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美国日全蚀 考验太阳能发电应变能力
 

【作者: 盧傑瑞】2017年09月25日 星期一

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在2017年8月21日美国迎来1979年之後第一次超级日全蚀,涵盖范围从美国西北开始,一条宽度约67英哩的「日全蚀带」,横跨美国中部12大州一直到美国东南地区,整个过程将持续4小时。包括了俄勒冈、爱达荷、怀俄明、?布拉斯加、堪萨斯、密苏里、伊利诺伊、肯塔基、田纳西、北卡罗来纳、乔治亚、南卡罗来纳等州。这场跨州天文秀将从美国西北部俄勒冈州延伸至东南部南卡罗来纳州,范围宽113公里、长4800公里。在接近中午时,俄州率先目睹奇观,约90分钟後在南卡罗来纳州登场(图一)。



图一 : 日全蚀带横跨美国中部12大州
图一 : 日全蚀带横跨美国中部12大州

消失90分钟的阳光

这场世纪秀除了吸引天文迷相争观察之外,另一个重头戏就是考验着太阳能发电机制的应变力,毕竟在这次的日全蚀影响中,将带来长达90分钟消失的太阳光,所横跨的各州,将会出现暂时太阳能发电电力短缺,甚至於完全停止。


美国上一次经历日全蚀时是1979年,当时的太阳能发电机制尚未普遍被设置与应用,因此并未对美国国内供电造成影响。但因为此後数10年间,美国为了降低排碳量而积极发展再生能源,使得包括太阳能、风力等等绿色能源发电顺势崛起,例如加州政府定下了在2030年将由再生能源供应当地过半的电量。


美国能源部能源情报局在日全蚀前的预估,会有21GW的电力将受到这场天为奇观秀所影响。其中受影响最为严重的将会出现在俄勒冈州,包括有0.07GW的太阳能面板,会因为全蚀完全无法发电,90%日蚀区域约4.01GW、80%日蚀区域约2.2GW、70%日蚀区域约3.94GW、60%日蚀区域约9.79GW、而50%日蚀区域受影响的发电量约为1.65GW(图二)。



图二 : 加州日蚀对太阳能发电影响预测
图二 : 加州日蚀对太阳能发电影响预测

全美最大的美东电厂也在先前预计其系统从下午13点30分至15点40分会损失近 2500 MW的电力,而大多数的电源损失将从屋顶的太阳能源板而来。日蚀的时间为纽约时间 12点05分至16点09分,因期间太短并未对於非再生能源的需求量但来严重的影响,但是却影响了当天的电源批发价。此外,美国电网公司PJM Interconnection经营的配电网从伊利诺州延伸到纽泽西州,而该公司在较早之前预估8月21日时日全蚀期间旗下太阳能发电量将损失2.5GW。


加州电力的因应之道

其实受影响最大的则是美国加州,和其他区域一样,在1979年时出现日全蚀时,加州的电力网路中尚未有太阳能发电的电力,但是目前正体的电力网路中约有10GW的电力是来自於太阳光所产生的电力,用电尖峰时期,更有30%~40%的电力是来自於太阳能发电,而这些太阳能发电电量约有5.8GW,是经由装置在建筑物屋顶的太阳能发电面板来供应。


虽然加州并未处在日全蚀带之中,但是加州的北部有76%的区域以及南部58%的区域却会出现日偏蚀的情况,但因为在某些天数40%供电量全由太阳能供应。日蚀将减少70%的太阳光量,而太阳能发电厂在82分钟的阶段每分钟可因日蚀减少70MW发电量,市场则需想办法补足6008 MW的电源。根据美国加州独立系统营运单位(California Independent System Operator; CAISO)在日全蚀发生前的预测,因为这次的日全蚀,将会有4.194GW的电力减少来自於太阳能发电业者,以及1.365GW的减少来自於一般建筑屋顶上的太阳能发电面板。


加州的太阳被月球遮住产生日蚀的时间将会从上午9点02分开始,一直到11点54分左右,日蚀影响最大的时间点是在10点22分。而这段时间就使影响加州太阳能发电最大的时间带,因此CAISO早在2015年就已经针对这个时间带,因为日蚀的影响拟定了相对应的计画。


在2015年时,CAISO就针对市场用电规模与发电预测等相关资料,进行一连串的规划,包括了对电力公司、电网业者、天然气业者等等进行调整,并且叁考2015年时欧洲因为日全蚀现象的出现时各种因应之道,例如从附近的电力网路业者调拨一部分的电力送往电力短缺的地区,确保电力的输入、启动、弹性调整的能力是能够完美被衔接上。


