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風電製氫三：風電製氫與風電上網的風能利用效率比較

2026-04-11 23:41:485370

這裏說的“效率”是指風力發電機從可利用風能範圍（風速範圍3-20米/秒）內獲得實際能量的效率，僅從技術層麵進行粗淺的的分析、比較。這是本人的一孔之見、掛一漏萬，僅代表個人的觀點，希望能夠在“風能利用”這個大題目中，提供一種新思路或者說“別的方法”，供有關方麵做一個無足輕重的參考，僅此而已。近期看到很多已經建成的風電場，因為“上網難”的問題，引起了廣泛的關注（中國風電網﹡風電論壇﹡風電大家談欄目從今年2月起直到現在，在論壇中可以看到很多“關於風電場的“上網難”的議論，褒貶不一的意見、內容多多，不妨一看，就能夠有個大致的了解了）根據上述的情況，今年3月1日本人寫了《風電製氫----率先創新氫能源時代》發表在《中國氫能源網》的“新能源視角”欄目；6月9日又寫出《關於酒泉風電場電力製氫可行性的探討》還是發表在上述網站，希望為解決“上網難”的問題“建言獻策、另辟蹊徑”有興趣者不妨看看，不足之處歡迎斧正。 1、風電上網方式在風能利用方麵的效率分析： 首先我們知道，一般的可以被安全、正常利用的風能，其風速範圍是3－20m/s(單位為米/秒，下同)，這個範圍的風速我們稱呼為“有效風速或者叫可利用風速”，小於或者大於這個風速範圍都是不可以利用的（詳細的介紹請看附後的小資料）。根據中國船級社於2008年6月1日頒布生效的《風力發電機組規範》中的並網要求和裝置有以下的規定，最關鍵的部分摘錄如下： 2.2.5 電網條件 2.2.5.1 以下列出設計中要考慮的風力發電機組輸出端正常條件。當相關參數在下述範圍內時，應采用正常電網條件： ——電壓：額定值±10％； ——頻率：額定值±2％； ——三相電壓不穩定度：電壓的負序分量與正序分量的比值不超過2％； ——自動並網的時間間隔：應考慮第一次合閘後的重合時間間隔為0.1s～5s 和第二次合閘後的重合時間間隔為10s～90s。 ——斷電：假定一年內電網斷電20 次，斷電持續時間不超過6h①可認為是正常工況。風力發電機組設計的最長斷電持續時間為1 周。 8.9.1.1 風力發電機並網時應滿足以下兩個基本要求：（1）投入瞬間發電機的衝擊電流和衝擊力矩不超過允許值；（2）被投入的風力發電機能夠安全可靠地並入電網。 8.9.1.2 風feng力li發fa電dian機ji的de並bing網wang操cao作zuo可ke以yi是shi手shou動dong的de，也ye可ke以yi是shi自zi動dong的de。有you時shi也ye可ke采cai用yong介jie乎hu上shang述shu兩liang者zhe之zhi間jian的de半ban自zi動dong並bing網wang操cao作zuo，即ji一yi部bu分fen操cao作zuo由you運yun行xing人ren員yuan手shou動dong完wan成cheng，另ling一yi部bu分fen操cao作zuo由you裝zhuang置zhi自zi動dong完wan成cheng。謝天謝地，還好沒有明確規定要求上網電能的頻率（每秒50周波）和波形（標準正弦波）以及有功功率和無功功率的比例要求，總算給風電上網留了一條“相當狹窄的並網之路”。為什麼說是“相當狹窄的”呢？這是因為這類大型風力發電機的額定功率的設計風速都在12m/s左右，低於這個風速就達不到《規範》所要求的規定，並網時就會產生超過規定的衝擊電流，這是電網不能夠承受的，也是不符合《規範》的。 1.1：拿1000千瓦的風力發電機來說，額定電流是2000安培左右（指380伏特電壓的發電機，如果是760伏特電壓的機組電流就小一倍也將是1000安培），如果在額定風速並網時隻要將發電機電壓調整到與電網一致（誤差不超過10%），頻率誤差不小於2%，這時衝擊電流很小（大概在幾十到幾百安培（采用“自同期”並網方式）。如果風速偏小，達不到12m/s時，發電機與電網的電壓差大時，比如隻有電網額定電壓的70%時，將產生幾千安培的衝擊電流，實際風速離額定風速（並網風速）差別越大，則衝擊電流越大，有時達到上萬安培的巨大電流衝擊也是有的，所以要求風速最低也不能低於10m/s，也就是說在這個風速以下的風能是沒有辦法利用的。