在2017年8月21日美國迎來1979年之後第一次超級(jí)日全蝕，涵蓋範(fàn)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(gè)過程將持續(xù)4小時(shí)。包括了俄勒岡、愛達(dá)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(chǎng)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(fàn)圍寬113公里、長4800公里。在接近中午時(shí)，俄州率先目睹奇觀，約90分鐘後在南卡羅來納州登場(chǎng)(圖一)。

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(chǎng)世紀(jì)秀除了吸引天文迷相爭觀察之外，另一個(gè)重頭戲就是考驗(yàn)著太陽能發(fā)電機(jī)制的應(yīng)變力，畢竟在這次的日全蝕影響中，將帶來長達(dá)90分鐘消失的太陽光，所橫跨的各州，將會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)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(shí)是1979年，當(dāng)時(shí)的太陽能發(fā)電機(jī)制尚未普遍被設(shè)置與應(yīng)用，因此並未對(duì)美國國內(nèi)供電造成影響。但因?yàn)榇酸釘?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(fēng)力等等綠色能源發(fā)電順勢(shì)崛起，例如加州政府定下了在2030年將由再生能源供應(yīng)當(dāng)?shù)剡^半的電量。

美國能源部能源情報(bào)局在日全蝕前的預(yù)估，會(huì)有21GW的電力將受到這場(chǎng)天為奇觀秀所影響。其中受影響最為嚴(yán)重的將會(huì)出現(xiàn)在俄勒岡州，包括有0.07GW的太陽能面板，會(huì)因?yàn)槿g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)。

圖二 : 加州日蝕對(duì)太陽能發(fā)電影響預(yù)測(cè)

全美最大的美東電廠也在先前預(yù)計(jì)其系統(tǒng)從下午13點(diǎn)30分至15點(diǎn)40分會(huì)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(shí)間為紐約時(shí)間 12點(diǎn)05分至16點(diǎn)09分，因期間太短並未對(duì)於非再生能源的需求量但來嚴(yán)重的影響，但是卻影響了當(dāng)天的電源批發(fā)價(jià)。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(yù)估8月21日時(shí)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(yīng)之道

其實(shí)受影響最大的則是美國加州，和其他區(qū)域一樣，在1979年時(shí)出現(xiàn)日全蝕時(shí)，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(shí)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)由裝置在建築物屋頂?shù)奶柲馨l(fā)電面板來供應(yīng)。

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(qū)域以及南部58%的區(qū)域卻會(huì)出現(xiàn)日偏蝕的情況，但因?yàn)樵谀承┨鞌?shù)40%供電量全由太陽能供應(yīng)。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(chǎng)則需想辦法補(bǔ)足6008 MW的電源。根據(jù)美國加州獨(dú)立系統(tǒng)營運(yùn)單位（California Independent System Operator; CAISO）在日全蝕發(fā)生前的預(yù)測(cè)，因?yàn)檫@次的日全蝕，將會(huì)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築屋頂上的太陽能發(fā)電面板。

加州的太陽被月球遮住產(chǎn)生日蝕的時(shí)間將會(huì)從上午9點(diǎn)02分開始，一直到11點(diǎn)54分左右，日蝕影響最大的時(shí)間點(diǎn)是在10點(diǎn)22分。而這段時(shí)間就使影響加州太陽能發(fā)電最大的時(shí)間帶，因此CAISO早在2015年就已經(jīng)針對(duì)這個(gè)時(shí)間帶，因?yàn)槿瘴g的影響擬定了相對(duì)應(yīng)的計(jì)畫。

