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美國日全蝕 考驗太陽能發電應變能力
 

【作者: 盧傑瑞】   2017年09月25日 星期一

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在2017年8月21日美國迎來1979年之後第一次超級日全蝕,涵蓋範圍從美國西北開始,一條寬度約67英哩的「日全蝕帶」,橫跨美國中部12大州一直到美國東南地區,整個過程將持續4小時。包括了俄勒岡、愛達荷、懷俄明、?布拉斯加、堪薩斯、密蘇里、伊利諾伊、肯塔基、田納西、北卡羅來納、喬治亞、南卡羅來納等州。這場跨州天文秀將從美國西北部俄勒岡州延伸至東南部南卡羅來納州,範圍寬113公里、長4800公里。在接近中午時,俄州率先目睹奇觀,約90分鐘後在南卡羅來納州登場(圖一)。



圖一 : 日全蝕帶橫跨美國中部12大州
圖一 : 日全蝕帶橫跨美國中部12大州

消失90分鐘的陽光

這場世紀秀除了吸引天文迷相爭觀察之外,另一個重頭戲就是考驗著太陽能發電機制的應變力,畢竟在這次的日全蝕影響中,將帶來長達90分鐘消失的太陽光,所橫跨的各州,將會出現暫時太陽能發電電力短缺,甚至於完全停止。


美國上一次經歷日全蝕時是1979年,當時的太陽能發電機制尚未普遍被設置與應用,因此並未對美國國內供電造成影響。但因為此後數10年間,美國為了降低排碳量而積極發展再生能源,使得包括太陽能、風力等等綠色能源發電順勢崛起,例如加州政府定下了在2030年將由再生能源供應當地過半的電量。


美國能源部能源情報局在日全蝕前的預估,會有21GW的電力將受到這場天為奇觀秀所影響。其中受影響最為嚴重的將會出現在俄勒岡州,包括有0.07GW的太陽能面板,會因為全蝕完全無法發電,90%日蝕區域約4.01GW、80%日蝕區域約2.2GW、70%日蝕區域約3.94GW、60%日蝕區域約9.79GW、而50%日蝕區域受影響的發電量約為1.65GW(圖二)。



圖二 : 加州日蝕對太陽能發電影響預測
圖二 : 加州日蝕對太陽能發電影響預測

全美最大的美東電廠也在先前預計其系統從下午13點30分至15點40分會損失近 2500 MW的電力,而大多數的電源損失將從屋頂的太陽能源板而來。日蝕的時間為紐約時間 12點05分至16點09分,因期間太短並未對於非再生能源的需求量但來嚴重的影響,但是卻影響了當天的電源批發價。此外,美國電網公司PJM Interconnection經營的配電網從伊利諾州延伸到紐澤西州,而該公司在較早之前預估8月21日時日全蝕期間旗下太陽能發電量將損失2.5GW。


加州電力的因應之道

其實受影響最大的則是美國加州,和其他區域一樣,在1979年時出現日全蝕時,加州的電力網路中尚未有太陽能發電的電力,但是目前正體的電力網路中約有10GW的電力是來自於太陽光所產生的電力,用電尖峰時期,更有30%~40%的電力是來自於太陽能發電,而這些太陽能發電電量約有5.8GW,是經由裝置在建築物屋頂的太陽能發電面板來供應。


雖然加州並未處在日全蝕帶之中,但是加州的北部有76%的區域以及南部58%的區域卻會出現日偏蝕的情況,但因為在某些天數40%供電量全由太陽能供應。日蝕將減少70%的太陽光量,而太陽能發電廠在82分鐘的階段每分鐘可因日蝕減少70MW發電量,市場則需想辦法補足6008 MW的電源。根據美國加州獨立系統營運單位(California Independent System Operator; CAISO)在日全蝕發生前的預測,因為這次的日全蝕,將會有4.194GW的電力減少來自於太陽能發電業者,以及1.365GW的減少來自於一般建築屋頂上的太陽能發電面板。


加州的太陽被月球遮住產生日蝕的時間將會從上午9點02分開始,一直到11點54分左右,日蝕影響最大的時間點是在10點22分。而這段時間就使影響加州太陽能發電最大的時間帶,因此CAISO早在2015年就已經針對這個時間帶,因為日蝕的影響擬定了相對應的計畫。


在2015年時,CAISO就針對市場用電規模與發電預測等相關資料,進行一連串的規劃,包括了對電力公司、電網業者、天然氣業者等等進行調整,並且參考2015年時歐洲因為日全蝕現象的出現時各種因應之道,例如從附近的電力網路業者調撥一部分的電力送往電力短缺的地區,確保電力的輸入、啟動、彈性調整的能力是能夠完美被銜接上。


