如何估計日環食對太陽能發電廠的影響?

日食對太陽日照減量的持續時間

首先是對於日食影響時間的簡略估計。太陽跟月球的視直徑大約都是0.5度,這代表月球自太陽西側遮蔽、自東側離開為止,大約會需要公轉1度;月球公轉週期大約一個月,1度就差不多是兩個小時。如果再考慮地球自轉等因素,日食從開始到結束,太陽日照減量的影響時數大約是兩個半小時左右。

參考NASA的資料,台灣這次日食影響最甚的嘉義一帶,大約下午2點49分開始日偏食、4點13分到14分有日環食(遮蔽率極大值)、整個過程則會在5點25分結束。台灣颱風論壇|天氣特急

日環食對嘉義太陽能電廠發電量影響的推估

從前面的資訊,如果很粗略地假設月球對太陽遮蔽率在日食發生過程為分段線性函數、太陽日照量和發電量成正比、又如果有太陽能發電的單日發電特性曲線的話,理論上就可以知道日食對一地太陽能電廠單日發電量的影響,如下圖。

我們拿陽光伏特家嘉義阿里5號電廠6/15到6/17的發電資訊做平均後,做出這個時節該地區太陽能電廠的發電特性曲線的推估。可以知道的是,該電廠在這個時節,下午兩點到三點的發電量佔全天發電量的10.99%、下午三點到四點則是7.95%、下午四點到五點4.38%、下午五點到六點1.43%。

嘉義阿里5號案場6/17日的逐時發電量。

這麼一來,可以推測這幾個時段因日食造成的發電量減量,佔原來單日發電量的比例:下午兩點到三點為0.69%、下午三點到下午四點為3.74%、下午四點到五點為3.14%、下午五點到六點為0.25%。加總起來,6月21日的日食對於這個電廠的發電量減量,在全日都大晴天的情況下,大約會是7.82%;假設目前該電廠單日最大可發電量為1.7到1.77度,這大概會讓每片太陽能板最多損失0.83到0.86元的收益(如果當天本來就是陰天,或者有其他不可抗力,則因日食的額外損失會減少)。

這樣的粗估夠精確嗎?

對以躉售為主的太陽能電廠持有人來說,發電量是唯一重要的數據,以上的方法學應該就足夠評估日食對其的影響。不過對於輸配電網的調度業者來說,當系統中有大量太陽能時,日食對殘載變動、日間批售電力市場、備轉容量市場等等的影響,可能就會使更高解析度的分析變得必要。這些當天交易的電力和輔助服務以每15分鐘為一單位,有些服務的反應時間更是要求在一分鐘以內,因此預測每分鐘日食對各地區的日照遮蔽率、和該區的太陽能發電量減量狀況,可能就會變成調度業者的重要工作。相關應對措施,則可以參考Agora Energiewende對於2015年日食期間德國電力市場運作狀況的整理

2015年3月的日食,德國太陽能發電量的變化。取自A Word on Flexibility,Agora Energiewende,2018年。
2015年3月的日食,德國太陽能發電量的變化。取自A Word on Flexibility,Agora Energiewende,2018年。
2015年3月20日日食事件中,備轉容量市場和日間批售電力市場都運作良好,滿足了日食對殘載變動所造成的額外彈性需求。值得留意的是,日食當天的負備轉容量需求,相較前一天較高;Agora Energiewende的報告指出,電網負載不確定性的擾動對備轉容量造成的影響,似乎大於日食事件的影響。取自A Word on Flexibility,Agora Energiewende,2018年。

在未來,當太陽能電廠也能參與備轉容量市場等輔助服務時,對電廠持有者來說,日食對電廠發電潛力的每分鐘推估,也會成為必要吧。但在對烏雲遮蔽率的預測技術已經日益精確的當前,這種馬雅人早就做得出來的天文預測,對電力系統的參與者應該不會是甚麼難事。

本文章感謝Tony Yen協助!

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