因此CAISO的构想是,当出现日蚀现象而导致太阳能发电急速短缺时,将会出现6.008GW的电力缺囗,这时就必须事先对水力与火力发电厂进行提高电力产出的准备,所幸在今年加州地区的降雨量相当充沛,因此有约6GW的电力可以经由水力发电提供,由於水力发电的启动和停机相对於火力发电来的容易许多,因此CAISO准备当日蚀现象冲击到太阳能发电时,优先启动水力发电机组,来弥补初期不足的电力,而火力以及天然气发电的部分,由於启动与停止的程序较为繁复,因此是被放置在预备阶段,弥补水力发电不足供应的电力。当日蚀现象到末期,而太阳光又开始恢复带动太阳能发电电量急剧增加时,就必须迅速立即中止发电,来防止发电过多造成无谓损失与环境的伤害。


对於这次的日全蚀现象来说,全球能源专家的眼光已经几??都投注在CAISO如何因应这场天文现象带来的电力供应影响。


师法欧洲日全蚀策略

回顾在2015年欧洲出现的日全蚀现象,欧洲各国对於太阳能发电所带来的影响是如何因应与安然度过。


2015年3月20日当天日蚀最先出现在英国,接着是格陵兰、欧洲大陆及俄国,遮蔽了部分欧洲地区近 90% 的太阳光线,除了欧洲外,北非部分地区的居民也亲眼目睹约90分钟的日蚀(图三)。



图三 : 2015年3月20日欧洲出现的日全蚀现象
图三 : 2015年3月20日欧洲出现的日全蚀现象

上一次发生在欧洲的日蚀现象是在 1999 年,当时太阳能发电并不如现在受重视,日食的发生对电力业者来说,并不是什麽值得担??的大事。然而,相较於 16 年前,现在欧洲对再生能源依赖大幅增加了许多。


由於欧洲不断推广新兴能源,据欧洲统计局(Eurostat)报告,2002年新兴能源从12%提升至2012年的20%,较大规模使用太阳能供电的国家如德国占7%、义大利则有8%,因此电力调度成为本次日蚀的一大考验(图四)。



图四 : 欧洲输电调度中心协会比较有无日蚀的太阳能发电曲线
图四 : 欧洲输电调度中心协会比较有无日蚀的太阳能发电曲线

当初,欧洲曾对此次日蚀发出预警,并且威胁性的发出警告,这是一次巨大的考验,当时的日蚀项对欧洲多达30个国家造成了程度不一的影响,特别在英格兰地区可以看到日全蚀。英国时间上午8点41分开始,太阳表面会被月球遮住,并在9点41分月球将完全覆盖太阳,直到10点41分才会恢复,在这2小时中,英格兰地区是完全处於黑暗的状态。


而德国太阳能发电业者的股价,也在出现日蚀的当天因此遭受巨大冲击,大幅下杀了70%。自2003年上次欧洲日蚀以来,德国太阳能发电已扩大到38.2GW,因此德国必须证明,其电力市场和电力网处理中心能在特殊情况下发挥功能。


德国地区是从2015年3月20日上午9点38分出现日蚀,一直到11点58分才完全结束。当时,德国的电力供应情况,大约在9点30分统就出现电力供给的曲线反转向下滑落,德国的输电调度中心依靠全国与区域性水准的备转容量,将发电量高达39GW的太阳能发电,因为受到日蚀的影响而出现的剧烈变化,处理得非常平稳。这样的情况一直到日偏蚀结束後供电曲线才开始大幅度的爬升。德国电力业者的因应方法是,加入传统的火力发电、天然气发电以及水力发电厂进行电力供给的调整,再加上一部分的储电电力,使得在这2个多小时的时间里,德国整体电力供应系统运作相当的稳定平顺。


在义大利方面,则是跟各个配电调度中心与发电公司合作,从上午的7点至下午14点之间,会有约5MW的太阳能发电设施无法产生电力,使得在这段时间,义大利整体的太阳能发电量从18MW骤降至13MW,直到下午14点之後,各个太阳能发电厂重新启动发电,并入供电系统,恢复满载运转。