因此CAISO的構想是,當出現日蝕現象而導致太陽能發電急速短缺時,將會出現6.008GW的電力缺口,這時就必須事先對水力與火力發電廠進行提高電力產出的準備,所幸在今年加州地區的降雨量相當充沛,因此有約6GW的電力可以經由水力發電提供,由於水力發電的啟動和停機相對於火力發電來的容易許多,因此CAISO準備當日蝕現象衝擊到太陽能發電時,優先啟動水力發電機組,來彌補初期不足的電力,而火力以及天然氣發電的部分,由於啟動與停止的程序較為繁複,因此是被放置在預備階段,彌補水力發電不足供應的電力。當日蝕現象到末期,而太陽光又開始恢復帶動太陽能發電電量急劇增加時,就必須迅速立即中止發電,來防止發電過多造成無謂損失與環境的傷害。


對於這次的日全蝕現象來說,全球能源專家的眼光已經幾乎都投注在CAISO如何因應這場天文現象帶來的電力供應影響。


師法歐洲日全蝕策略

回顧在2015年歐洲出現的日全蝕現象,歐洲各國對於太陽能發電所帶來的影響是如何因應與安然度過。


2015年3月20日當天日蝕最先出現在英國,接著是格陵蘭、歐洲大陸及俄國,遮蔽了部分歐洲地區近 90% 的太陽光線,除了歐洲外,北非部分地區的居民也親眼目睹約90分鐘的日蝕(圖三)。



圖三 : 2015年3月20日歐洲出現的日全蝕現象
圖三 : 2015年3月20日歐洲出現的日全蝕現象

上一次發生在歐洲的日蝕現象是在 1999 年,當時太陽能發電並不如現在受重視,日食的發生對電力業者來說,並不是什麼值得擔憂的大事。然而,相較於 16 年前,現在歐洲對再生能源依賴大幅增加了許多。


由於歐洲不斷推廣新興能源,據歐洲統計局(Eurostat)報告,2002年新興能源從12%提升至2012年的20%,較大規模使用太陽能供電的國家如德國佔7%、義大利則有8%,因此電力調度成為本次日蝕的一大考驗(圖四)。



圖四 : 歐洲輸電調度中心協會比較有無日蝕的太陽能發電曲線
圖四 : 歐洲輸電調度中心協會比較有無日蝕的太陽能發電曲線

當初,歐洲曾對此次日蝕發出預警,並且威脅性的發出警告,這是一次巨大的考驗,當時的日蝕項對歐洲多達30個國家造成了程度不一的影響,特別在英格蘭地區可以看到日全蝕。英國時間上午8點41分開始,太陽表面會被月球遮住,並在9點41分月球將完全覆蓋太陽,直到10點41分才會恢復,在這2小時中,英格蘭地區是完全處於黑暗的狀態。


而德國太陽能發電業者的股價,也在出現日蝕的當天因此遭受巨大衝擊,大幅下殺了70%。自2003年上次歐洲日蝕以來,德國太陽能發電已擴大到38.2GW,因此德國必須證明,其電力市場和電力網處理中心能在特殊情況下發揮功能。


德國地區是從2015年3月20日上午9點38分出現日蝕,一直到11點58分才完全結束。當時,德國的電力供應情況,大約在9點30分統就出現電力供給的曲線反轉向下滑落,德國的輸電調度中心依靠全國與區域性水準的備轉容量,將發電量高達39GW的太陽能發電,因為受到日蝕的影響而出現的劇烈變化,處理得非常平穩。這樣的情況一直到日偏蝕結束後供電曲線才開始大幅度的爬升。德國電力業者的因應方法是,加入傳統的火力發電、天然氣發電以及水力發電廠進行電力供給的調整,再加上一部分的儲電電力,使得在這2個多小時的時間裡,德國整體電力供應系統運作相當的穩定平順。


在義大利方面,則是跟各個配電調度中心與發電公司合作,從上午的7點至下午14點之間,會有約5MW的太陽能發電設施無法產生電力,使得在這段時間,義大利整體的太陽能發電量從18MW驟降至13MW,直到下午14點之後,各個太陽能發電廠重新啟動發電,併入供電系統,恢復滿載運轉。


