintenance 

structures  in decentralised areas where PVRE programmes are going  to be  implemented,  looking 

for  the minimization of  the O&M  costs. A mathematical optimization  tool, modelled with GAMS 

[206],  one  of  the  most  powerful  algebraic  modelling  languages,  and  solved  with  the  CPLEX 

optimiser  [207],  has  been  developed  and  applied  to  the  Solar‐PERGISO  programme  in  order  to 

compare the results.  

The required input data to create the model has been defined together with several variables and 

restrictions. An objective  function, whose optimization  criteria  is  the minimum  cost of  the O&M 

activity, is calculated, obtaining the following outputs:  

‐ composition of the maintenance structure (number of technicians and vehicles),  

‐ location and quantity of local agencies (local maintenance headquarters),  

‐ scheduling of the preventive maintenance and fee collection, 

‐ the overall cost of the activity. 

A  prototype model  has  been  implemented  and  validated  in  two  provinces  of  the  Solar‐PERGISO 

region to show the usefulness of the tool when the data on the O&M costs and the reliability of the 

SHS is available. 

Page 115: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 6: Design of Decentralised Maintenance Structures in Photovoltaic Rural Electrification 

103 

6.2 BASELINEDATA

Throughout the contract signed by the three parties (ESCO, ONEE and user), the ESCO committed 

itself to maintaining the systems for a period of 10 years, in accordance with the following terms: 

The ESCO has to repair or replace every defective or malfunctioning SHS component, within 

48 hours after being notified by the user (corrective maintenance). 

The ESCO must visit every SHS at  least once each 6 months to check the state of the SHS 

and to fill the battery with distilled water (preventive maintenance). 

The user has to pay the ESCO a monthly fee of €4.9 (taxes not included) corresponding to 

the maintenance service. 

The ESCO has to maintain a minimum O&M  local structure to ensure the aforementioned 

service. 

The local O&M structure deployed by the ESCO was presented in Chapter 2 and it is shown here for 

reasons  of  clarity  (Table  24).  In  all,  the  local  structure  was  made  up  of  9  local  agencies,  43 

employees and 19 vehicles. 

Table 24: Summary of the O&M structure location (local agencies) in the different provinces of the Solar‐PERGISO programme. The provinces’ areas and the SHSs installed are also indicated. 

Provinces Province Capital 

Area km2 

Number of SHSs 

Density (SHS/km2) 

Local Agency location 

TOTAL  ‐  214,531  13,452  0,062  9 

Ben Slimane  Ben Slimane  2,760  857  0,311  Ben Slimane 

Errachidia  Errachidia  59,585  959  0,016  Errich 

Beni Mellal  Beni Mellal  6,638  2,723  0,410  Ksiba 

Azilal  Azilal  9,800  1,809  0,185  Azilal 

Al Haouz – Marrakech 

Taghnaout  7,883  862  0,109  Ait Ourir 

Al Kalaa des Sraghnas 

Al Kalaa des Sraghnas 

10,070  4,396  0,437  Ben Guerir 

Ouarzazate – Zagora 

Ouarzazate  55,298  841  0,015  Ouarzazate 

Taroudant  Taroudant  16,500  689  0,042  Taroudant 

Tiznit – Guelmim – Assa‐Zag 

Tiznit  45,997  316  0.007  Tiznit 

The  provinces  are  administratively  divided  in  several  rural  communities  (R),  comprising  a  rural  

centre (r) and a number of dispersed villages (V). 

6.3 METHODOLOGY

The steps  to build and  run  the modelling  tool are described here.  It  is based on a mixed  integer 

linear  optimisation model.  The  input  of  the  tool  is made  up  of  a  set  of  parameters with which 

certain associated variables are calculated. An objective function is optimised according to a set of 

constraints that must be satisfied. Figure 56 shows the schematic running of the tool: 

Page 116: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

104 

 

Figure 56: Modelling tool scheme. The inputs describe the situation in the field and the outputs are the results of the modelling tool according to the optimization function and the set of restrictions.

The model will consider at least one local agency in the province located in the capital or in one of 

the  rural community centres  (variable  rBL ). The  first objective  that  the model must meet  is  the 

location of  the  local agency  (agencies). Each  rural  community will be assigned  to a  local agency 

(variable  , 'r rBA )  in  such a way  that  the SHSs  in  the  rural community will only be attended  to by 

technicians from the associated agency. 

The  second  element  to  be  determined will  be  the  number  of  vehicles  associated  to  each  local 

agency. They are required for the O&M technicians to get to the villages and souks and one vehicle 

has  been  assigned  for  every  two  technicians.  Each  local  agency  will  hold  at  least  one  vehicle 

(variable  rNCR ).  

The model  is  developed  taking  into  account  what  has  been  described  in  Chapter  6.2  and  the 

following work dynamic:  

On the workday, the O&M teams depart early in the morning from the local agency in the 

vehicle with two possible destinations: a) the rural dwellings for maintenance work; b) one 

of  the  souks  for  fee  collection  (and  maintenance  in  the  community  of  the  souk,  if 

necessary). Figure 57 summarizes the workday scheme. If option a), the team will go to the 

rural dwellings according to a forecasted planning whether PM or CM for repairs. If option 

b), the team will move to the souk. There, at  least one of the technicians will remain and 

the other one  can  carry out maintenance  tasks  in  the villages of  the  rural  community,  if 

necessary. When the work of the day is ended, they return to the local agency. 

 

 

OPTIMIZATION FUNCTION  

and 

 RESTRICTIONS 

OUTPUTS 

‐ Local agencies: quantity and location 

‐ O&M structure: number of technicians and vehicles 

‐ Schedule of preventive maintenance visits and fees collection 

‐ Global cost 

INPUTS 

‐ Number of SHSs and location 

‐ Road network (distances) 

‐ Main Rural Centers location 

‐ Number of villages and location 

‐ Time needed for displacements 

‐ Time for maintenance intervention 

‐ Time devoted for fee collection 

‐ Local markets (souks) schedule and location 

Page 117: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 6: Design of Decentralised Maintenance Structures in Photovoltaic Rural Electrification 

105 

 

Figure 57: O&M teams workday scheme 

The  technician’s daily work must  comprise  the  travelling  time  (departure  from  the  local 

agency and return) in addition to the maintenance action time. In no case it should exceed 

the workday. 

As regards the souks, not all of them will be visited for fee collection, but just those where 

PERG users  usually  frequent  (defined  by parameter  ,r db ).  The  time devoted  to  the  souk 

work is expressed by parameter  ,r dtb . 

The  time  necessary  to  undertake  a  maintenance  activity  (tas),  either  preventive  or 

corrective  (since  arriving  to  the dwelling until  the departure)  is  also defined.  Travel  and 

time  for maintenance activities allow  the daily work of  the  technicians  to be  calculated, 

which is not permitted to exceed the workday (dailyt ). 

6.3.1 Inputparametersandassociatedvariables

The optimisation model is designed to be used in a particular province that consists of a network of 

nodes  representing  the capital of  the province and several  rural communities  (R), which  includes 

some small villages (V). Around each village, there are few dispersed dwellings where a number of 

SHSs are installed.  

The  model  will  run  for  a  given  planning  period  or  "planning  horizon"  (D).  To  avoid  problem 

dimensions, this planning period will not be a complete year, but the period  in which at  least one 

visit to each rural community must be carried out. Because of the level of service quality committed 

to, every SHS must be visited for preventive maintenance twice a year. So, each rural community 

should be visited at  least once every  six months. However, being  realistic, as  there  is  corrective 

maintenances and fees must be collected, the assumption will be that each rural community has to 

be  visited  every  two  months.  Then,  the  proposed  planning  period  will  be  two  months, 

corresponding to 56 working days. 

MORNING  AFTERNOON  EVENING 

LOCAL AGENCY 

Departure of O&M teams 

SOUK 

VILLAGES LOCAL AGENCY 

PM and CM Maintenance

Fee collection

Return of O&M teams 

Page 118: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

106 

1,...,RR  Rural communities in the considered province. 

1,...,VV  Villages in each rural community. 

1,...,DD  Days to consider in the simulation horizon time.  

The  transport  network  consists  of  paved  roads  that  link  the main  towns  (almost  all  the  rural 

community centres), and tracks to reach the small villages. Distances and mean speed according to 

the road type are used to calculate the travel time. Figure 58 shows a schematic example of one of 

the Solar‐PERGISO provinces.  

 

Figure 58: Example of a nodes network. Each black spot represents a rural community centre. Segments outline the paved roads linking the centres 

The inputs parameters are described in Table 25: 

Table 25: Input parameters 

rnv 

Number of villages in the rural community  rR . 

,v ra 

Element of a 0‐1 matrix such that it is equal to 1 if village  vV  belongs to the rural community  rR and 0 otherwise. 

vnshs 

Number of SHSs in the village  vV . 

, 'r rdist 

Distance between the rural centres  , 'r r R . 

, 'r rtd 

Time needed for travelling between the rural centres  , 'r r R . 

'rdist 

Average of distances from the rural centre of the rural community  rR  to each of its villages  vV . 

'rtd 

Average time for travelling within the same rural community  rR . 

tas Time needed to attend to a solar home system. 

Page 119: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 6: Design of Decentralised Maintenance Structures in Photovoltaic Rural Electrification 

107 

,r db 

Element of a 0‐1 matrix such  that  it  is equal  to 1  if there  is a market  (souk)  in the rural community  rR on day d D  and 0 otherwise. 

,r dtb 

Time  devoted  to  the market  (souk)  located  in  the  rural  community  rR on  day d D . 

numc Maximum number of vehicles available to  be distributed among the local agencies. 

dailyt Length of technician’s workday. 

rcmc 

Cost of locating a local agency  rR . 

rcnc 

Cost of assigning a team  (vehicle and two technicians) to the possible  local agency located in the rural community  rR . 

ctr Travelling cost per unit of distance. 

 

From the previous setting, parameters described in Table 26 are obtained: 

Table 26: Parameters obtained according to the inputs introduced 

vnsys 

Number of SHSs to be attended to during the planning horizon (proportional part of 

the total SHSs to be visited), computed as  2365v v

Dnsys nshs

 

''rdist 

Average of distance assigned to a SHS  in the rural community  rR , computed as

| 1

'''

vr

r rr

vv a

dist nvdist

nsys

V

 

''rtd 

Average time devoted to attend to an SHS in the rural community  rR , (including 

travelling time)  computed as

| 1

'''

vr

rr

vv a

td nvtd tas

nsys

V

 

 

After setting the input parameters, the model variables are defined according to Table 27: 

Table 27: Model variables. They represent the decisions to be taken  

rBL  0‐1  variable which  equals  1  if  a  local  agency  is  located  in  the  rural  community rR and 0, otherwise. 

