在2017年8月21日美國迎來1979年之後第一次超級日全蝕，涵蓋范圍從美國西北開始，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(qū)，整個過程將持續(xù)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，范圍寬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)。
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(fā)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(xiàn)暫時太陽能發(fā)電電力短缺，甚至於完全停止。
美國上一次經(jīng)歷日全蝕時是1979年，當時的太陽能發(fā)電機制尚未普遍被設置與應用，因此并未對美國國內(nèi)供電造成影響。但因為此後數(shù)10年間，美國為了降低排碳量而積極發(fā)展再生能源，使得包括太陽能、風力等等綠色能源發(fā)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?shù)剡^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(xiàn)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(fā)電，90%日蝕區(qū)域約4.01GW、80%日蝕區(qū)域約2.2GW、70%日蝕區(qū)域約3.94GW、60%日蝕區(qū)域約9.79GW、而50%日蝕區(qū)域受影響的發(fā)電量約為1.65GW(圖二)。
全美最大的美東電廠也在先前預計其系統(tǒng)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(shù)的電源損失將從屋頂?shù)奶柲茉窗宥鴣怼Ｈ瘴g的時間為紐約時間 12點05分至16點09分，因期間太短并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(fā)價。此外，美國電網(wǎng)公司PJM Interconnection經(jīng)營的配電網(wǎng)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(fā)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(qū)域一樣，在1979年時出現(xiàn)日全蝕時，加州的電力網(wǎng)路中尚未有太陽能發(fā)電的電力，但是目前正體的電力網(wǎng)路中約有10GW的電力是來自於太陽光所產(chǎn)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(fā)電，而這些太陽能發(fā)電電量約有5.8GW，是經(jīng)由裝置在建筑物屋頂?shù)奶柲馨l(fā)電面板來供應。
雖然加州并未處在日全蝕帶之中，但是加州的北部有76%的區(qū)域以及南部58%的區(qū)域卻會出現(xiàn)日偏蝕的情況，但因為在某些天數(shù)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(fā)電廠在82分鐘的階段每分鐘可因日蝕減少70MW發(fā)電量，市場則需想辦法補足6008 MW的電源。根據(jù)美國加州獨立系統(tǒng)營運單位（California Independent System Operator; CAISO）在日全蝕發(fā)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(fā)電業(yè)者，以及1.365GW的減少來自於一般建筑屋頂上的太陽能發(fā)電面板。
加州的太陽被月球遮住產(chǎn)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(fā)電最大的時間帶，因此CAISO早在2015年就已經(jīng)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(guī)模與發(fā)電預測等相關資料，進行一連串的規(guī)劃，包括了對電力公司、電網(wǎng)業(yè)者、天然氣業(yè)者等等進行調(diào)整，并且叁考2015年時歐洲因為日全蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)時各種因應之道，例如從附近的電力網(wǎng)路業(yè)者調(diào)撥一部分的電力送往電力短缺的地區(qū)，確保電力的輸入、啟動、彈性調(diào)整的能力是能夠完美被銜接上。
因此CAISO的構(gòu)想是，當出現(xiàn)日蝕現(xiàn)象而導致太陽能發(fā)電急速短缺時，將會出現(xiàn)6.008GW的電力缺囗，這時就必須事先對水力與火力發(fā)電廠進行提高電力產(chǎn)出的準備，所幸在今年加州地區(qū)的降雨量相當充沛，因此有約6GW的電力可以經(jīng)由水力發(fā)電提供，由於水力發(fā)電的啟動和停機相對於火力發(fā)電來的容易許多，因此CAISO準備當日蝕現(xiàn)象沖擊到太陽能發(fā)電時，優(yōu)先啟動水力發(fā)電機組，來彌補初期不足的電力，而火力以及天然氣發(fā)電的部分，由於啟動與停止的程序較為繁復，因此是被放置在預備階段，彌補水力發(fā)電不足供應的電力。當日蝕現(xiàn)象到末期，而太陽光又開始恢復帶動太陽能發(fā)電電量急劇增加時，就必須迅速立即中止發(fā)電，來防止發(fā)電過多造成無謂損失與環(huán)境的傷害。
對於這次的日全蝕現(xiàn)象來說，全球能源專家的眼光已經(jīng)幾??都投注在CAISO如何因應這場天文現(xiàn)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(xiàn)的日全蝕現(xiàn)象，歐洲各國對於太陽能發(fā)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(xiàn)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(qū)近 90% 的太陽光線，除了歐洲外，北非部分地區(qū)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(xiàn)的日全蝕現(xiàn)象 |
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上一次發(fā)生在歐洲的日蝕現(xiàn)象是在 1999 年，當時太陽能發(fā)電并不如現(xiàn)在受重視，日食的發(fā)生對電力業(yè)者來說，并不是什麼值得擔??的大事。然而，相較於 16 年前，現(xiàn)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(jù)歐洲統(tǒng)計局（Eurostat）報告，2002年新興能源從12%提升至2012年的20%，較大規(guī)模使用太陽能供電的國家如德國占7%、義大利則有8%，因此電力調(diào)度成為本次日蝕的一大考驗(圖四)。
| 圖四 : 歐洲輸電調(diào)度中心協(xié)會比較有無日蝕的太陽能發(fā)電曲線 |
