【筆記|電力】(07)搞定那隻鴨子!

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近年來隨著再生能源風潮興起,太陽能發電業也成為了急速發展的產業之一,各國甚至各地政府紛紛祭出政策鼓勵大眾裝設太陽能面板。原先認為板子裝上去、綠電發出來,台灣就此往2050淨零排碳又邁出了綿延的步伐;但仔細一看,電是發出來了,但好像有哪裡不太對勁?

哪來的鴨子?

由於總用電曲線主要由人類的作息模式決定,大致上可以想像從早上五點到晚間八點這段期間用電量是逐步上升的,八點之後用電量則開始下降直至隔天的清晨五點,大概長這樣:

塗掉太陽能發電曲線和淨負載曲線,只有總負載的圖形

而太陽能發電曲線由日照強度決定,在這邊從早上七點開始上升至下午三點,接著開始下降直至晚間七點,看起來大概像下圖的灰色帽型曲線:

只塗掉淨負載曲線的圖形,由灰線可以看出在7:00-19:00之間才有太陽光電

當這兩條曲線碰在一起,太陽能發出的電就會拉低負載曲線,形成橘色的淨負載曲線:

鴨子曲線原圖,來自加州2016年10月22日的電力負載

由於藍線和橘線之間的區域有點像鴨子的身形,因此這樣的淨負載特性曲線就被稱之為鴨形曲線。

為什麼這樣的特性會被視為一種麻煩呢?主要是因為在下午三點到七點之間,用電量穩定上升,但太陽光電發電量急劇下降,因此淨負載的曲線就會變得更為陡峭,也就代表在這段期間必須趕緊開啟其他發電設備來供應用電需求,過了這段期間又要慢慢關閉一些發電設備,這樣頻繁地開關發電機組對於管理與硬體設備而言都不是一件好事。

如果太陽能發電佔比提升,灰色的帽型曲線就會變得更高,也就意味著這隻鴨子會變得更肥,讓下午三點到七點之間的曲線更為陡峭;另外如果那頂帽子過高、這隻鴨子肥過了一個極限,還會讓發出來的電力過剩,這就會導致電網的電壓和頻率等等與電網穩定度相關的指標因此受到影響。為了不讓電網和機組崩潰,可能需要暫時將某些發電設備從電網中移除,甚至需要花錢請人使用這些剩餘的電力。

該拿鴨子怎麼辦?

針對上段提到「下午三點到七點之間」的「鴨頸」部分,最直覺的方式是設置一些反應快速的發電設施來補足這樣的需求,例如天然氣發電機組等等,但對於發電過剩的問題就幫不上忙了。另一種思路是從明顯的變動幅度切入。如果想要減緩電力曲線的變動,往往會讓人聯想到儲能設備,可能是常見的鋰電池,或是電網儲能常見的釩液流電池;也可以是超級電容、飛輪等等儲能設備。

換句話說,隨著淨零排碳的目標促使再生能源發電業快速發展,其中的太陽光電可能連帶促進儲能產業因此有著顯著成長,也因此儲能設備、變流器(Power Conversion System, PCS)、電池儲能管理系統(Battery Energy Storage System, BESS)甚至負載預測工具很有可能因此成為關鍵的相關產業。

除了反應快速的發電設施、儲能產業輔助之外,另一個思路是加入其他再生能源,例如風力發電、潮汐發電等等。不過這些能源依然存在變動性,例如風力發電曲線取決於季風,因此以年為單位來看,其變動差距依然存在且可觀。將各式能源混在一起很可能不但不會讓系統更穩定,反而因為各變動模式疊加在一起變得更複雜,控制也更不方便。或許到最後還是需要將各種方法搭配使用,彼此截長補短。也許等哪天能力夠了,可以來跟大家分享接觸到的有趣做法。

自己的看法

各國都面臨2050年能源轉型的壓力,台灣也不例外,希望在這之前可以盡快將電網改善得較為強健也更有彈性,能利用更多的措施讓台灣在使用潔淨能源之虞不必犧牲電力的穩定性。

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