, 'r rBA   0‐1 variable which equals 1  if a possible  local agency  located  in  rR attends  to the rural community  'r R  and 0, otherwise. 

rNCR 

Number  of  vehicles  assigned  to  the  possible  local  agency  located  in  the  rural community  rR . 

, ',r r dBR  0‐1  variable  which  equals  1  if  the  rural  community  'r R  is  visited  from  the possible  local agency  located  in  the  rural community  rR  on day d D  and 0, otherwise. 

',r dNSR   Number  of  solar  home  systems  in  the  rural  community  'r R  attended  to  day d D . 

, ',r r dNCT   Number of vehicles travelling to the rural community  'r R  from a possible local 

Page 120: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

108 

agency located in the rural community  rR  on day d D . 

, ',r r dTM   Time spent  in the rural community  'r R  coming  from  the possible  local agency located in the rural community  rR  on day  d D . 

6.3.2 Modelassumptions

6.3.2.1 Travelscheme

For reasons of simplicity,  it has been assumed that to reach a village (V)  it  is always necessary to 

pass through the rural centre, which is also supposed to be placed in the geographical centre of the 

rural community. Data on the exact location of the different villages (nνr) are not available, they are 

assumed  to be dispersed  throughout  the  rural  community around  the geographical  centre at an 

average  distance  (dist'r)  (see  example  in  Figure  59).  Moreover,  the  model  will  consider  that 

travelling  from a village  (νr)  to another within  the  same  rural community  (ν'r) has  to be done by 

passing through the centre. 

 

Figure 59: Assumed rural communities and villages distribution 

Furthermore, it will be assumed that the travelling to rural communities from the local agencies are 

round‐trips,  i.e., not  configuring  routes. The main  reason  to do  so  is  that when  computing costs 

because of corrective maintenance,  it  is very plausible that each rural community must be visited 

directly at least once within the planning period. 

6.3.2.2 Correctivemaintenance

As  a  corrective maintenance  is  a  stochastic  event,  it  cannot  be  planned  in  advance.  However, 

thanks  to  the  SHS  reliability  study  (see  Chapter  3),  the  average  percentage  of  failed  SHS 

components per month  is known. The optimisation model plans only the preventive maintenance 

visits, and incorporates the corrective actions as part of the preventive maintenance just by adding 

to the corresponding schedule the expected number of corrective actions to be carried out within 

the planning period. The optimisation model provides a daily schedule that considers the corrective 

Rural Community Centre.

Circles represent thedist’r distance to thevillages(nvr).

Page 121: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 6: Design of Decentralised Maintenance Structures in Photovoltaic Rural Electrification 

109 

maintenance by  forcing  at  least one  visit  to  each  village  every  two months within  the  planning 

period.  For  example,  if  a  corrective  maintenance  is  required  in  a  certain  village,  due  to  the 

established  level  of  service  quality,  it must  be  carried  out within  48  hours,  and  all  preventive 

maintenance  scheduled  in  this  village  for  the  following  days will  be  carried  out  the  day  of  the 

corrective one, and other tasks should be rescheduled. 

6.3.2.3 Criteriaandobjectivefunction

The model is developed under the criterion, firstly, of giving a certain level of service quality of the 

maintenance. Previous hypotheses are assumed in order to ensure that with the resources and cost 

obtained  it  will  be  possible  to  carry  out  the maintenance  operations with  the  level  of  quality 

assumed by the contract. So, these hypotheses and the service conditions will be  included  in  the 

model as hard constraints (constraints that must be adhered to by any feasible solution). Then, cost 

will be the criterion to be minimised, assuming a fixed level of service. Total cost is made up of the 

cost of locating local agencies, the cost of teams (vehicles + technicians) and the cost of travelling: 

Costs related to the location of local agencies, such as office renting, human resources and 

other operational costs (it includes a fixed cost per province and a variable cost per number 

of local agencies established): 

r rr

cmc BL

R

 

Costs related to the number of teams assigned to each local agency (it includes the annual 

fixed  costs  of  the  vehicle  as  insurance  and  maintenance,  and  the  salaries  and  some 

expenses of the two technicians): 

r rr

cnc NCR

R

 

Costs related to travelling (fuel), made up of travel covered from the local agencies to rural 

communities and from rural communities to villages: 

, ' , ', ' ',, ' '

2 2 ''r r r r d r r dr r d r d

ctr dist NCT ctr dist NSR

R D R D

 

 

Then, the function to be optimised is as follows: 

 

, ' , ', ' ',, ' '

min[ 2 2 '' ]r r r r r r r r d r r dr r r r d r d

cmc BL cnc NCR ctr dist NCT ctr dist NSR

R R R D R D  

6.3.3 Constraintdefinition

The constraints defined must guarantee that the service is provided with a given level of quality and 

the schedule is robust enough to be adapted in real operations. Besides the assumptions included 

at the beginning of this section, it is considered that two preventive maintenance calls are made to 

each SHS per year. A proportional number of SHSs will be considered in the planning period model 

(in our case, two months D=56). 

So, the main constraints included in the model are as follows: 

1) At least one local agency must be located in the province: 

Page 122: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

110 

1rr

BL

R  

 

2) Each rural community  'r R  must be visited from one and only one local agency. 

  , ' 1, 'r rr

BA r

R

 

3) A rural community  'r R  is assigned to a possible local agency only if this is established, and, 

if that is the case, it could be attended to day  d D . 

, ', , ' , , ' , Dr r d r r rBR BA BL r r d R 

 

4) If there is a souk on day  d D , in the rural community  'r R , then it must be visited. 

, ', ', , ' ,r r d r dr

BR b r d

R

R D 

 

5) All the SHSs  included  in a rural community  'r R  and contemplated  in the planning horizon 

must be visited: 

, , ' , 'r d v r vd v

NSR a nsys r

D V

 

6) On  day  d D ,  the  SHSs  of  a  rural  community  'r R  can  be  visited  only  if  that  rural 

community is visited on that day 

, , ' , ','

, , Dr d v r v r r dv r R

NSR a nsys BR r d

V

R  

7) Vehicles can be assigned  to a rural community  if  there  is a  local agency  located  in that rural 

community. 

,r rNCR numcBL r R  

 

8) The number of vehicles used for travelling from a local agency to a rural community  'r R  on 

day d D  is limited by the number of vehicles assigned to the local agency. 

, ', , , ' ,r r d rNCT NCR r r d R D 

 

9) The  time spent  in  the rural community r'  ϵ R on day d  ϵ D  is  the maximum  from among  the 

time  spent  in  the  souk and  the  time  spent doing  SHSs maintenance.  For  rural  communities where a  local agency  is  located,  it  is not necessary  to  take  into account  the souk  time since 

users are attended to directly by the local agency staff. 

, ', , , ',(1 ) (1 ), , ' ,r r d r d r r r dTM tb BL M BR r r d R D  

, ', ', , ','' (1 ), , ' ,r r d r r d r r dTM td NSR M BR r r d R D  

 

10) The  time  spent  in  the  rural  community  'r R  by  all  the  vehicles  displaced  there,  plus  the 

travelling  time  to  the  rural community of all  the vehicles  (round‐trip) must be  less  than  the 

workday of the technicians. 

, ', , ' , ', , ',2 , , ' ,r r d r r r r d r r dTM td NCT dailyt NCT r r d R D  

Page 123: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 6: Design of Decentralised Maintenance Structures in Photovoltaic Rural Electrification 

111 

 

11) The  total  time  spent on day d D  by  the  teams  assigned  to  a  local  agency  is  at most  the 

length of their workday. 

, ' , ', , ','

, ,r r r r d r r d rr

td NCT TM dailytNCR r d

R

R D  

 

Together with these constraints, a set of conditions to improve the convergence of the optimisation 

algorithms is included. The model is implemented in GAMS and solved with the CPLEX optimiser.   

6.4 MODELAPPLICATION

To apply the proposed model, two real cases  in the provinces of Azilal and Al Kalaa des Sraghnas 

from the Moroccan Solar‐PERGISO programme are set out. The results will be compared to the real 

maintenance structure deployed by the ESCO and the real costs associated. 

6.4.1 Example1:Azilal

From Table 28 to Table 30 the input parameters in the case of Azilal are summarized. 

Table 28: Rural community parameters of the Azilal province   

(R) Rural communities  vnsys 'rdist  (km)'rtd

(min)rnv ,r db

 (Souk) 

0  Azilal (Capital)  22  0  0  0  1(Thursday) 

1  Afourer  124  4.1  8  2  0 

2  Agoudi N'lkhair  361  7.5  15  9  0 

3  Ait Abbas  22  8.3  17  6  1(Friday) 

4  Ait Bououli  80  11.1  22  5  0 

5  Ait Mazigh  1  6.9  14  3  1(Monday) 

6  Ait M'hamed  8  13.0  26  1  0 

7  Ait Taguella  43  6.0  12  5  0 

8  Ait Tamlil  3  12.8  26  12  0 

9  Anergui  10  10.5  21  2  0 

10  Beni Hassan  23  6.1  12  1  0 

11  Bin El Ouidane  80  6.8  14  1  0 

12  Bni A'yat  19  6.4  13  8  0 

13  Bzou  3  8.2  16  1  0 

14  Foum Jamaa  8  5.3  11  2  0 

15  Imlil  55  5.4  11  2  0 

16  Isseksi  10  7.8  16  3  1(Friday) 

17  Moulay Aissa Ben Driss 71  6.9  14  2  0 

18  Ouaouizeght  18  5.3  11  3  1(Wednesday) 

19  Ouaoula  1  8.1  16  6  1(Wednesday) 

20  Rfala  5  7.5  15  1  0 

21  Tabante  66  10.3  21  1  0 

22  Tabaroucht  90  5.9  12  2  0 

23  Tamda Noumarcid  2  7.3  15  6  1(Thursday) 

Page 124: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

112 

24  Tanante  16  6.9  14  1  1(Tuesday) 

25  Taounza  8  5.9  12  3  0 

26  Tidili Fatouaka  349  5.0  10  2  0 

27  Tilougguite  9  12.0  24  12  1(Saturday) 

28  Timoulilte  302  4.1  8  3  0 

29  Zaouiat ahansal  22  16.7  33  11  1(Monday)  

Table 29: Time parameters for Azilal 

Time needed to attend to a solar home system ( tas )  20 minutes 

Time devoted to the market located in the rural community ( ,r dtb )  4 hours 

Maximum time allowed in a workday (dailyt ) 9 hours 

 

Table 30: Eligible costs based on real expenses in Azilal. Associated costs means other secondary expenses linked to the main concept (i.e. telephone and fax costs of the local agency) 

Concept (comprising associated costs) Annual unit cost (€) 

Local agency  3,521 

Agency head  6,589 

Administrative employee  3,068 

O&M technician  4,295 

Vehicle (type VAN)  3,462 

Vehicle (type 4x4)  6,402 

Vehicle fuel consumption (€/100 km)11 5.31  

Other inputs are the distances (distr,r' expressed in km) and travel times (tdr,r'. expressed in minutes) 

between the different rural communities (R). 