有人說現在有性能很好的“專用風電並網變流器”，可以減少巨大的衝擊電流，確實不錯，可以實現“柔性並網、衝擊電流很小”，但是因為在低於10m/s風速時，發電機達不到額定的轉速（轉速是決定有功功率和電能頻率的最重要條件），這(zhe)時(shi)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)就(jiu)會(hui)從(cong)電(dian)網(wang)中(zhong)吸(xi)收(shou)大(da)量(liang)的(de)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)，這(zhe)時(shi)不(bu)但(dan)不(bu)產(chan)生(sheng)輸(shu)入(ru)電(dian)網(wang)的(de)電(dian)能(neng)，相(xiang)反(fan)還(hai)要(yao)從(cong)電(dian)網(wang)吸(xi)收(shou)大(da)量(liang)的(de)電(dian)流(liu)以(yi)補(bu)償(chang)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)建(jian)立(li)磁(ci)場(chang)的(de)需(xu)要(yao)，雖(sui)然(ran)看(kan)起(qi)來(lai)是(shi)並(bing)入(ru)電(dian)網(wang)了(le)，但(dan)是(shi)沒(mei)有(you)有(you)效(xiao)的(de)有(you)功(gong)功(gong)率(lv)輸(shu)入(ru)電(dian)網(wang)，僅(jin)僅(jin)是(shi)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)些(xie)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)，相(xiang)當(dang)於(yu)在(zai)電(dian)網(wang)中(zhong)並(bing)聯(lian)了(le)一(yi)個(ge)特(te)大(da)號(hao)的(de)“電容器”，這(zhe)是(shi)交(jiao)流(liu)電(dian)發(fa)電(dian)機(ji)直(zhi)接(jie)並(bing)網(wang)時(shi)因(yin)為(wei)轉(zhuan)速(su)不(bu)夠(gou)僅(jin)提(ti)供(gong)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)的(de)情(qing)況(kuang)，當(dang)然(ran)電(dian)網(wang)也(ye)是(shi)允(yun)許(xu)，但(dan)是(shi)僅(jin)提(ti)供(gong)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)時(shi)，收(shou)入(ru)要(yao)打(da)折(zhe)扣(kou)的(de)，因(yin)為(wei)電(dian)網(wang)是(shi)按(an)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)付(fu)費(fei)的(de)，當(dang)然(ran)是(shi)很(hen)少(shao)了(le)。如果通過“變流器”的強製調整，將電壓調整到與電網一致，這時就會進一步的降低發電機的轉速，發電機處在“電壓高而轉速低的狀態”，輸shu入ru到dao電dian網wang的de有you功gong功gong率lv功gong率lv會hui很hen小xiao很hen小xiao甚shen至zhi是shi零ling或huo者zhe是shi負fu值zhi，僅jin僅jin是shi向xiang電dian網wang輸shu入ru無wu功gong功gong率lv，這zhe當dang然ran是shi必bi要yao的de，但dan是shi電dian網wang最zui終zhong付fu費fei將jiang很hen少shao，因yin為wei無wu功gong功gong率lv隻zhi是shi建jian立li了le規gui定ding的de電dian壓ya，而er電dian網wang的de實shi際ji收shou益yi是shi從cong用yong戶hu那na裏li收shou入ru有you功gong功gong率lv電dian費fei（用戶的電度表是有功電度表，隻為有功功率電能買單）。還有一種方式是利用“整流-逆變”方式，通過將風力發電機產生的交流電整流為直流電，然後利用大功率、高電壓的電子元件將直流電處理為“正弦波交流電”再與電網並網。電子方式處理的電能波形是一種“模擬正弦波”究竟不是“標準”的(de)正(zheng)弦(xian)波(bo)，含(han)有(you)多(duo)次(ci)諧(xie)波(bo)，在(zai)波(bo)形(xing)的(de)邊(bian)緣(yuan)有(you)尖(jian)刺(ci)，對(dui)電(dian)網(wang)是(shi)有(you)影(ying)響(xiang)的(de)，尤(you)其(qi)對(dui)高(gao)精(jing)密(mi)的(de)高(gao)要(yao)求(qiu)電(dian)源(yuan)的(de)用(yong)戶(hu)影(ying)響(xiang)更(geng)大(da)，電(dian)網(wang)的(de)諧(xie)波(bo)汙(wu)染(ran)就(jiu)是(shi)指(zhi)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)）。