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风电制氢三：风电制氢与风电上网的风能利用效率比较

2019/10/16 13:55:452264

这里说的“效率”是指风力发电机从可利用风能范围（风速范围3-20米/秒）内获得实际能量的效率，仅从技术层面进行粗浅的的分析、比较。这是本人的一孔之见、挂一漏万，仅代表个人的观点，希望能够在“风能利用”这个大题目中，提供一种新思路或者说“别的方法”，供有关方面做一个无足轻重的参考，仅此而已。近期看到很多已经建成的风电场，因为“上网难”的问题，引起了广泛的关注（中国风电网﹡风电论坛﹡风电大家谈栏目从今年2月起直到现在，在论坛中可以看到很多“关于风电场的“上网难”的议论，褒贬不一的意见、内容多多，不妨一看，就能够有个大致的了解了）根据上述的情况，今年3月1日本人写了《风电制氢----率先创新氢能源时代》发表在《中国氢能源网》的“新能源视角”栏目；6月9日又写出《关于酒泉风电场电力制氢可行性的探讨》还是发表在上述网站，希望为解决“上网难”的问题“建言献策、另辟蹊径”有兴趣者不妨看看，不足之处欢迎斧正。 1、风电上网方式在风能利用方面的效率分析： 首先我们知道，一般的可以被安全、正常利用的风能，其风速范围是3－20m/s(单位为米/秒，下同)，这个范围的风速我们称呼为“有效风速或者叫可利用风速”，小于或者大于这个风速范围都是不可以利用的（详细的介绍请看附后的小资料）。根据中国船级社于2008年6月1日颁布生效的《风力发电机组规范》中的并网要求和装置有以下的规定，最关键的部分摘录如下： 2.2.5 电网条件 2.2.5.1 以下列出设计中要考虑的风力发电机组输出端正常条件。当相关参数在下述范围内时，应采用正常电网条件： ——电压：额定值±10％； ——频率：额定值±2％； ——三相电压不稳定度：电压的负序分量与正序分量的比值不超过2％； ——自动并网的时间间隔：应考虑第一次合闸后的重合时间间隔为0.1s～5s 和第二次合闸后的重合时间间隔为10s～90s。 ——断电：假定一年内电网断电20 次，断电持续时间不超过6h①可认为是正常工况。风力发电机组设计的最长断电持续时间为1 周。 8.9.1.1 风力发电机并网时应满足以下两个基本要求：（1）投入瞬间发电机的冲击电流和冲击力矩不超过允许值；（2）被投入的风力发电机能够安全可靠地并入电网。 8.9.1.2 风力发电机的并网操作可以是手动的，也可以是自动的。有时也可采用介乎上述两者之间的半自动并网操作，即一部分操作由运行人员手动完成，另一部分操作由装置自动完成。谢天谢地，还好没有明确规定要求上网电能的频率（每秒50周波）和波形（标准正弦波）以及有功功率和无功功率的比例要求，总算给风电上网留了一条“相当狭窄的并网之路”。为什么说是“相当狭窄的”呢？这是因为这类大型风力发电机的额定功率的设计风速都在12m/s左右，低于这个风速就达不到《规范》所要求的规定，并网时就会产生超过规定的冲击电流，这是电网不能够承受的，也是不符合《规范》的。 1.1：拿1000千瓦的风力发电机来说，额定电流是2000安培左右（指380伏特电压的发电机，如果是760伏特电压的机组电流就小一倍也将是1000安培），如果在额定风速并网时只要将发电机电压调整到与电网一致（误差不超过10%），频率误差不小于2%，这时冲击电流很小（大概在几十到几百安培（采用“自同期”并网方式）。如果风速偏小，达不到12m/s时，发电机与电网的电压差大时，比如只有电网额定电压的70%时，将产生几千安培的冲击电流，实际风速离额定风速（并网风速）差别越大，则冲击电流越大，有时达到上万安培的巨大电流冲击也是有的，所以要求风速最低也不能低于10m/s，也就是说在这个风速以下的风能是没有办法利用的。