6.4.1.1 Results:

Table 31 summarizes the results of the model optimization: 

   

                                                            11 Average fuel prices between 2006 ‐ 2010 in Morocco 

Page 125: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 6: Design of Decentralised Maintenance Structures in Photovoltaic Rural Electrification 

113 

Table 31: Optimization model results compared to the actual data for Azilal 

Output parameters  Model results  ESCO real data 

Local agency location ( rBL ) R=0 (1 local agency located in 

AZILAL) 1 local agency located in 

AZILAL 

Vehicles ( rNCR )  3   3  

O&M technicians   4   4  

Local structure costs (€/year)  48,011  48,011 

Travel costs (fuel) (€/year)  7,257  8,687 

O&M annual cost (€)  55,268   56,698 

 

The results show that both the model solution and ESCO real data are similar (O&M annual costs 

differ by 2.5%, which is not significant), what means that the ESCO probably deployed an optimized 

structure in this province. 

As regards the corrective maintenance, the model  leads to a result through which, after assigning 

all  the  preventive maintenance  activities,  there will  be  around  283  hours  per  year  available  for 

corrective maintenance activities. According to the previous reliability study, during the 10 years of 

maintenance, the highest number of corrective maintenance activities will happen during the sixth 

year,  in which  the  failure  rate of  the batteries  reaches  its maximum  (see Table 32).  If  lamps are 

replaced  in  the  souks,  then  the number of  corrective maintenance  activities over  the  sixth  year 

corresponds to 397 batteries + 62 charge controllers = 459 CM actions. Whether the time dedicated 

to the maintenance  is 20', around 153 hours will be necessary,  less than the available 283 hours, 

according to the model results. For the other years during the maintenance period, the availability 

for CM will be even larger. 

Table 32: failure forecasting for the SHS components according to the reliability study. During the 6th year the failure rate of batteries reaches its maximum. Batteries and charge controllers are replaced in the user 

dwelling while lamps are replaced in the souk. 

Year  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 

Batteries  8  62  186  286  369  397  361  305  272  278 

Charge controllers  12  39  62  62  62  62  62  62  51  24 

TOTAL  20  101  248  348  431  459  423  367  323  302 

   

6.4.2 Example2:AlKalaadesSraghnas

In the case of the province of Al Kalaa des Sraghnas, with 55 rural communities and 4,396 SHSs, the 

results  of  the model  optimization  are  shown  in  Table  33,  taking  into  account  the  same  time 

parameters defined in Table 29:  

Page 126: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

114 

Table 33: Optimization model results compared to the actual data for Al Kalaa des Sraghnas 

Output parameters  Model results  ESCO real data 

Local agency location ( rBL ) R=18 (1 local agency located in 

JAAFRA) 1 local agency located in 

BEN GUERIR 

Vehicles ( rNCR )  4   5  

O&M technicians   6   8  

Local structure costs (€/year)  59,170  66,875 

Travel costs (fuel) (€/year)  13,413  23,280 

O&M annual cost (€)  72,583  90,155 

 

The results of the model optimization indicate a lower annual maintenance cost of 19.5% as regards 

the  real  ESCO  data,  due  to  the  reduction  of  1  maintenance  team  and  the  optimization  of 

maintenance travelling, in addition, the local agency has been relocated (Figure 60). 

 

Figure 60: Al Kalaa des Sraghnas province map. The subdivisions show the different rural communities. The arrow indicates the movement of the local agency from Ben Guerir (ESCO location) to Jaafra (model 

location) 

As regards the CM, there will be around 346 hours per year available  for corrective maintenance 

activities. The highest number of corrective maintenance activities will also happen during the sixth 

year  (see  Table  34).  The  number  of  corrective  maintenance  activities  over  the  sixth  year 

corresponds to 1,076 batteries + 167 charge controllers = 1,243 CM actions. Around 414 hours will 

Page 127: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 6: Design of Decentralised Maintenance Structures in Photovoltaic Rural Electrification 

115 

be necessary, more than the available time, according to the model results (346 hours are enough 

to make 1,040 CM actions). As shown  in Table 34, only  the 5th, 6th and 7th years have more  than 

1,040 CM to carry out, thus the maintenance structure calculated by the model will be able for the 

remaining maintenance  period.  Just  in  these  3  critical  years,  it will  be  necessary  to  extend  the 

number of maintenance  teams  from  3  to  4.  That means  that  in  these  3  years  the  costs of  two 

technicians and 1 vehicle must be added to the cost structure, which has been considered within 

the resulting costs shown in Table 33. 

Table 34: failure forecasting for the SHS components according to the reliability study in Al Kalaa des Sraghnas. In years 5th to 7th the failure rate of batteries reaches its maximum. Batteries and charge 

controllers are replaced in the user dwelling. Lamps are replaced in the souk. 

Year  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 

Batteries  31  158  507  777  1002  1076  985  836  745  755 

Charge controllers  43  98  167  167  167  167  167  167  125  70 

Total  74  256  674  944  1169  1243  1152  1003  870  825 

 

6.5 CONCLUSIONS

A  model  based  on  a  mixed  integer  linear  optimisation  has  been  introduced  with  the  aim  of 

estimating  costs  and  designing maintenance  structures  for  PV  rural  electrification  programmes. 

Constraints  included  in the model ensure a determined operability and  level of service quality for 

maintenance. The objective function defined must minimise the associated costs of: 

‐ Local agencies 

‐ Vehicles and technicians  

‐ Maintenance and fee collection displacements  

Based  on  the  Solar‐PERGISO,  the  usefulness  of  the  tool  has  been  illustrated  using  two  of  the 

provinces belonging to the programme. 

The results of the application show in one case that the model solution matches the real ESCO data 

in  that province  (Azilal), which  suggests  that  the ESCO optimized  the maintenance  structure and 

costs  in  that  case.  In  the  other  province  (Al  Kalaa  des  Sraghnas),  the model  has  optimized  the 

maintenance  structure  reducing  by  1  the  number  of maintenance  teams  (2  technicians  and  1 

vehicle)  for 7 of  the 10  years of  the maintenance period;  it has  relocated  the  local  agency  to  a 

better location and it has optimized maintenance travel. Thus, the cost of the O&M in this province 

has been reduced by 19.5%, which suggests that the ESCO had deployed and oversized structure.  

Throughout these results it has been illustrated that it is possible to design O&M structures in PVRE 

programmes  on  the  basis  of  the  knowledge  of  the  reliability  parameters  of  the  SHSs  and  the 

operating costs of the programme. 

   

Page 128: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

116 

 

Page 129: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

 

CHAPTER 7

CONCLUSIONS AND FUTURE RESEARCH

Page 130: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

118 

7 CONCLUSIONSANDFUTURERESEARCH

7.1 CONCLUSIONS

PV technology plays an  important role  in the solution of the overall  lack of access to energy.  It  is 

expected  that  250 million  people will  get  access  to  electricity  by means  of  solar  home  systems 

before 2030.   

Large  PV  rural  electrification  programmes  currently  taking  place  in many  countries  have  shown 

problems of sustainability  in  the maintenance phase as O&M costs are systematically  larger  than 

expected,  leading  the  private  operators  (ESCOs)  to  leave  the  programmes  because  of  negative 

financial balances. The cause of these concerns is that PVRE programmes are generally formulated 

on the basis of assumptions that are not in line with reality.  

This PhD has studied a real PVRE programme developed  in Morocco with more than 13,000 SHSs 

with  the  aim  of  analyzing  the  real  factors  involved  in  operation  and maintenance,  such  as  the 

reliability of the SHSs operating under real conditions and the actual costs of the O&M phase. The 

excellent opportunity  for  the author  to have had  full access  to  the detailed data of maintenance 

and costs of  the Moroccan programme developed by  the ESCO  ISOFOTON  (the Solar‐PERGISO)  for 

five years, provides the opportunity, for the first time, to contrast the real data of the PVRE with 

classic assumptions. 

The  work  has  been  structured  in  two  axes:  the  reliability  study  of  the  SHSs  and  the  cost 

characterization of the O&M phase. 

Through the reliability study, the failure distribution of every SHS component has been evaluated 

on the basis of the real failures extracted from the maintenance database that the ESCO drew up 

during the first 5 years of operation of the programme. The following conclusions of the study are 

highlighted: 

Charge controllers and lamps have showed a failure distribution established by exponential 

functions, as applied to electronic devices, in which failures happen randomly. The 2 types 

of  lamp  (7  and  11WDC)  have  shown  an  identical  behaviour  as  regards  their  reliability 

function, failure rate and MTTF parameters.  

The  battery  failure  distribution  has  been  defined  by  a  Normal  function, which  is more 

adapted to devices affected by aging factors. Although the failures in the first 1.4 years do 

not fit the Normal model exactly, the whole failure distribution has shown a great goodness 

of  fit and presents a correlation coefficient close  to 1.  In  these  first 1.4 years,  the  failure 

distribution fits a Weibull model with a scale parameter β of less than 1, which means that 

the failures are the result of infant mortality.  

As regards the PV modules analysis, the Solar‐PERGISO maintenance database does not give 

enough information on the failure mechanisms of this component. The failures found were: 

Page 131: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 7: Conclusions and Future Research 

119 

3 damaged diodes, 10 frontal glass breakages and 6 hotpots at the junctions between cells. 

This  information has not been enough  to apply  the  reliability  study but  it can be argued 

that  the PV module  failure data prove  that  they are very  reliable compared  to  the other 

components, with a minimal impact on the SHS series reliability. 

The MTTF  results have proved  that  the charge controller  is  the most  reliable component 

(about 27.2 years ±9.5%), 7W and 11W LC lamps have a similar MTTF value (16.5 years ±4% 

for 7W  lamps and ±7%  for 11W  lamps) and  the  least  reliable  component  is  the battery, 

whose MTTF = 5.5 years ±3.4%.  

As  battery  is  the main  limiting  factor  as  regards  the  reliability  of  the  system,  and  PV module 

reliability has not been possible  to asses,  two  in‐field degradation  tests of both batteries and PV 

modules have been carried out to analyze the behaviour of these components operating under real 

conditions, in which user behaviour is involved in the degradation processes.  

A sample of 40 batteries installed in the Solar‐PERGISO has been periodically tested over a period of 

18 months in order to analyse the capacity degradation process of the battery. The main results are 

as follows: 

On  average,  the  capacity  drops  to  60%  of  the  initial  capacity  after  eighteen months  of 

operation. In  less than six months the batteries have reached a remaining capacity of  less 

than 80% of the nominal capacity, the threshold usually used to define the battery lifetime, 

which is not the case for the Solar‐PVREISO users. 