在2015年時(shí)，CAISO就針對(duì)市場(chǎng)用電規(guī)模與發(fā)電預(yù)測(cè)等相關(guān)資料，進(jìn)行一連串的規(guī)劃，包括了對(duì)電力公司、電網(wǎng)業(yè)者、天然氣業(yè)者等等進(jìn)行調(diào)整，並且參考2015年時(shí)歐洲因?yàn)槿杖g現(xiàn)象的出現(xiàn)時(shí)各種因應(yīng)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(dòng)、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(dāng)出現(xiàn)日蝕現(xiàn)象而導(dǎo)致太陽能發(fā)電急速短缺時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)6.008GW的電力缺口，這時(shí)就必須事先對(duì)水力與火力發(fā)電廠進(jìn)行提高電力產(chǎn)出的準(zhǔn)備，所幸在今年加州地區(qū)的降雨量相當(dāng)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(dòng)和停機(jī)相對(duì)於火力發(fā)電來的容易許多，因此CAISO準(zhǔn)備當(dāng)日蝕現(xiàn)象衝擊到太陽能發(fā)電時(shí)，優(yōu)先啟動(dòng)水力發(fā)電機(jī)組，來彌補(bǔ)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(dòng)與停止的程序較為繁複，因此是被放置在預(yù)備階段，彌補(bǔ)水力發(fā)電不足供應(yīng)的電力。當(dāng)日蝕現(xiàn)象到末期，而太陽光又開始恢復(fù)帶動(dòng)太陽能發(fā)電電量急劇增加時(shí)，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(duì)於這次的日全蝕現(xiàn)象來說，全球能源專家的眼光已經(jīng)幾乎都投注在CAISO如何因應(yīng)這場(chǎng)天文現(xiàn)象帶來的電力供應(yīng)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(duì)於太陽能發(fā)電所帶來的影響是如何因應(yīng)與安然度過。

2015年3月20日當(dāng)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

上一次發(fā)生在歐洲的日蝕現(xiàn)象是在 1999 年，當(dāng)時(shí)太陽能發(fā)電並不如現(xiàn)在受重視，日食的發(fā)生對(duì)電力業(yè)者來說，並不是什麼值得擔(dān)憂的大事。然而，相較於 16 年前，現(xiàn)在歐洲對(duì)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(jì)局（Eurostat）報(bào)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佔(zhàn)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(yàn)(圖四)。

圖四 : 歐洲輸電調(diào)度中心協(xié)會(huì)比較有無日蝕的太陽能發(fā)電曲線

當(dāng)初，歐洲曾對(duì)此次日蝕發(fā)出預(yù)警，並且威脅性的發(fā)出警告，這是一次巨大的考驗(yàn)，當(dāng)時(shí)的日蝕項(xiàng)對(duì)歐洲多達(dá)30個(gè)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(shí)間上午8點(diǎn)41分開始，太陽表面會(huì)被月球遮住，並在9點(diǎn)41分月球?qū)⑼耆采w太陽，直到10點(diǎn)41分才會(huì)恢復(fù)，在這2小時(shí)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(jià)，也在出現(xiàn)日蝕的當(dāng)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(fā)電已擴(kuò)大到38.2GW，因此德國必須證明，其電力市場(chǎng)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(diǎn)38分出現(xiàn)日蝕，一直到11點(diǎn)58分才完全結(jié)束。當(dāng)時(shí)，德國的電力供應(yīng)情況，大約在9點(diǎn)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(zhǔn)的備轉(zhuǎn)容量，將發(fā)電量高達(dá)39GW的太陽能發(fā)電，因?yàn)槭艿饺瘴g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(yīng)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(jìn)行電力供給的調(diào)整，再加上一部分的儲(chǔ)電電力，使得在這2個(gè)多小時(shí)的時(shí)間裡，德國整體電力供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)作相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定平順。

在義大利方面，則是跟各個(gè)配電調(diào)度中心與發(fā)電公司合作，從上午的7點(diǎn)至下午14點(diǎn)之間，會(huì)有約5MW的太陽能發(fā)電設(shè)施無法產(chǎn)生電力，使得在這段時(shí)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(diǎn)之後，各個(gè)太陽能發(fā)電廠重新啟動(dòng)發(fā)電，併入供電系統(tǒng)，恢復(fù)滿載運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)然，在2015年德國得以安然度過日蝕供電危機(jī)，除了德國本身電力調(diào)節(jié)方案相當(dāng)謹(jǐn)慎，四大主要電力網(wǎng)路業(yè)者為此增加了相關(guān)工作人員，在整個(gè)日蝕的過程中，不斷的透過電話會(huì)議的方式保持多方的聯(lián)繫，並且還購買了儲(chǔ)備電力以防萬一，因此在事先有著完善的準(zhǔn)備，使得德國電力供應(yīng)業(yè)者可以應(yīng)付所有發(fā)電量與需求量的消長變化。除此之外，同時(shí)歐洲輸電調(diào)度中心協(xié)會(huì)(ENTSO-E: European Network for Transmission System Operators)也動(dòng)員了所有的電力公司的控制室，在日蝕現(xiàn)象的整個(gè)過程中彼此之間持續(xù)地溝通，必且也準(zhǔn)備使用儲(chǔ)備電力來平衡整個(gè)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(jī)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(shí)取得相關(guān)的資料。