有人说现在有性能很好的“专用风电并网变流器”，可以减少巨大的冲击电流，确实不错，可以实现“柔性并网、冲击电流很小”，但是因为在低于10m/s风速时，发电机达不到额定的转速（转速是决定有功功率和电能频率的最重要条件），这时风力发电机就会从电网中吸收大量的无功功率，这时不但不产生输入电网的电能，相反还要从电网吸收大量的电流以补偿风力发电机的建立磁场的需要，虽然看起来是并入电网了，但是没有有效的有功功率输入电网，仅仅是提供了一些无功功率，相当于在电网中并联了一个特大号的“电容器”，这是交流电发电机直接并网时因为转速不够仅提供无功功率的情况，当然电网也是允许，但是仅提供无功功率时，收入要打折扣的，因为电网是按无功功率付费的，当然是很少了。如果通过“变流器”的强制调整，将电压调整到与电网一致，这时就会进一步的降低发电机的转速，发电机处在“电压高而转速低的状态”，输入到电网的有功功率功率会很小很小甚至是零或者是负值，仅仅是向电网输入无功功率，这当然是必要的，但是电网最终付费将很少，因为无功功率只是建立了规定的电压，而电网的实际收益是从用户那里收入有功功率电费（用户的电度表是有功电度表，只为有功功率电能买单）。还有一种方式是利用“整流-逆变”方式，通过将风力发电机产生的交流电整流为直流电，然后利用大功率、高电压的电子元件将直流电处理为“正弦波交流电”再与电网并网。电子方式处理的电能波形是一种“模拟正弦波”究竟不是“标准”的正弦波，含有多次谐波，在波形的边缘有尖刺，对电网是有影响的，尤其对高精密的高要求电源的用户影响更大，电网的谐波污染就是指这种情况）。这种方式虽然可以展宽有效风速的利用范围，但是这样一来，在每个环节（整流、逆变环节）都要产生不小的电能损耗（主要是元件的发热损耗），整流器不能够100%的将交流电转变为直流电，有10-15%的损耗，直流电通过大功率电子逆变器变成“正弦波交流电”损耗更大，一般超过20%，再加上线路中的电损（电阻、电容、电感损耗称为电损），最后最终能够真正的进入电网的有效电能，是发电机初始发出电能的基础上大打折扣的实际电量（发电机发出100千瓦电能，最终输入的电网时有效电能不足一半）能够达到50%利用率就是很好的情况了。更何况在整个风力发电机组中增加的这个大功率、高电压的电子调节系统（需要处理大于1000千瓦电功率的电子器件），将使机组的造价大幅度上升，故障点增多几十倍，这些大功率电子器件又特别“娇气”，特别容易损坏，损坏后的维修、更换成本更是大的惊人，也许风力发电机并网后获得的那些收入，在支付了这些昂贵的设备维修费后将会所剩无几。 1.2：再来说说超过20m/s风速时风力发电机的情况，我们知道“风能中所含的能量是与风速的3次方成正比的关系”，通俗是讲就是“风速增大一倍，风力增大八倍”，在额定风速，比如是12m/s时这台风力发电机可以发电1000千瓦（1兆瓦），那么在24m/s时（假设风速增大一倍）就会达到8兆瓦（8000千瓦），这绝对的超过了这台风力发电机的承载能力，所以在超过20m/s（甚至在低于20m/s时）就必须进行多种方式的“功率减载或者卸载”，以保护风力发电机不致损坏，正因为“风速与风能是3次方的关系”所以“减载或者卸载”必须在极短的时间内完成（理想保护速度应该在3-5秒钟内）。纵观现在的大型并网风力发电机组桨叶结构形式，无非是两种即“定桨距”和“变桨距”结构。定桨距结构其叶片是固定安装在风轮毂上的，叶片不能按叶片在中轴线转动（叶片尖端到叶片根部的中轴线）一般采用偏头（又叫偏航）卸载失速卸载并配合刹车装置、叶片端部减速伞装置进行快速减载或者卸载。比如依靠叶片尖端的减速伞刹车卸载时，该减速伞不会自动复位，必须停机进行人工装填复位，那么在正常发电时突然有一股超速的涡流出现（风的涡流、切变、漩涡是经常随机发生的），致使减速伞打开了，但当这股超速涡流很快过去后，这时这台风力发电机因为减速伞甩出，就处在停机状态，不再发电了，而在12m/s的额定风速时管理维修人员又不能上去进行减速伞的复位，只有等待风速减小或者是停风后再去复位，当然了这段时间只能眼看着这么好的风速不能够利用而白白流失，结果是风能利用效率大减。但是定桨距的形式有结构简单，尤其是有风轮毂部分强度大的优点，同时成本相对较低，制造也相对容易，有优点也有缺点。 