In  spite of  this  fast degradation,  reliability  studies  show  that batteries  keep working  for 

much  longer  (MTTF=5.5 years) until the users perceive that the SHS does not satisfy their 

needs and ask for the replacement of the battery. 

Correlating  these  two  results,  a  model  has  been  proposed  to  calculate  the  remaining 

capacity  that  leads  to  user  dissatisfaction,  which  is  18%  of  the  initial  capacity  for  this 

particular programme. 

Based on current (A) recorded data, it has been determined that there is no a standard load 

profile, but  loads are  in general very  low as regards the storage capacity of the batteries. 

The mean load consumption has been μload=5.2 Ah/day with a standard deviation σload=4.2 

Ah/day.  It must be noted that the design  load was much higher (12 Ah/day), which could 

suggest that battery degradation would have been more accelerated if both design and real 

loads  had  been  closer.  This  leads  to  an  operation  normally  based  on  a  high  SOC, with 

sporadic events of  low battery disconnections. A model that correlates these two sorts of 

operation with the battery capacity degradation has been proposed. 

The reasons for this fast degradation of the battery capacity could be as follows: 

Bad  manufacturing  quality  of  batteries.  The  in‐the‐field  testing  has  shown  a  rapid 

degradation of batteries even working with  low  loads. Moreover,  they have  shown wide 

dispersion  in  terms  of  capacity  and  density  of  the  electrolyte.  Ultimately,  the  visual 

inspection of the plates from one of the most degraded batteries has shown the dramatic 

Page 132: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

120 

loss of active mass in the positive plate which suggests a very low physical resistance of the 

plates. 

The behaviour of degraded batteries  (with  capacities of  less  than 0.8∙Cnom)  is difficult  to 

predict, which makes it very complex to adapt the algorithms of the charge controllers. 

The threshold of the charge controller to protect the battery against over discharge allows 

a DOD close to 100%, which is completely incorrect, although this does not seem to be very 

relevant, since excessive loads are not common. 

As regards the PV modules, a set of 41 mono‐crystalline modules have been tested  in the field to 

assess their state of quality, resulting in a mean power degradation rate of between 0.4% and 1.1% 

per  year,  which  matches  other  experiences  reported  in  the  bibliography.  Defects  related  to 

hotspots,  broken  diodes,  browning  and  other  defects  are  almost  negligible.  Hence,  silicon  PV 

modules show good reliability behaviour, especially when compared with the other SHS devices. 

As regards  the second pillar of  the  thesis, a characterisation of  the Moroccan Solar‐PERGISO costs 

has been achieved. Based on the real data costs of the first 5 years of the programme, the overall 

cost for 10 years of maintenance has been obtained, detailing each activity (installation, O&M and 

management).  The  overall  programme  cost  reached  €1,574/SHS  ,  where  40.1%  of  this  cost 

corresponds to the installation phase (€631/SHS); 41.4% to the O&M activity (€652/SHS) and 18.5% 

to the general management (€291/SHS). The main conclusions extracted are as follows: 

Around 50% of the overall cost  is  invested during the  installation phase, and the other 50%  in the O&M period.  

The O&M of the systems (maintenance, spare parts and fee collection) reaches €76/SHS∙year . This figure  is further higher than usually considered  in photovoltaic maintenance and  it  is not covered by user fees, causing unsustainable financial balances. In the case of the Solar‐PERGISO the annual fee was €59/SHS , significantly lower than the O&M unit costs. 

The  PV module  represents  just  15.5%  in  the  overall  cost  (€243/SHS),  versus  18.5%  of  the battery  (€292/SHS),  so  battery  has  to  be  considered  as  the most  expensive  component  in decentralized PV rural electrification.  

The maintenance  of  the  open  lead  batteries  leads  to  add  distilled water  frequently, whose global cost means 6% of the overall programme cost (€9.5/SHS∙year). 

The SHS dispersion and inaccessibility plays an important role in the cost structure, given by a mean SHS density of 0.068 SHS/km2. This feature affects the cost of maintenance. For example, the cost of fuel in this programme represents €5.5/SHS∙year. 

The  energy  delivered by  the  SHSs has been  calculated,  expressed  as  available  electricity  for customers, reaching a cost of €1.3/kWh .  

This PhD work has concluded with the proposal of a mathematical tool based on a mixed  integer 

linear  optimization  created  with  the  aim  of  designing  maintenance  structures  for  PV  rural 

electrification programmes. The proposed model comprises a set of parameters and variables used 

to define an objective function, which depends on a set of constraints to be satisfied. The objective 

function must minimize the associated costs of: 

‐ Local agencies 

‐ Vehicles and technicians  

Page 133: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Chapter 7: Conclusions and Future Research 

121 

‐ Maintenance and fee collection displacements  

Based on the Solar‐PERGISO, the usefulness of the tool has been illustrated by applying  it in two of 

the provinces belonging to the programme. 

In one case the model has come up with a solution that matches the real ESCO data in that province 

in  terms of  the  size of  the  structure  and  costs.  In  the other  case,  the model has optimized  the 

maintenance  structure  reducing by 1  the number of maintenance  teams, has  relocated  the  local 

agency  and  has  optimized  the maintenance  displacements.  Thus,  the  cost  of  the  O&M  in  this 

province has been reduced by 19.5%.  

These results illustrate that it is possible to design O&M structures in PVRE programmes based on 

the availability of the reliability parameters of the SHSs and the operating costs of the programmes. 

7.2 FUTURELINESOFRESEARCH

This  research  work  has  tried  to  open  the  door  to  the  design  of  maintenance  structures  for 

decentralized  rural electrification. The criteria evaluated  in  this  study as  regards  the  reliability of 

the  SHSs  and  the  characterization  of  the O&M  costs,  both  on  the  basis  of  the Moroccan  PVRE 

programme has been useful to understand that the sustainability foundations that PVRE promoters 

currently show weaknesses. Thus  it  is necessary to extend this analysis to other experiences with 

the aim of universalising  the results and being able  to propose a paradigm of decentralized rural 

electrification. In this line of work, the following areas of research are proposed: 

The creation and application of friendly tools able to gather the data relating the reliability 

and cost for the new programmes that will be developed. The goal is to make the collection 

of data easier in order to extend the feedback in PVRE. 

The development, application and analysis of results of new fee collecting systems, such as 

the prepayment  cards or  the  "pay‐as‐you‐go" model, with  the  aim of  adapting  the user 

payment to the new technologies, already assumed  for the rural population  (for example 

the payment through the mobile phone),  in addition to the reduction  in the management 

cost of fee collection in PVRE programmes. 

To establish new patterns for PVRE sizing taking  into account that batteries degrade until 

ranges  of  18%  of  the  initial  capacity.  Moreover,  new  in‐the‐field  studies  of  batteries 

working under real conditions could be very useful to extend  the results of  this PhD. The 

definition of a standardized cycling model of batteries specifically for PVRE could be useful 

for the improvement of quality and reliability. 

Finally, as well as international standards have been developed to ensure the quality of the 

SHSs  and  the  good  practises  in  the  installation  phase,  it  would  be  desirable  the 

development of an O&M  standard  for PVRE  to guaranty  the  sustainability of  long period 

maintenance phases. 

   

Page 134: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

122 

 

 

 

  

Page 135: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

 

PUBLICATIONS GENERATED DURING

THIS PhD

Page 136: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

124 

PUBLICATIONSGENERATEDDURINGTHISPhD

Papers in international journals: 

Carrasco LM, Narvarte L, Peral A, Vázquez M. Reliability of a 13,000‐SHS photovoltaic rural electrification  programme.  Prog.  Photovolt:  Res.  Appl.  2013,  21. p.1136–1145  [Impact Factor: 9.696; Q1] 

Carrasco LM, Narvarte L, Lorenzo E. Operational costs of A 13,000 solar home systems rural electrification programme, Renewable and Sustainable Energy Reviews, April 2013, Volume 20. p. 1‐7 [Impact Factor: 5.510; Q1] 

Carrasco LM, Narvarte L, Martínez‐Moreno F, Moretón R.  In‐field assessment of batteries and PV modules in a large photovoltaic rural electrification programme, Energy, 1 October 2014, Volume 75. p. 281‐288 [Impact factor: 4.159; Q1] 

Gago Calderón A, Narvarte L, Carrasco LM, Serón Barba J. LED bulbs technical specification and testing procedure for solar home systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, January 2015, Volume 41. p. 506‐520 [Impact Factor: 5.510; Q1] 

Carrasco LM, Narvarte L. Electrificación rural fotovoltaica "Solar Home Systems". Fiabilidad y costes de mantenimiento. "Era Solar", v. null (n. 173); 2013 p. 26‐29, pp.. ISSN 0212‐4157. 

 

Papers in international congresses: 

Guest lecture: 

Carrasco  LM,  Narvarte  L.  Reliability  issues  and  cost  structure  in  the  13,000  SHS  rural electrification  programme  in  Morocco.  3rd  Symposium  Small  PV  Applications  ‐  Rural Electrification and Commercial Use, June 2013, Ulm, Germany, p. 270‐275 

Oral: 

Carrasco  LM,  Narvarte  L. Maintenance  characterization  of  a  13,000  SHS  PV  program  in Morocco. 2nd Symposium Small PV Applications ‐ Rural Electrification and Commercial Use, June 2011, Ulm, Germany, p. 46‐51 

Carrasco  LM,  Narvarte  L.  Fiabilidad  y  costes  de  mantenimiento  en  un  programa  de electrificación rural de 13.000 solar home systems. XV Congreso Ibérico y X Iberoamericano de Energía Solar. Vigo, Galicia, Junio 2012, Vigo, España. 

Carrasco  LM, Narvarte  L. Operational  costs  and  reliability  in  a  large  rural  electrification programme  based  on  solar  home  systems.  28th  European  Photovoltaic  Solar  Energy Conference and Exhibition (EU PVSEC) 2013 Proceedings, p. 3831 ‐ 3835. Paris, France. 

Carrasco  LM,  L.  Narvarte,  A.  Peral,  Reliability  Analysis  of  a  13,000  SHS  PV  Rural Electrification  Programme  in  Morocco,  26th  European  Photovoltaic  Solar  Energy Conference  and  Exhibition  (EU  PVSEC)  2011  Proceedings,  p.4044  ‐  4047.  Hamburg, Germany  

Page 137: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Publications generated during the PhD 

125 

Gago Calderón A, Narvarte  L, Carrasco  LM, y Díaz Martínez M.  LED bulb  lamps  technical specification  and  testing  procedure  for  solar  home  systems.  3rd  Symposium  Small  PV‐ Applications Rural Electrification and Commercial Use, June 2013, Ulm, Germany. 