當然,在2015年德國得以安然度過日蝕供電危機,除了德國本身電力調節方案相當謹慎,四大主要電力網路業者為此增加了相關工作人員,在整個日蝕的過程中,不斷的透過電話會議的方式保持多方的聯繫,並且還購買了儲備電力以防萬一,因此在事先有著完善的準備,使得德國電力供應業者可以應付所有發電量與需求量的消長變化。除此之外,同時歐洲輸電調度中心協會(ENTSO-E: European Network for Transmission System Operators)也動員了所有的電力公司的控制室,在日蝕現象的整個過程中彼此之間持續地溝通,必且也準備使用儲備電力來平衡整個電力系統,以及幫助受到日蝕影響的歐洲其它國家。為了做到這樣的機制,歐洲電網公司與慕尼克的TSC、布魯塞爾的Coreso的協調組織密切合作,從這些單位即時取得相關的資料。


美國通過日蝕考試

事實上,出現日全蝕的當天,美國當地媒體以「一生只有一次」來形容這次的天文奇景,已因此聚集了來自世界各地的朝聖者。而包括美國太空總署、電視、網路也都爭先報導或分析這次日全蝕堪稱「完美的遮蔽」(圖五)。



圖五 : 美國當地媒體以「一生只有一次」來形容這次的天文奇景
圖五 : 美國當地媒體以「一生只有一次」來形容這次的天文奇景

但在匯聚大批群眾觀看日全蝕現場的另一個區域,包括電力公司、電網電力配送業者、發電業者等辦公室和控制室,也相同聚集了為數眾多的人員,但所不相同的是,這些人員聚集的目的並不是欣賞天文景觀,而是群策群力的解決因為此次日全蝕所帶來電力短缺所造成的影響,以及採取事前規劃的應變措施,將電力不足的傷害減至最低。


一如事先眾人所預期,關心的焦點還是落在加州的電力供應,就如前述,雖然加州並不是被涵蓋在「日全蝕帶」裡,但是在加州北部有76%的區域與南部有58%的區域還是被日偏食所影響。因此,除了電力公司、電網電力配送業者、發電業者等相關人員,不斷擬定與預估日蝕當天將損失多少來自於太陽能發電的電力以及應變方案,但是,另一方面,還是利用各種訊息傳送媒體,向州民宣導在日蝕發生的時段,盡量減少對電力的依賴與使用,例如電動車的充電,以及包括洗衣機、烘衣機、微波爐等等電力需求大的家電用品。


8月21日當天,加州的北部是多雲接近陰天,南部則是相當溫暖的晴天,由於陰天的太陽能發電量較低,並且氣溫也不至於太高,所以CAISO也盡力的勸導大家減少使用冷氣。日蝕出現是從上午9點多開始,到太陽完全被月球所遮蔽的10點20分,這一個多小時裡,根據統計,加州的太陽能發電電量,從6.4GW急速減少到3GW,減幅達到了3.4GW,這個數字比起先前CAISO所預估的將減少4.6GW,電量減少的數字還在預期之內。在日蝕過的最高峰之後,陽光又逐漸出現,這時加州的太陽能發電廠也開始陸續恢復發電作業,直到下午1點日蝕現象結束後,當時的發電量竟然超過了9.6GW(圖六)。



圖六 : 黃線是2017年8月21日加州太陽能發電量統計
圖六 : 黃線是2017年8月21日加州太陽能發電量統計

圖七是CAISO的對加州發生日蝕時,當天對於電力的估算,藍色折線是加州對於電力的總需求量,綠色是從總需求量對於太陽發電、風力發電等變動性高發電力的供給量差距比,也就表示淨電力的需求。



圖七 : CAISO的對加州發生日蝕時,對於變動性高發電力的供給量差距統計
圖七 : CAISO的對加州發生日蝕時,對於變動性高發電力的供給量差距統計

從圖中可以看出來,和太陽能發電電量上升是一樣的,淨需求從上午7點開始下降,這隨後日蝕現象就開始發生了,直到日蝕現象來到極大值。這個差距大約是5GQ,在這短暫時間中,急速缺少來自太陽能發電的電力,CAISO緊急啟動與調配加州州內的水力發電、火力發電和天然氣發電,來彌補這巨大的電力缺口,更進一步的,CAISO甚至從鄰近的行政州調配電力引入加州(圖八)。



圖八 : 2017年8月21日時加州供電電源別
圖八 : 2017年8月21日時加州供電電源別

這次的因為日全蝕所帶來因為太陽能發電量急速下降的影響,由於事先包括CAISO等單位,根據過去的用電發電數據,不斷的進行估算與擬訂應變方案,因此在這次的日全蝕中,對於電力的配送與調配可以說是完全成功,對用電者達到絲毫沒有影響,因此各地的專家均對這次的應變毫無保留的給出完全及格的評價。


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