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當初，歐洲曾對此次日蝕發(fā)出預警，并且威脅性的發(fā)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(qū)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，并在9點41分月球?qū)⑼耆采w太陽，直到10點41分才會恢復，在這2小時中，英格蘭地區(qū)是完全處於黑暗的狀態(tài)。
而德國太陽能發(fā)電業(yè)者的股價，也在出現(xiàn)日蝕的當天因此遭受巨大沖擊，大幅下殺了70%。自2003年上次歐洲日蝕以來，德國太陽能發(fā)電已擴大到38.2GW，因此德國必須證明，其電力市場和電力網(wǎng)處理中心能在特殊情況下發(fā)揮功能。
德國地區(qū)是從2015年3月20日上午9點38分出現(xiàn)日蝕，一直到11點58分才完全結(jié)束。當時，德國的電力供應情況，大約在9點30分統(tǒng)就出現(xiàn)電力供給的曲線反轉(zhuǎn)向下滑落，德國的輸電調(diào)度中心依靠全國與區(qū)域性水準的備轉(zhuǎn)容量，將發(fā)電量高達39GW的太陽能發(fā)電，因為受到日蝕的影響而出現(xiàn)的劇烈變化，處理得非常平穩(wěn)。這樣的情況一直到日偏蝕結(jié)束後供電曲線才開始大幅度的爬升。德國電力業(yè)者的因應方法是，加入傳統(tǒng)的火力發(fā)電、天然氣發(fā)電以及水力發(fā)電廠進行電力供給的調(diào)整，再加上一部分的儲電電力，使得在這2個多小時的時間里，德國整體電力供應系統(tǒng)運作相當?shù)姆€(wěn)定平順。
在義大利方面，則是跟各個配電調(diào)度中心與發(fā)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(fā)電設施無法產(chǎn)生電力，使得在這段時間，義大利整體的太陽能發(fā)電量從18MW驟降至13MW，直到下午14點之後，各個太陽能發(fā)電廠重新啟動發(fā)電，并入供電系統(tǒng)，恢復滿載運轉(zhuǎn)。
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(diào)節(jié)方案相當謹慎，四大主要電力網(wǎng)路業(yè)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(lián)系，并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(yè)者可以應付所有發(fā)電量與需求量的消長變化。除此之外，同時歐洲輸電調(diào)度中心協(xié)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(xiàn)象的整個過程中彼此之間持續(xù)地溝通，必且也準備使用儲備電力來平衡整個電力系統(tǒng)，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(wǎng)公司與慕尼克的TSC、布魯塞爾的Coreso的協(xié)調(diào)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(xiàn)日全蝕的當天，美國當?shù)孛襟w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圣者。而包括美國太空總署、電視、網(wǎng)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?shù)孛襟w以「一生只有一次」來形容這次的天文奇景 |
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但在匯聚大批群眾觀看日全蝕現(xiàn)場的另一個區(qū)域，包括電力公司、電網(wǎng)電力配送業(yè)者、發(fā)電業(yè)者等辦公室和控制室，也相同聚集了為數(shù)眾多的人員，但所不相同的是，這些人員聚集的目的并不是欣賞天文景觀，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，以及采取事前規(guī)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，雖然加州并不是被涵蓋在「日全蝕帶」里，但是在加州北部有76%的區(qū)域與南部有58%的區(qū)域還是被日偏食所影響。因此，除了電力公司、電網(wǎng)電力配送業(yè)者、發(fā)電業(yè)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(fā)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(fā)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，加州的北部是多云接近陰天，南部則是相當溫暖的晴天，由於陰天的太陽能發(fā)電量較低，并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(xiàn)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，這一個多小時里，根據(jù)統(tǒng)計，加州的太陽能發(fā)電電量，從6.4GW急速減少到3GW，減幅達到了3.4GW，這個數(shù)字比起先前CAISO所預估的將減少4.6GW，電量減少的數(shù)字還在預期之內(nèi)。在日蝕過的最高峰之後，陽光又逐漸出現(xiàn)，這時加州的太陽能發(fā)電廠也開始陸續(xù)恢復發(fā)電作業(yè)，直到下午1點日蝕現(xiàn)象結(jié)束後，當時的發(fā)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(fā)電量統(tǒng)計 |
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圖七是CAISO的對加州發(fā)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(fā)電、風力發(fā)電等變動性高發(fā)電力的供給量差距比，也就表示凈電力的需求。
| 圖七 : CAISO的對加州發(fā)生日蝕時，對於變動性高發(fā)電力的供給量差距統(tǒng)計 |
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從圖中可以看出來，和太陽能發(fā)電電量上升是一樣的，凈需求從上午7點開始下降，這隨後日蝕現(xiàn)象就開始發(fā)生了，直到日蝕現(xiàn)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(fā)電的電力，CAISO緊急啟動與調(diào)配加州州內(nèi)的水力發(fā)電、火力發(fā)電和天然氣發(fā)電，來彌補這巨大的電力缺囗，更進一步的，CAISO甚至從鄰近的行政州調(diào)配電力引入加州(圖八)。
這次的因為日全蝕所帶來因為太陽能發(fā)電量急速下降的影響，由於事先包括CAISO等單位，根據(jù)過去的用電發(fā)電數(shù)據(jù)，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(diào)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。