   

Page 138: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

126 

 

Page 139: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

 

BIBLIOGRAPHY

Page 140: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

128 

 

BIBLIOGRAPHY 

[1]   IEA, “World Energy Outlook,” Paris, 2012. 

[2]   C.  N.  Doll  and  S.  Pachauri,  “Estimating  rural  populations without  access  to  electricity  in developing countries  through night‐time  light satellite  imagery,” Energy Policy, vol. 38, no. 10, pp. 5661 ‐ 5670, October 2010.  

[3]   [Online]. Available: http://www.se4all.org/. [Accessed October 2014]. 

[4]   IEA, “World Energy Outlook,” Paris, 2011. 

[5]   IEA,  “Africa  Energy Outlook  ‐  A  Focus  on  Energy  Prospects  in  Sub‐Saharan  Africa,”  Paris, 2014. 

[6]   S. Tully, “The Human Right to Access Electricity,” The Electricity Journal, vol. 19, no. 3, pp. 30 ‐ 39, April 2006.  

[7]   [Online]. Available: http://www.thegef.org/gef/. [Accessed November 2014]. 

[8]   UN Energy, “The energy challenge  for achieving  the Millennium Development Goals,” New York, 2005. 

[9]   [Online].  Available:  http://luzparatodos.mme.gov.br/luzparatodos/asp/.  [Accessed  October 2014]. 

[10]   Banerjee, G. Sudeshna, D. Barnes, B. Singh, K. Mayer and H. Samad, “Power for All: Electricity Access Challenge in India,” Washington, DC, 2013. 

[11]   [Online]. Available: http://lucesparaaprender.org/web/. [Accessed November 2014]. 

[12]   P.  Cook,  “Rural  Electrification  and  Rural  Development,”  in  Rural  Electrification  Through Decentralised  Off‐grid  Systems  in  Developing  Countries,  S.  Bhattacharyya,  Ed.,  Springer London, 2013, pp. 13 ‐ 38. 

[13]   P. Cook, “Infrastructure, rural electrification and development,” vol. 15, no. 3, pp. 304 ‐ 313, 2011.  

[14]   J.  Chontanawat,  L.  C.  Hunt  and  R.  Pierse,  “Does  energy  consumption  cause  economic growth?:  Evidence  from  a  systematic  study  of  over  100  countries,”  Journal  of  Policy Modeling, vol. 30, no. 2, pp. 209 ‐ 220, 2008.  

[15]   C. de Gouvello and D. Laurent, “Maximizing the productive uses of electricity to increase the impact of rural electrification programs,” 2008. 

[16]   [Online]. Available: http://www.macrotrends.net. [Accessed February 2015]. 

Page 141: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Bibliography 

129 

[17]   A. Cabraal, M. Cosgrove‐Davies and L. Schaeffer, “Best practices for photovoltaic household electrification programs,” Washington, D.C., 1996. 

[18]   IEA, “World Energy Outlook,” Paris, 2002. 

[19]   [Online]. Available: http://www.worldbank.org/. [Accessed December 2014]. 

[20]   C. Heuraux, L'Électricité au Coeur des Défis Africans. Manuel sur  l'électrification en Afrique, Paris: Karthala, 2010.  

[21]   [Online]. Available: http://www.lme.com/. [Accessed November 2014]. 

[22]   S.  Mahapatra  and  S.  Dasappa,  “Rural  electrification:  Optimising  the  choice  between decentralised  renewable  energy  sources  and  grid  extension,”  Energy  for  Sustainable Development, vol. 16, p. 146 – 154, 2012.  

[23]   L. Parshall, D. Pillai, S. Mohan, A. Sanoh and V. Modi, “National electricity planning in settings with  low  pre‐existing  grid  coverage:  Development  of  a  spatial model  and  case  study  of Kenya,” Energy Policy, vol. 37, no. 6, pp. 2395 ‐ 2410, June 2009.  

[24]   K.  Q.  Nguyen,  “Alternatives  to  grid  extension  for  rural  electrification:  Decentralized renewable energy  technologies  in Vietnam,” Energy Policy, vol. 35, no. 4, pp. 2579  ‐ 2589, April 2007.  

[25]   A. Inversin, “Reducing the cost of grid extension for rural electrification,” 2000. 

[26]   S. Szabó, T. K.Bódis a and M. Moner‐Girona, “Sustainable energy planning: Leapfrogging the energy  poverty  gap  in Africa,” RenewableandSustainableEnergyReviews,  vol.  28, pp.  500  ‐509, 2013.  

[27]   [Online]. Available: http://www.eia.gov/. [Accessed October 2014]. 

[28]   International  Energy  Agency,  “Climate  &  Electriciy  Annual  Data  and  Analysis,”  OECE/IEA, Paris, 2011. 

[29]   M. G. Pereira, M. A. V. Freitas and N. F. d. Silva, “Rural electrification and energy poverty: Empirical evidences from Brazil,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, no. 14, p. 1229 – 1240, 2010.  

[30]   IEA, “World Energy Outlook,” Paris, 2014. 

[31]   R.  A.  Cabraal,  “Experiences  and  lessons  from  15  years  of  World  Bank  support  for photovoltaics  for  off‐grid  electrification,”  in  2nd  International  Conference  on  the Developments in Renewable Energy Technology (ICDRET), Dhaka, 2012.  

[32]   J.  M.  García  de  la  Infanta,  Primeros  Pasos  de  la  Luz  Eléctrica  en  Madrid  y  otros Acontecimientos, Madrid: Fondo Natural, 1986.  

[33]   F. Haveron, The Brillant Ray ‐ How the Electric Light was brought to Godalming in 1881, The 

Page 142: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

130 

Godalming Electricity Centenary Celebrations Commitee, 1981.  

[34]   J. Sánchez Miñana, “El Artillero  Isidoro Cabanyes  (1843  ‐ 1915): Una Vida de  Inventos,”  in Quaderns d'Història de l'Enginyeria, vol. XIV, Barcelona, ETSEIB, 2014, pp. 83 ‐ 154. 

[35]   M. Arroyo and G. Nahm, “La Sociedad Española de Electricidad y  los  inicios de  la  industria eléctrica en Cataluña,” in Las Tres Chimeneas. Implantación industrial, cambio tecnológico y transformación de un espacio urbano barcelonés, Barcelona, Fecsa, 1994, pp. 25 ‐ 51. 

[36]   F. F. Sintes Olives and F. Vidal Burdils, La Industria Eléctrica en España. Estudio Económico ‐Legal  de  la  Producción  y  Consumo  de  Electricidad  y  de  Material  Eléctrico,  Barcelona: Montaner y Simon, S. A., 1933.  

[37]   J. Maluquer  de Motes,  “Los  pioneros  de  la  segunda  revolución  industrial  en  España:  la Sociedad Española de Electricidad (1881‐1894),” Revista de Historia Industrial, no. 2, pp. 121 ‐ 142, 1992.  

[38]   G. Núñez Romero‐Balmas, “Empresas de producción y distribución de electricidad en España (1878‐1953,” Revista de Historia Industrial, no. 7, pp. 39 ‐ 80, 1995.  

[39]   I. Bartolomé Rodríguez, LA INDUSTRIA ELÉCTRICA EN ESPAÑA (1890‐1936), Madrid: Banco de España, 2007.  

[40]   L. González Abela, La Electrificación Rural. Problema Nacional, Madrid: Gabel, 1942.  

[41]   Congreso de Electrificación Rural, vol. Primero, Madrid: Publicaciones de Luz y Fuerza, 1948. 

[42]   [Online]. Available: http://www.iies.es/. [Accessed December 2014]. 

[43]   J. M. Marchesi y Sociats, Electrificación Rural. Ciclo de Conferencias. Conferencia  Inagural, Madrid: Instituto de Ingenieros Civiles, 1932.  

[44]   H. V. Hunter, A Brief History of the Rural Electrification and Telephone Programs, REA, U.S. Department of Agriculture, 1982.  

[45]   L. Pellegrini and L. Tasciotti, “Rural electrification now and  then: comparing contemporary challenges  in  developing  countries  to  the  USA's  experience  in  retrospect,”  Forum  for Development Studies, vol. 40, no. 1, pp. 153 ‐ 176, March 2013.  

[46]   A.  Fernández,  “La  electrificación  rural  en  España.  Realizaciones  en  los  últimos  años. Comparación con la de otros países,” Economía Industrial, no. 145, pp. 23 ‐ 31, 1976.  

[47]   A. Fernández and  J. González,  “Una experiencia en programación de electrificación  rural,” Estudios territoriales, no. 1, pp. 187 ‐ 196, 1981.  

[48]   J.  A.  Guerra,  Tesis  doctoral.  Análisis  de  los  parámetros  técnicos  en  la  aplicación  de  los sistemas de información geográfica a la integración regional de las energías renovables en la producción  descentralizada  de  electricidad,  Madrid:  Universidad  Politécnica  de  Madrid, 2000.  

Page 143: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Bibliography 

131 

[49]   [Online]. Available: http://www.ine.es/varipc/index.do. [Accessed November 2014]. 

[50]   E.  Lorenzo,  “Rural  Electrification,”  in  Seventh  E.C.  Photovoltaic  Solar  Energy  Conference, Commission of the European Communities, Sevilla, Spain, 27‐31 October 1986, Proceedings, 1986.  

[51]   J. Perlin, From Space to Earth: The Story of Solar Electricity, Harvard University Press, 1999.  

[52]   P. D. Maycock, “PV review: World Solar PV market continues explosive growth,” vol. 6, no. 5, pp. 18‐22, September–October 2005.  

[53]   IEA‐PVPS, [Online]. Available: http://www.iea‐pvps.org/. [Accessed November 2014]. 

[54]   M. R. Vervaart and F. D.  J. Nieuwenhout, Manual  for  the Design and Modification of Solar Home System Components, IBRD/The World Bank USA, 2001.  

[55]   J. M. Huacuz, J. Agredano and L. Gunaratne, “Photovoltaics and Development,” in Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, vol. 2nd Editiom, John Wiley & Sons, Ltd, 2011, pp. 1078 ‐ 1015. 

[56]   E.  Lorenzo,  “Photovoltaic  rural  electrification,”  Progress  in  Photovoltaics:  Research  and Applications, vol. 5, no. 1, 1997.  

[57]   G. M. Dobrov, “The  strategy  for organized  technology  in  the  light of hard‐,  soft‐, and org‐ware interaction,” Long Range Planning, vol. 12, no. 4, pp. 79 ‐ 90, 1979.  

[58]   G. Foley, Photovoltaic applications  in  rural areas of  the developing world, vol. 304, World Bank Publications, 1995.  