当然,在2015年德国得以安然度过日蚀供电危机,除了德国本身电力调节方案相当谨慎,四大主要电力网路业者为此增加了相关工作人员,在整个日蚀的过程中,不断的透过电话会议的方式保持多方的联系,并且还购买了储备电力以防万一,因此在事先有着完善的准备,使得德国电力供应业者可以应付所有发电量与需求量的消长变化。除此之外,同时欧洲输电调度中心协会(ENTSO-E: European Network for Transmission System Operators)也动员了所有的电力公司的控制室,在日蚀现象的整个过程中彼此之间持续地沟通,必且也准备使用储备电力来平衡整个电力系统,以及帮助受到日蚀影响的欧洲其它国家。为了做到这样的机制,欧洲电网公司与慕尼克的TSC、布鲁塞尔的Coreso的协调组织密切合作,从这些单位即时取得相关的资料。


美国通过日蚀考试

事实上,出现日全蚀的当天,美国当地媒体以「一生只有一次」来形容这次的天文奇景,已因此聚集了来自世界各地的朝圣者。而包括美国太空总署、电视、网路也都争先报导或分析这次日全蚀堪称「完美的遮蔽」(图五)。



图五 : 美国当地媒体以「一生只有一次」来形容这次的天文奇景
图五 : 美国当地媒体以「一生只有一次」来形容这次的天文奇景

但在汇聚大批群众观看日全蚀现场的另一个区域,包括电力公司、电网电力配送业者、发电业者等办公室和控制室,也相同聚集了为数众多的人员,但所不相同的是,这些人员聚集的目的并不是欣赏天文景观,而是群策群力的解决因为此次日全蚀所带来电力短缺所造成的影响,以及采取事前规划的应变措施,将电力不足的伤害减至最低。


一如事先众人所预期,关心的焦点还是落在加州的电力供应,就如前述,虽然加州并不是被涵盖在「日全蚀带」里,但是在加州北部有76%的区域与南部有58%的区域还是被日偏食所影响。因此,除了电力公司、电网电力配送业者、发电业者等相关人员,不断拟定与预估日蚀当天将损失多少来自於太阳能发电的电力以及应变方案,但是,另一方面,还是利用各种讯息传送媒体,向州民宣导在日蚀发生的时段,尽量减少对电力的依赖与使用,例如电动车的充电,以及包括洗衣机、烘衣机、微波炉等等电力需求大的家电用品。


8月21日当天,加州的北部是多云接近阴天,南部则是相当温暖的晴天,由於阴天的太阳能发电量较低,并且气温也不至於太高,所以CAISO也尽力的劝导大家减少使用冷气。日蚀出现是从上午9点多开始,到太阳完全被月球所遮蔽的10点20分,这一个多小时里,根据统计,加州的太阳能发电电量,从6.4GW急速减少到3GW,减幅达到了3.4GW,这个数字比起先前CAISO所预估的将减少4.6GW,电量减少的数字还在预期之内。在日蚀过的最高峰之後,阳光又逐渐出现,这时加州的太阳能发电厂也开始陆续恢复发电作业,直到下午1点日蚀现象结束後,当时的发电量竟然超过了9.6GW(图六)。



图六 : 黄线是2017年8月21日加州太阳能发电量统计
图六 : 黄线是2017年8月21日加州太阳能发电量统计

图七是CAISO的对加州发生日蚀时,当天对於电力的估算,蓝色折线是加州对於电力的总需求量,绿色是从总需求量对於太阳发电、风力发电等变动性高发电力的供给量差距比,也就表示净电力的需求。



图七 : CAISO的对加州发生日蚀时,对於变动性高发电力的供给量差距统计
图七 : CAISO的对加州发生日蚀时,对於变动性高发电力的供给量差距统计

从图中可以看出来,和太阳能发电电量上升是一样的,净需求从上午7点开始下降,这随後日蚀现象就开始发生了,直到日蚀现象来到极大值。这个差距大约是5GQ,在这短暂时间中,急速缺少来自太阳能发电的电力,CAISO紧急启动与调配加州州内的水力发电、火力发电和天然气发电,来弥补这巨大的电力缺囗,更进一步的,CAISO甚至从邻近的行政州调配电力引入加州(图八)。



图八 : 2017年8月21日时加州供电电源别
图八 : 2017年8月21日时加州供电电源别

这次的因为日全蚀所带来因为太阳能发电量急速下降的影响,由於事先包括CAISO等单位,根据过去的用电发电数据,不断的进行估算与拟订应变方案,因此在这次的日全蚀中,对於电力的配送与调配可以说是完全成功,对用电者达到丝毫没有影响,因此各地的专家均对这次的应变毫无保留的给出完全及格的评价。


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