1.3：动桨距结构有大幅度提高风能利用效率的特点，因为叶片可以沿中轴线转动，可以根据不同的风况风速使叶片的“攻角”调整到最佳的角度，所以比定桨距结构提高了效率，除有刹车装置和偏头装置外主要是采用“及时调整转动叶片的攻角”（又叫“反桨”）进行卸载，所以叫“动桨距”，但是这样就使风轮毂部分结构特别复杂，因为叶片转动时需要做到3个叶片同步转动，不能有误差，如果误差大会使风力发电机产生剧烈的震动，会在短时间内损坏，同时结构复杂、风轮毂部件处的结构载荷极大容易坏、寿命短，制造困难，成本不低。所以动桨距风力发电机，除叶片反桨卸载方式外还有偏头卸载和刹车装置，并且在超过额定风速的短时间内就要快速卸载，不敢超过额定风速太远，额定风速为13-14m/s时就要快速卸载了，效率随之降低。综上所述，在3-20m/s的有效风速范围内，“上网风电”不可能将这个范围有效风速全部利用，只能够利用这个范围的一小部分，一般是在8-14m/s风速范围之间，大概占3-20m/s有效风速总量的40%左右所以通过上述的分析，“上网的风电”在整个3-20m/s的有效风速范围里面只能够利用其中的40%左右甚至更低。这也是为什么大型风力发电机组成本如此的巨大，结构是如此的复杂，工作方式是如此的“娇气”，再加上对有效风速的利用率低，所以造成每度电的成本很高（实际达0.8-1.5元人民币）很缺乏竞争力。也许有人认为我是“信口雌黄、胡说八道”那么请查一查风能利用方面的资料，如风速表和风能利用公式，更可以实际的了解一下现在已经“并上网的风力发电机”实际上究竟获得了多少利润？（应该是除去维修费后的纯利润）就知道“此言不虚”。 2、风电制氢的特点和风能利用效率分析 再让我们来看看“风电制氢”的风力发电机在工作时的状态，在风力发电机的输出端，通过整流器将风力发电机发出的交流电整流成直流电，然后与电解制氢装置连接。当风车转动后发电机就会产生电能，当然在3m/s时产生的电能量很小，但是电解制氢装置已经可以利用这样少量的电能进行工作了，表现为产生的氢气（含氧气）数量很小，但是，还是在连续不断的产生，无论多小都是有产出的，只要风车转动就行，所以还可以利用一部分小于3m/s的风速。随着风速的增大，产生的制氢数量跟着增大（是按3次方的速度增加的，达到额定风速时就产生出额定产量的氢气、氧气数量，大于额定风速时可以继续工作一段比如：风速达到了21m/s时功率会达到1300-1500千瓦，我们只要预先多加上几组制氢装置就可以充分的利用这部分风能，当然要根据风力发电机的叶片、主轴承、发电机等部位的最大承载情况决定，加上多少组，这也就是扩展了有效风能风速利用范围，在超过机组的“极限载荷”前利用偏头方式配合刹车方式进行卸载。正是因为制氢装置永远与风力发电机连接在一起，这个“耗能特大的柔性刹车系统”会给超过20m/s风速时产生的巨大力量提供一个“能量宣泄”地方，保证制氢的风力发电机绝对不会“飞车”，而“飞车情况的发生”是上网风力发电机最为恐怖的情况，因为巨大的力量无法“及时”消耗掉，只能推动风车（叶片、发电机、变速器）超速无控制的转动，几秒钟内会造成机组严重损坏。实际上，这时的电解制氢装置也可以理解为这台风力发电机组的一个“大型的、可随时能够调整的耗电制动器”（以消耗电能产生电磁反向力矩的方式一般称为“耗能制动”）。耗能制动方式最大的特点是，与需要制动的装置没有直接的机械连接（又叫刚性连接），是通过“电磁力”进行制动的，也就是利用风力发电机中的发电机的反向磁场进行制动的，也是一种特别理想的“柔性”制动方式，不会对动力机械产生破坏性的后果，还可以“自动”的根据风速的大小进行自动的随机调整。所以利用这种风电与制氢装置连接成一体化的机构，不妨叫做“风力制氢机”，更可以将制氢装置安排成多个单元组，有正常工作的、有维修的、有在大风或者强风时并联工作的，根据风力的大小，总处在高效利用风能的状态，达到最高效率的利用风能。根据风速与风力的3次方的关系，可以配合几组制氢装置，根据风速的变化，投入和退出几组制氢装置，可以达到与风况最佳配合的状态，这样就可以将有效风速范围进行全部的利用（甚至再扩展部分风速也是可以的），达到“理想的”风能利用效果，即“利用了全部可以被利用的风力”，在3-20m/s的风速范围内做到100%的利用。