[59]   M. Manson,  Rural  electrification:  a  review  of World  Bank  and  USAID  financed  projects, Washington, DC: World Bank Backgr. Pap., 1990.  

[60]   Independen Evaluation Group, “The Welfare Impact of Rural Electrification: A Reassessment of the Costs and Benefits,” Washington DC, 2008. 

[61]   A. Sanghvi and D. Barnes, “Rural electrification: lessons learned,” World Bank, 2001.  

[62]   IFC, “Solar Development Capital: Lessons Learned in Financing Solar Home Systems,” no. 13, April 2007.  

[63]   P. Meyer,  “Economic  Analysis  of  Solar Home  Systems:  A  Case  Study  for  the  Philippines,” 2003. 

[64]   E. Terrado, A. Cabraal and I. Mukherjee, “Operational guidance for World Bank Group staff : designing sustainable off‐grid rural electrification projects ‐ principles and practices,” 2008. 

[65]   IEA‐PVPS, “Sources of Financing for PV‐Based Rural Electrification  in Developing Countries,” 2004. 

Page 144: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

132 

[66]   IEA‐PVPS, “16 Case Studies on  the Deployment of Photovoltaic Technologies  in Developing Countries,” 2003. 

[67]   IEA,  “Comparative  Study  on  Rural  Electrification  Policies  in  Emerging  Economies.  Keys  to successful policies,” Paris, 2010. 

[68]   L. Rosenblum, W. J. Bifano, G. F. Hein and A. F. Ratajczak, “Photovoltaic power systems for rural  areas  of  developing  countries,”  in  Interregional  Symposium  on  Solar  Energy  for Development, February 5‐10, 1979. Tokyo.  

[69]   S. Polgar, “Use of solar generators  in Africa for broadcasting equipment,” Solar Energy, vol. 19, no. 2, pp. 201 ‐ 204, 1977.  

[70]   F. B. Verspieren, “The application of photovoltaics to water pumping and irrigation in Africa,” in Photovoltaic Solar Energy Conference, January 1981.  

[71]   W. Palz, “The French Connection: The rise of the PV water pump,” Refocus, vol. 2, no. 1, pp. 46 ‐ 47, January–February 2001.  

[72]   C. o. t. E. Communities, “The Units of Account as a Factor of Integration,” 1977. 

[73]   W.  Palz,  “The  Photovoltaic  Project  of  the  Commission  of  the  European  Communities,”  in Photovoltaic  Solar  Energy  Conference,  Luxembourg,  September  27‐30,  1977,  Proceedings, 1978.  

[74]   Solar Cell Group, “Sollar Cell Programme  in  India,”  in Photovoltaic Solar Energy Conference, Luxembourg, September 27‐30, 1977, Proceedings, 1978.  

[75]   E.  J.  Pérez,  “Photovoltaics  Activity  in  Mexico,”  in  Photovoltaic  Solar  Energy  Conference, Luxembourg, September 27‐30, 1977, Proceedings, 1978.  

[76]   T. Koyanagi, “Photovoltaic System in "Sunshine Project" National R & D Program in Japan,” in Photovoltaic  Solar  Energy  Conference,  Luxembourg,  September  27‐30,  1977,  Proceedings, 1998.  

[77]   A.  Dollery,  “Photovoltaic  Activities  in  teh  United  Kingdom,”  in  Photovoltaic  Solar  Energy Conference, Luxembourg, September 27‐30, 1977, Proceedings, 1978.  

[78]   A.  F. Ratajczak,  “Photovoltaic  Stand‐Alone  Systems Projects,”  in Medium‐Size Photovoltaic Power  Plants,  EEC/DOE  Workshop,  Sophia‐Antipolis,  France,  23‐24  October  1980, Proceedings, 1981.  

[79]   W.  J. Bifano, A. F. Ratajczak, D. M. Bahr and B. G. Garrett, “Social and economic  impact of solar electricity at Schuchuli Village,” 1979. 

[80]   A. F. Ratajczak, “Description and status of NASA‐LeRC/DOE photovoltaic applications systems experiments,” in 13th Photovoltaic Specialists Conference, 1978.  

[81]   A. F. Ratajczak and W.  J. Bifano, “Description of photovoltaic village power  systems  in  the 

Page 145: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Bibliography 

133 

United States and Africa,” in 2nd Photovoltaic Solar Energy Conference, 1979.  

[82]   Halcrow W & World Bank, “Small‐scale solar‐powered irrigation pumping systems; technical and economic review,” Sir William Halcrow and Partners, 1981. 

[83]   W. Palz, “Photovoltaics for Development,”  in 2ndE.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Berlin (West), 23‐26 April 1979, Proceedings, 1979.  

[84]   M. R. Starr and W. Palz, “Photovoltaic Power  for Europe. An Assessment Study,” Series C, Volume 2, 1983. 

[85]   W.  B. Gillett,  R.  J. Hacker  and W.  Kaut,  “PHOTOVOLTAIC DEMONSTRATION  PROJECTS  2,” ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS LTD, London, 1989. 

[86]   B. Yordi, D. Stainforth, H. Edwards, V. Gerhold, G. Riesch and G. Blaesser, “The Commission of  the  European  Communities'  (EC)  demonstration  and  thermie  programmes  for photovoltaic  (PV) applications,” Solar Energy, vol. 59, no. 1‐3, pp. 59  ‐ 66,  January–March 1997.  

[87]   L.  Selles  and  B.  Aubert,  “Technical  Coordination  of  the  French  PV  Rural  Electrification Programme,” in Sixth E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Commission of the European Communities, London, U.K., 15‐19 April 1985, Proceedings, 1985.  

[88]   European Commission, “Photovoltaic rural electrification of 79 dwellings at Sierra de Segura (Jaén),” Luxembourg, 1994. 

[89]   M. Egido, M. Erill, R. Eyras, A. González, S. Gracia, E. Lorenzo, M. Montero and M. Sidrach, “Photovoltaic Rural Electrification of 57 Dwellings in La Sierra de Segura (Spain),” in Eight E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Florence, 1988.  

[90]   F.  C.  Treble,  “The  CEC  Photovoltaic  Pilot  Projects,”  in  Sixth  E.C.  Photovoltaic  Solar  Energy Conference,  Commission  of  the  European  Communities,  London,  U.K.,  15‐19  April  1985, Proceedings, D. Reidel Publishing Co., 1985.  

[91]   F. C. Treble, “Progress in International Photovoltaics Standards,” in Seventh E.C. Photovoltaic Solar  Energy  Conference,  Commission  of  the  European  Communities,  Sevilla,  Spain,  27‐31 October 1986, Proceedings, 1986.  

[92]   J. Krell, “The Remote Home Power System Project on the Navajo Reservation,”  in Fifth E.C. Photovoltaic  Solar, Energy Conference, Commission of  the European Communities, Kavouri (Athens), Greece, 17‐21 October 1983, Proceedings, 1983.  

[93]   E.  Lorenzo,  J. C. Miñano,  F. Yebes and B. Yaici,  “A Photovoltaic  Installation  in a  Sub‐Sahel Village in Senegal,” in Seventh E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Commission of the European Communities, Sevilla, Spain, 27‐31 October 1986, Proceedings, 1986.  

[94]   D. C. Kenkeremath and P. A. Borgo, “Egyptian PV Field Test Project,” in Sixth E.C. Photovoltaic Solar  Energy  Conference,  Commission  of  the  European  Communities,  London,  U.K.,  15‐19 April 1985, Proceedings, 1985.  

Page 146: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

134 

[95]   H.  Rodríquez‐Murcia,  “Telecommunication  and  Professional  Uses  of  Photovoltaics,”  in Seventh  E.C.  Photovoltaic  Solar  Energy  Conference,  Commission  of  the  European Communities, Sevilla, Spain, 27‐31 October 1986, Proceedings, 1986.  

[96]   L. P. Drouot, “The French Photovoltaic Program: 1982 ‐ 1986,” in Fifth E.C. Photovoltaic Solar, Energy Conference, Commission of the European Communities, Kavouri (Athens), Greece, 17‐21 October 1983, Proceedings, 1983.  

[97]   P.  Jourde,  “French Polynesia Already  in  Solar Age,”  in  Sixth E.C. Photovoltaic  Solar Energy Conference,  Commission  of  the  European  Communities,  London,  U.K.,  15‐19  April  1985, Proceedings, 1985.  

[98]   A.  Claverie,  P.  Courtiade  and  P.  Vezin,  “Photovoltaic  rural  electrification  in  France,”  in Photovoltaic  Energy  Conversion,  1994.,  Conference  Record  of  the  Twenty  Fourth.  IEEE Photovoltaic Specialists Conference‐1994, 1994 IEEE First World Conference, 1994.  

[99]   P. Waldner and J. Guerry, “Installation of photovoltaic generators and solar‐powered heating systems in 23 refuges in the French Alps and Pyrenees,” Luxembourg, 1991. 

[100]   J. S. Solera, “100 kWp Experimental PV Power Plant,” in Sixth E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference,  Commission  of  the  European  Communities,  London,  U.K.,  15‐19  April  1985, Proceedings, 1985.  

[101]  A.  Krenzinger  and M. Montero,  “Energy  Consumption  Patterns  of  the  Rural  Photovoltaic Market  in Spain,”  in Seventh E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Commission of  the European Communities, Sevilla, Spain, 27‐31 October 1986, Proceedings, 1986.  

[102]  E. Lorenzo, A. Krenzinger, M. Montero and A. Meana, “The Rural Electrification Share of the Spanish Photovoltaic Market,” in xth E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Commission of the European Communities, London, U.K., 15‐19 April 1985, Proceedings, 1985.  

[103]   J. R. Eyras and E. Lorenzo, “An Energy Consumption Scenario for Sizing Rural Electrification PV  Systems,”  Progress  in  Photovoltaics:  Research  and  Applications,  vol.  1,  pp.  145  ‐  152, 1993.  

[104]   J.  R.  Eyras  and  E.  Lorenzo,  “Lessons  from  a  PV  Rural  Electrification  Projetc  at  "Sierra  de Segura" (Spain),” in Tenth E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Losbon, 1991.  

[105]  B.  Cancino,  E.  Gálvez,  P.  Roth  and  A.  Bonneschky,  “Introducing  Photovoltaic  Systems  in Homes  in Rural Chile,”  IEEE Technology and Society Magazine,  vol. 20, no. 1, pp. 29  ‐ 36, 2001.  

[106]  E.  Lorenzo,  “The  Importance  of  Sociology  in  Photovoltaic  Projetcs,”  in  Seventh  E.C. Photovoltaic  Solar  Energy  Conference,  Commission  of  the  European  Communities,  Sevilla, Spain, 27‐31 October 1986, Proceedings, 1986.  