美國通過日蝕考試

事實(shí)上，出現(xiàn)日全蝕的當(dāng)天，美國當(dāng)?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聖者。而包括美國太空總署、電視、網(wǎng)路也都爭先報(bào)導(dǎo)或分析這次日全蝕堪稱「完美的遮蔽」(圖五)。

圖五 : 美國當(dāng)?shù)孛襟w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(xiàn)場(chǎng)的另一個(gè)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並不是欣賞天文景觀，而是群策群力的解決因?yàn)榇舜稳杖g所帶來電力短缺所造成的影響，以及採取事前規(guī)劃的應(yīng)變措施，將電力不足的傷害減至最低。

一如事先眾人所預(yù)期，關(guān)心的焦點(diǎn)還是落在加州的電力供應(yīng)，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(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(guān)人員，不斷擬定與預(yù)估日蝕當(dāng)天將損失多少來自於太陽能發(fā)電的電力以及應(yīng)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(dǎo)在日蝕發(fā)生的時(shí)段，盡量減少對(duì)電力的依賴與使用，例如電動(dòng)車的充電，以及包括洗衣機(jī)、烘衣機(jī)、微波爐等等電力需求大的家電用品。

8月21日當(dāng)天，加州的北部是多雲(yún)接近陰天，南部則是相當(dāng)溫暖的晴天，由於陰天的太陽能發(fā)電量較低，並且氣溫也不至於太高，所以CAISO也盡力的勸導(dǎo)大家減少使用冷氣。日蝕出現(xiàn)是從上午9點(diǎn)多開始，到太陽完全被月球所遮蔽的10點(diǎn)20分，這一個(gè)多小時(shí)裡，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，加州的太陽能發(fā)電電量，從6.4GW急速減少到3GW，減幅達(dá)到了3.4GW，這個(gè)數(shù)字比起先前CAISO所預(yù)估的將減少4.6GW，電量減少的數(shù)字還在預(yù)期之內(nèi)。在日蝕過的最高峰之後，陽光又逐漸出現(xiàn)，這時(shí)加州的太陽能發(fā)電廠也開始陸續(xù)恢復(fù)發(fā)電作業(yè)，直到下午1點(diǎn)日蝕現(xiàn)象結(jié)束後，當(dāng)時(shí)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(jì)

圖七是CAISO的對(duì)加州發(fā)生日蝕時(shí)，當(dāng)天對(duì)於電力的估算，藍(lán)色折線是加州對(duì)於電力的總需求量，綠色是從總需求量對(duì)於太陽發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等變動(dòng)性高發(fā)電力的供給量差距比，也就表示淨(jìng)電力的需求。

圖七 : CAISO的對(duì)加州發(fā)生日蝕時(shí)，對(duì)於變動(dòng)性高發(fā)電力的供給量差距統(tǒng)計(jì)

從圖中可以看出來，和太陽能發(fā)電電量上升是一樣的，淨(jìng)需求從上午7點(diǎn)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(gè)差距大約是5GQ，在這短暫時(shí)間中，急速缺少來自太陽能發(fā)電的電力，CAISO緊急啟動(dòng)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(bǔ)這巨大的電力缺口，更進(jìn)一步的，CAISO甚至從鄰近的行政州調(diào)配電力引入加州(圖八)。

圖八 : 2017年8月21日時(shí)加州供電電源別

這次的因?yàn)槿杖g所帶來因?yàn)樘柲馨l(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(jìn)行估算與擬訂應(yīng)變方案，因此在這次的日全蝕中，對(duì)於電力的配送與調(diào)配可以說是完全成功，對(duì)用電者達(dá)到絲毫沒有影響，因此各地的專家均對(duì)這次的應(yīng)變毫無保留的給出完全及格的評(píng)價(jià)。