同时这种“制氢”的风力发电机结构特别简单，不需要加装电子变流系统，也不需要叶尖减速伞方式，做成“定桨距”或者是“动桨距”都可以，主要是采用“偏头调速方式”，根据风速的变化允许缓慢的偏头卸载，即便是在超过20m/s风速时，仔细的调整偏头迎风角度，还能够利用一部分超强的风速继续进行“制氢”作业。根据笔者的估计（因为没有人做过这样的对比实验，无法给出精确的参数，仅凭经验估计），这样的结构能够降低2/3左右的风力发电机制造成本，同时强度可以增加最少一倍，也就是寿命延长了一倍，这是与传统方式的“上网风力发电机”相比的。以上的“风电上网”方式与“风电制氢”方式两相比较，在风能利用效率方面是一目了然的，风电上网仅有40%的效率，而“风电制氢”有100%的效率，优劣立判。正因为是利用了全部的有效风能，将风能产生的电力随时的转化为“可以储存的”氢气和氧气，按标准的制氢耗电量反推计算，制氢风电的成本只有“上网风电”成本的1/10－1/5（见本人的文章《关于酒泉风电场电力制氢可行性的探讨》一文），笔者的计算是每度风电成本是5.2分钱人民币！当然这是以风电制氢后的以“氢能源”形式储存的价值反推计算的，也就是充分的、高效的利用全部的风速范围在3-20m/s的有效风能，使“每一点”风能都被利用，都被转化为“随时”可以使用的“氢能源”存在在那里，以氢能源的实体体现出这个“价值”。如果不进行这样的储存利用，而只做一般的常规的计算，如：按可以“上网”方式计算，那是不会有多少“价值”的，原因就是“上网风电”利用率太低（≤40%），即便这样低的利用率，也存在“上网难”的问题，最后实际的“扣除了无功功率效益；昂贵的电子系统的维修效益；夜间电网低谷效益；冬季无法进网效益等一系列的”，没有实际收益的“效益”后，所能够获得的实际的收益究竟多少？，大约只能够按“这台风力发电机的设计功率”（铭牌功率）十几分之一或者是几十分之一的效益获得来计算了，真是“惨不忍睹”。而制氢的方式为什么能够如此的有价值呢？正是因为制氢风电方式投入少（风力发电机便宜），产出多（每一点风电都被转化为氢气了），就按现在的常规技术，5度电制作出1立方米氢气，那也是每立方米氢气只有0.3元人民币5.2分钱×5≈30分钱人民币），这样廉价的氢气，正是制氢方式的利用效率高所致，不信可以自己计算、分析。再者通过风电制氢的特别的利用方式可以大幅度的改变“上网风力发电机”的目前呈现出的复杂的结构，因为“制氢风电”的风力发电机，不需要考虑“并网条件、并网规定”中所要求的与电网“电压相等、转速相等、超速风速时的快速卸载等”的苛刻条件。只要有风（指3-20m/s范围的有效风能）就能够产生氢气和氧气，任何的风况（指可利用有效风速）下都可以利用调节“制氢装置”的工作状态和设备数量，使之符合最佳的风能利用的“高效率点”，在这个点的附近工作，就能够大幅度的降低风能利用“总成本”，即便是“瞬间的超速风速”，也因为存在“柔性刹车”功能，对此瞬间的超速风速“并不敏感”，完全有充裕的时间使风力发电机“偏头卸载”，而不像上网型风力发电机的“保护卸载”。 “总成本”包括：风力发电机的制造成本、维修、管理成本；加工制造中的技术难度；系统结构的简化；强度的增加；寿命的延长。 3、因为氢能源用途的广泛性，如：可以替代煤炭进行常规的火力发电；可以替代汽油供汽车行驶；可以利用氢气加入一氧化碳合成“天然气”，而一氧化碳又是可以利用煤炭来产生，等等等等太多的利用方式或者说是“广泛而巨大的市场需求”。总之绝对不会发生供大于求的情况，广泛而巨大的市场需求正是推动“风电制氢”方式的源源不断发展壮大的“原动力”，风电制氢预期出现的“大量而廉价”的氢气、氧气将是支持“氢能源”时代的坚实的能源基础。在“风电上网难”的关键时期，只要有人领先做出这个转型，突破“一心只为上网”的思维模式，转变到“风电制氢”模式上来，即可稳操“氢能源市场之牛耳”。可以说氢能源的利用是迟早的事，而利用大规模的风电进行制氢，将会促使“氢能源时代”的早日来临。