[107]  H.  P.  Hertlein,  “Technological  Issues  in  Photovoltaics  ‐  An  Overview,”  in  Seventh  E.C. Photovoltaic  Solar  Energy  Conference,  Commission  of  the  European  Communities,  Sevilla, Spain, 27‐31 October 1986, Proceedings, 1986.  

Page 147: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Bibliography 

135 

[108]  C.  Leclercq,  “Overall  PV  System  Reliability,”  in  Sixth  E.C.  Photovoltaic  Solar  Energy Conference,  Commission  of  the  European  Communities,  London,  U.K.,  15‐19  April  1985, Proceedings, 1985.  

[109]  L. T. Slominski and D. V. Eskenazi, “Evaluation of International Photovoltaic Projects,” in Sixth E.C.  Photovoltaic  Solar  Energy  Conference,  Commission  of  the  European  Communities, London, U.K., 15‐19 April 1985, Proceedings, 1985.  

[110]  E. Lorenzo, “Realities in the field of photovoltaic rural electrification projects,” in Conference: 3. ISES European solar congress, Copenhagen (Denmark), 2000, Jul 01.  

[111]  F. Nieuwenhout, A.  v. Dijk, V.  v. Dijk, D. Hirsch,  P.  Lasschuit, G.  v. Roekel, H. Arriaza, M. Hankins,  B.  Sharma  and  H.  Wade,  “Monitoring  and  evaluation  of  Solar  Home  Systems. Experiences  with  applications  of  solar  PV  for  households  in  developing  countries,” Amsterdam, 2000. 

[112]  M.  A.  Egido,  E.  Lorenzo  and  L.  Narvarte,  “Universal  technical  standard  for  solar  home systems,” Prog. Photovolt: Res. Appl., no. 6, p. 315 – 324, 1998.  

[113]  European  Commission.  Directorate  General  XVII,  Energy,  Universal  technical  standard  for solar home systems. Thermie B: SUP‐995‐96, Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 1999 (updated in 2001).  

[114]   J.  M.  Huacuz,  R.  Flores,  J.  Agredano  and  G.  Munguia,  “Field  performance  of  lead‐acid batteries in photovoltaic rural electrification kits,” Solar Energy, vol. 55, no. 4, pp. 287 ‐ 299, 1995.  

[115]  F. D.  J. Nieuwenhout, A. v. Dijk, P. E.  Lasschuit, G. v. Roekel, V. A. P. v. Dijk, D. Hirsch, H. Arriaza, M. Hankins, B. D.  Sharma  and H. Wade,  “Experience with  solar home  systems  in developing countries: a review,” Prog. Photovolt: Res. Appl., vol. 9, no. 6, p. 455 – 474, 2001. 

[116]  A. González, M. Aritio, R. Eyras and E. Ngom, “FAD Senegal: Program of Rural Photovoltaic Electrification,” in Nineteenth European Photovoltaic Solar Energy Conference, Paris, 2004.  

[117]  EDF,  [Online].  [Accessed http://strategie.edf.com/fichiers/fckeditor/Commun/Developpement_Durable/2011/Acces_energie/2011/EDF_AccesEnergie_Senegal_vf.pdf October 2014]. 

[118]  R. Mawhood and R. Gross,  “Institutional barriers  to a  ‘perfect’ policy: A  case  study of  the Senegalese Rural Electrification Plan,” Energy policy, vol. 73, pp. 480 ‐ 490, October 2014.  

[119]  REN  21,  2012.  [Online].  Available:  http://www.ren21.net/default.aspx?tabid=5434.. [Accessed October 2014]. 

[120]  X.  Lemaire,  “Off‐grid electrification with  solar home  systems: The experience of a  fee‐for‐service concession  in South Africa,” Energy for Sustainable Development, vol. 15, no. 3, pp. 277 ‐ 283, September 2011.  

[121]  ONEE. [Online]. Available: http://www.one.org.ma/. [Accessed October 2014]. 

Page 148: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

136 

[122]  D. Palit  and A. Chaurey,  “Off‐grid  rural electrification experiences  from  South Asia:  Status and best practices,” Energy for Sustinable Development, no. 15, pp. 266 ‐ 276, 2011.  

[123]  “Designing  sustainable  off‐grid  rural  electrification  projects:  principles  and  practices,” Washington, DC, 2008. 

[124]  Ministry  of  New  and  Renewable  Energy  (Government  of  India),  [Online].  Available: http://mnre.gov.in/schemes/offgrid/remote‐village‐electrification/.  [Accessed  October 2014]. 

[125]   J. Ondraczek, “The  sun  rises  in  the east  (of Africa): A comparison of  the development and status of solar energy markets in Kenya and Tanzania,” Energy Policy, vol. 56, pp. 407 ‐ 417, May 2013.  

[126]  A. Yadoo, Delivery Models for Decentralised Rural Electricication. Case studies in Nepal, Peru and Kenya, London for Environment and Development: International Institute, 2012.  

[127]  A.  L.  D’Agostino,  B.  K.  Sovacool  and  M.  J.  Bambawale,  “And  then  what  happened?  A retrospective  appraisal  of  China’s  Renewable  Energy  Development  Project  (REDP),” Renewable Energy, vol. 36, no. 11, pp. 3154 ‐ 3165, November 2011.  

[128]  H. A. Samad, S. R. Khandker, M. Asaduzzaman and M. Yunusd, “The benefits of solar home systems: an analysis from Bangladesh,” 2013. 

[129]  S. Komatsu, S. Kaneko, P. P. Ghosh and A. Morinaga, “Determinants of user satisfaction with solar home systems in rural Bangladesh,” Energy, vol. 61, pp. 52 ‐ 58, 2013.  

[130]   I.  Sharif  and M. Mithila,  “Rural  electrification  using  PV:  the  success  story of Bangladesh,” Energy Procedia, vol. 33, pp. 343 ‐ 354, 2013.  

[131]  B.  Sovacool  and  I.  Drupady,  “Summoning  earth  and  fire:  The  energy  development implications of Grameen Shakti (GS) in Bangladesh,” Energy, vol. 36, no. 7, pp. 4445 ‐ 4459, 2011.  

[132]  REN21, “Renewables 2014 Global Status Report,” 2014. 

[133]  R. Conor, “Bangladesh receives US$78.4 million  from  IDA to  finance PV systems,” www.pv‐tech.org, 30 June 2014.  

[134]  M.  Camino,  Contribución  al  aseguramiento  de  la  calidad  en  la  electrificación  rural  con energías renovables, 2011.  

[135]  B. Parida, S. Iniyan and R. Goic, “A review of solar photovoltaic technologies,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, no. 3, pp. 1625‐1636, April 2011.  

[136]   [Online]. Available: http://www.nrel.gov/ncpv/. [Accessed October 2014]. 

[137]  M.  Camino‐Villacorta, M.  Á.  Egido‐Aguilera  and  P.  Díaz,  “Test  procedures  for  maximum power point  tracking  charge  controllers  characterization,” Prog. Photovolt: Res. Appl.,  vol. 

Page 149: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Bibliography 

137 

20, p. 310 – 320, 2012.  

[138]  L.  Narvarte,  J. Muñoz  and  E.  Lorenzo,  “Testing  of  fluorescent  DC  lamps  for  Solar  Home Systems,” Prog. Photovolt: Res. Appl., no. 9, p. 475 – 489, 2001.  

[139]  A. Gago Calderón, L. Narvarte, L. M. Carrasco and J. Serón, “LED bulbs technical specification and testing procedure for solar home systems,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 41, pp. 1364 ‐ 0321, January 2015.  

[140]  S. R. Wenham, M. A. Green, M. E. Watt and R. Corkish, “Applied Photovoltaics,” 2nd edition ed., London, Earthscan, 2007, pp. 265 ‐ 286. 

[141]  B. Fahlenbock and S. Haupt,  “Quality  Standards  for Solar Home Systems and Rural Health Power Supply,” Eschborn, 2000. 

[142]   IEC, TS 62257 Series ‐ Recommendations for small renewable energy and hybrid systems for rural electrification, 2.0 ed., 2013.  

[143]  E.  Lorenzo, R. Zilles and E. Caamaño, Photovoltaic  rural electrification: a  fieldwork picture book, PROGENSA, 2001.  

[144]  E. Martinot, R. Ramankutty and F. Rittner, “The GEF solar PV portfolio: emerging experience and lessons. Monitoring and Evaluation,” 2000b. 

[145]  U. Hansen, M. Pedersen and  I. Nygaard,  “Review of Solar PV market development  in East Africa,”  in  1st  Africa  photovoltaic  solar  energy  conference  and  exhibition  proceedings, Durban, South Africa, 2014.  

[146]  S.  Abdullah  and  A.  Markandya,  “Rural  electrification  programmes  in  Kenya:  Policy conclusions from a valuation study,” Energy for Sustainable Development, vol. 16, no. 1, pp. 103 ‐ 110, 2012.  

[147]  R.  Acker  and D.  Kammen,  “The  quiet  (energy)  revolution:  analysing  the  dissemination  of photovoltaic power systems in Kenya,” Energy Policy, vol. 24, no. 1, pp. 81 ‐ 111, 1996.  

[148]  ESMAP, “UGANDA: Rural Electrification Strategy Study,” 1999. 

[149]   IEA, “Pico Solar PV Systems  for Remote Homes. A new generation of small PV systems  for lighting and communication,” 2012. 

[150]  D. Soto, E. Adkins, M. Basinger, R. Menon, S. Rodriguez‐Sanchez, N. Owczarek, I. Willig and V. Modi, “A prepaid architecture for solar electricity delivery  in rural areas,”  in Proceedings of the  Fifth  International  Conference  on  Information  and  Communication  Technologies  and Development, New York, 2012.  

[151]  A. Ellegård, A. Arvidson, M. Nordström, O. S. Kalumiana and C. Mwanza, “Rural people pay for solar: experiences from the Zambia PV‐ESCO project,” Renewable Energy, vol. 29, no. 8, pp. 1251 ‐ 1263, July 2004.  

Page 150: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

138 

[152]  A. Ballesteros, Keys to Achieving Universal Energy Access Series:  Implementation Strategies for Renewable Energy Services in Low‐Income, Rural Areas, World Resources Institute, 2012. 

[153]  H.  Zerriffi,  “Innovative  business models  for  the  scale‐up  of  energy  access  efforts  for  the poorest,” Current Opinion in Environmental Sustainability, vol. 34, pp. 272 ‐ 278, 2011.  

[154]  M. Retnanestri and H. Outhred, “Acculturation of renewable energy technology into remote communities:  lessons  from Dobrov, Bourdieu,  and Rogers  and  an  Indonesian  case  study,” Energy, Sustainability and Society, vol. 3, no. 1, May 2013.  

[155]  G. Notton, M. Muselli and P. Poggi, “Costing of a stand‐alone photovoltaic system,” Energy, vol. 23, no. 4, pp. 289 ‐ 308, 1998.  

[156]  L. Qoaider and D. Steinbrecht, “Photovoltaic  systems: A  cost  competitive option  to  supply energy  to off‐grid agricultural communities  in arid  regions,” Applied Energy, vol. 87, no. 2, pp. 427 ‐ 435, 2010.  

[157]   IFC, “From gap  to opportunity: business models  for scaling up energy access,” Washington DC (USA), 2012. 

[158]  X.  Lemaire,  “Fee‐for‐service  companies  for  rural  electrification with  photovoltaic  systems: The case of Zambia,” Energy for Sustainable Development, vol. 13, no. 1, pp. 18 ‐ 23, 2009.  

[159]  M. Horn, “Solar photovoltaics for sustainable rural electrification in developing countries; the experiences in Peru,” in ISES Solar World Congress, Göteborg, 2003.  

[160]  A. Zomers, “The challenge of rural electrification,” Energy for Sustainable Development, vol. VII, no. 1, pp. 69 ‐ 76, 2003.  

[161]  World Bank, “The Welfare  Impact of Rural Electrification: A Reassessment of the Costs and Benefits,” 2008. 

[162]   [Online]. Available: http://www.one.org.ma/. [Accessed November 2014]. 

[163]   [Online]. Available: http://www.ffem.fr. [Accessed February 2015]. 

[164]  M. Adhikari, “A Successful Public Private Partnership Model of Dissemination of Solar Home Systems  in Nepal,”  in 23rd European Photovoltaic  Solar Energy Conference and Exhibition, Valencia (Spain), 2008.  

[165]  B.  K.  Sovacool,  “Expanding  renewable  energy  access  with  pro‐poor  public  private partnerships in the developing world,” Energy Strategy Reviews, vol. 1, no. 3, March 2013.  

[166]  “CEGID,” [Online]. Available: http://en.cegid.com/. [Accessed April 2015]. 

[167]  R. Zilles, “A diagnosis on the need to establish a technical requirements protocol for home photovoltaic systems  in Latin America,” Energy  for Sustainable Development, vol.  III, no. 2, pp. 38 ‐ 43, 1996.  

Page 151: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Bibliography 

139 

[168]   J. Muñoz, E. Lorenzo, F. Martínez Moreno, L. Marroyo and M. García, “An investigation into hot‐spots  in  two  large  grid‐connected PV plants,” Progress  in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 16, p. 693 – 701, 2008.  

[169]  P. Sánchez‐Friera, M. Piliougine, J. Peláez, J. Carretero and M. Sidrach de Cardona, “Analysis of degradation mechanisms of crystalline silicon PV modules after 12 years of operation  in Southern Europe,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 19, no. 6, p. 658 – 666, 2011.  

[170]  G. Bopp, H. G. K. Preiser, D. U. Sauer and H. Schmidt, “Energy storage in photovoltaic stand‐alone energy supply systems,” Progress  in Photovoltaics: Research ans Applications, vol. 6, no. 4, p. 271 – 291, 1998.  

[171]  Stationary  lead acid batteries  ‐ Vented types  ‐ General requirements and methods of tests. International Standard IEC 60896‐11: 2002(E).  

[172]  P. Díaz, M. Egido and F. Nieuwenhout, “Dependability analysis of stand‐alone photovoltaic systems,” Progress in Photovoltaic: Research and Applications, vol. 15, p. 245 – 264, 2007.  

[173]  Universal Technical  Standard  for  Solar Home  Systems. Thermie B:  SUP‐995‐96, EC‐DGXVII, 1998.  

[174]  P. O’Connor, Practical Reliability Engineering, 4th edition ed., FOURTH, 2002.  

[175]   J. Warleta, Fiabilidad. Bases teóricas y prácticas, INTA, “Esteban Terradas”, 1985.  

[176]  R.  Esparza  and  S.  Martínez,  “Fiabilidad  en  un  sistema  de  alimentación  ininterrumpida,” Mundo Electrónico, vol. 48, 1976.  

[177]  M.  Vázquez  and  I.  Rey‐Stolle,  “Photovoltaic  Module  Reliability  Model  Based  on  Field Degradation Studies,” Progress  in Photovoltaic: Research and Applications, vol. 16, p. 419 –433, 2008.  

[178]  P. A. Tobias and D. C. Trindade, Applied Reliability, 2nd Edition ed., Chapman&Hall, 1995.  

[179]  B. L. Amstadter, Reliability Mathematics: Fundamentals, Practices; Procedures, McGraw‐Hill, 1971.  

[180]  P. R. Mishra and J. C. Joshi, “Reliability estimation for components of photovoltaic systems,” Energy Conversion Management, vol. 37, no. 9, p. 1371 – 1382, 1996.  

[181]  Almabat. [Online]. Available: http://www.almabat.ma/. [Accessed December 2014]. 

[182]  Phocos. [Online]. Available: http://www.phocos.com/. [Accessed December 2014]. 

[183]   IEC, IEC standard 60896‐11. Stationary lead‐acid batteries – Part 11: Vented types – General requirements and methods of tests, 2002.  

[184]   IEC,  IEC  standard  61427‐1.  Secondary  cells  and  batteries  for  renewable  energy  storage  ‐

Page 152: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

 

140 

General requirements and methods of test ‐ Part 1: Photovoltaic off‐grid application, 1.0 ed., 2013.  

[185]  D.  U.  Sauer,  “Electrochemical  Storage  for  Photovoltaics,”  in  Handbook  of  Photovoltaic Science and Engineering, Chichester, UK, John Wiley & Sons, Ltd, 2015, pp. 896 ‐ 951. 

[186]   J. Muñoz and E. Lorenzo, “Capacitive  load based on IGBTs for on‐site characterization of PV arrays,” Solar Energy, vol. 80, no. 11, pp. 1489 ‐ 1497, 2006.  

[187]   IEC,  IEC  standard  60904‐1.  Photovoltaic  devices  ‐  Part  1:  Measurement  of  photovoltaic current‐voltage characteristics, 2006.  

[188]   IEC,  IEC standard 60891. Photovoltaic devices – Procedures for temperature and  irradiance corrections to measured I‐V characteristics. International Electrotechnical Commission, 2009. 

[189]  R. Moreton, E. Lorenzo and F. Martínez‐Moreno, “Field Performance of PV Modules Quality Control  Process,”  in  23rd  European  Photovoltaic  Solar  Energy  Conference  and  Exhibition, Valencia, Spain, 2008.  

[190]  G. Nofuentes, J. Aguilera, R. L. Santiago, L. De La Casa and L. Hontoria, “A reference‐module‐based  procedure  for  outdoor  estimation  of  crystalline  silicon  PV  module  peak  power,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 14, pp. 77 ‐ 87, 2006.  

[191]  M. A. Muñoz‐García, J. P. Silva and F. Chenlo, “Influence of Initial Power Stabilization over PV Modules  Maximum  Power,”  in  24th  European  Photovoltaic  Solar  Energy  Conference, Hamburg, Germany, 2009.  

[192]  M. A. Muñoz, M. C. Alonso‐García, F. Chenlo and N. Vela, “Early degradation of  silicon PV modules and guaranty conditions,” Solar Energy, vol. 85, no. 9, pp. 2264 ‐ 2274, 2011.  

[193]  F.  J.  Pern  and  A.  W.  Czanderna,  “Characterization  of  Ethylene  Vinyl  Acetate  (EVA) Encapsulant:  Effects  of  Thermal  Processing  and  Weathering  Degradation  on  its Discoloration,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 25, pp. 3 ‐ 23, 1992.  

[194]  D.  Berman,  S.  Biryukov  and  D.  Faiman,  “EVA  laminate  browning  after  5  years  in  a  grid‐connected,  mirror‐assisted,  photovoltaic  system  in  the  Negev  desert:  effect  on  module efficiency,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 36, no. 4, pp. 421 ‐ 432, 1995.  

[195]  E.  Martinot,  A.  Cabraal  and  S.  Mathur,  “World  Bank/GEF  solar  home  system  projects: experiences and  lessons  learned 1993–2000,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 5, no. 1, pp. 39 ‐ 57, 2001.  

[196]  Energy & Development Research Centre, A  review of  international  literature of ESCOs and fee‐for‐service approaches to rural electrification (solar home systems), Cape Town, 2003.  

[197]  A.  Chaurey  and  T.  Kandpal,  “Assessment  and  evaluation  of  PV  based  decentralized  rural electrification: An overview,” , Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, no. 8, pp. 2266 ‐ 2278, 2010.  

Page 153: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS …oa.upm.es/37540/1/LUIS_MIGUEL_CARRASCO_MORENO.pdf · ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

Bibliography 

141 

[198]  F.  v.  d. Vleuten, N.  Stam  and  R.  v.  d.  Plas,  “Putting  solar  home  system  programmes  into perspective: What lessons are relevant?,” Energy Policy, vol. 35, no. 3, pp. 1439 ‐ 1451, 2007. 

[199]  M. Djamin, A. S. Dasuki and A. Y. Lubis, “Performance evaluation of solar home systems after more  than  ten  years  of  operation  in  Indonesia,”  in World  renewable  energy  congress  VI (WREC 2000), Brighton, 2000.  

[200]  S. Chowdhury, M. Mourshed, S. Kabir, M.  Islam, T. Morshed, M. R. Khan and M. Patwary, “Technical appraisal of solar home systems in Bangladesh: A field investigation,” Renewable Energy, vol. 36, no. 2, p. 772 – 778, 2011.  

[201]  M.  Schäfer,  N.  Kebir  and  K.  Neumann,  “Research  needs  for  meeting  the  challenge  of decentralized energy supply  in developing countries,” Energy  for Sustainable Development, vol. 15, pp. 324 ‐ 329, 2011.  

[202]  M. Nouni, S. Mullick and T. Kandpal, “Photovoltaic projects for decentralized power supply in India: A financial evaluation,” Energy Policy, vol. 34, pp. 3727 ‐ 3738, 2006.  

[203]  E. Ilskog and B. Kjellström, “And then they lived sustainably ever after?—Assessment of rural electrification cases by means of  indicators,” Energy Policy, vol. 36, no. 7, pp. 2674  ‐ 2684, 2008.  

[204]  A. Woodruff, “An economic assessment of renewable energy options for rural electrification in Pacific Island countries,” Suva, 2007. 

[205]  Fraunhofer  Institut  Solare  Energiesysteme—ISE,  “Compendium  of  Projects  on  Rural Electrification and Off‐Grid Power Supply,” Freiburg, 2001. 

[206]  E. Rosenthal, Gams. A user's guide, Washington: Gams Development Corporation.  

[207]   IBM, User's manual for Cplex, IBM ILOG, 2014.