這種方式雖然可以展寬有效風速的利用範圍，但是這樣一來，在每個環節（整流、逆變環節）都要產生不小的電能損耗（主要是元件的發熱損耗），整流器不能夠100%的將交流電轉變為直流電，有10-15%的損耗，直流電通過大功率電子逆變器變成“正弦波交流電”損耗更大，一般超過20%，再加上線路中的電損（電阻、電容、電感損耗稱為電損），最後最終能夠真正的進入電網的有效電能，是發電機初始發出電能的基礎上大打折扣的實際電量（發電機發出100千瓦電能，最終輸入的電網時有效電能不足一半）能夠達到50%利用率就是很好的情況了。更何況在整個風力發電機組中增加的這個大功率、高電壓的電子調節係統（需要處理大於1000千瓦電功率的電子器件），將使機組的造價大幅度上升，故障點增多幾十倍，這些大功率電子器件又特別“嬌氣”，特別容易損壞，損壞後的維修、更換成本更是大的驚人，也許風力發電機並網後獲得的那些收入，在支付了這些昂貴的設備維修費後將會所剩無幾。 1.2：再來說說超過20m/s風速時風力發電機的情況，我們知道“風能中所含的能量是與風速的3次方成正比的關係”，通俗是講就是“風速增大一倍，風力增大八倍”，在額定風速，比如是12m/s時這台風力發電機可以發電1000千瓦（1兆瓦），那麼在24m/s時（假設風速增大一倍）就會達到8兆瓦（8000千瓦），這絕對的超過了這台風力發電機的承載能力，所以在超過20m/s（甚至在低於20m/s時）就必須進行多種方式的“功率減載或者卸載”，以保護風力發電機不致損壞，正因為“風速與風能是3次方的關係”所以“減載或者卸載”必須在極短的時間內完成（理想保護速度應該在3-5秒鍾內）。縱觀現在的大型並網風力發電機組槳葉結構形式，無非是兩種即“定槳距”和“變槳距”結構。定槳距結構其葉片是固定安裝在風輪轂上的，葉片不能按葉片在中軸線轉動（葉片尖端到葉片根部的中軸線）一般采用偏頭（又叫偏航）卸載失速卸載並配合刹車裝置、葉片端部減速傘裝置進行快速減載或者卸載。比bi如ru依yi靠kao葉ye片pian尖jian端duan的de減jian速su傘san刹sha車che卸xie載zai時shi，該gai減jian速su傘san不bu會hui自zi動dong複fu位wei，必bi須xu停ting機ji進jin行xing人ren工gong裝zhuang填tian複fu位wei，那na麼me在zai正zheng常chang發fa電dian時shi突tu然ran有you一yi股gu超chao速su的de渦wo流liu出chu現xian（風的渦流、切變、漩渦是經常隨機發生的），致使減速傘打開了，但當這股超速渦流很快過去後，這時這台風力發電機因為減速傘甩出，就處在停機狀態，不再發電了，而在12m/s的de額e定ding風feng速su時shi管guan理li維wei修xiu人ren員yuan又you不bu能neng上shang去qu進jin行xing減jian速su傘san的de複fu位wei，隻zhi有you等deng待dai風feng速su減jian小xiao或huo者zhe是shi停ting風feng後hou再zai去qu複fu位wei，當dang然ran了le這zhe段duan時shi間jian隻zhi能neng眼yan看kan著zhe這zhe麼me好hao的de風feng速su不bu能neng夠gou利li用yong而er白bai白bai流liu失shi，結jie果guo是shi風feng能neng利li用yong效xiao率lv大da減jian。但是定槳距的形式有結構簡單，尤其是有風輪轂部分強度大的優點，同時成本相對較低，製造也相對容易，有優點也有缺點。 1.3：動槳距結構有大幅度提高風能利用效率的特點，因為葉片可以沿中軸線轉動，可以根據不同的風況風速使葉片的“攻角”調整到最佳的角度，所以比定槳距結構提高了效率，除有刹車裝置和偏頭裝置外主要是采用“及時調整轉動葉片的攻角”（又叫“反槳”）進行卸載，所以叫“動槳距”，但是這樣就使風輪轂部分結構特別複雜，因為葉片轉動時需要做到3個葉片同步轉動，不能有誤差，如果誤差大會使風力發電機產生劇烈的震動，會在短時間內損壞，同時結構複雜、風輪轂部件處的結構載荷極大容易壞、壽命短，製造困難，成本不低。所suo以yi動dong槳jiang距ju風feng力li發fa電dian機ji，除chu葉ye片pian反fan槳jiang卸xie載zai方fang式shi外wai還hai有you偏pian頭tou卸xie載zai和he刹sha車che裝zhuang置zhi，並bing且qie在zai超chao過guo額e定ding風feng速su的de短duan時shi間jian內nei就jiu要yao快kuai速su卸xie載zai，不bu敢gan超chao過guo額e定ding風feng速su太tai遠yuan，額e定ding風feng速su為wei13-14m/s時就要快速卸載了，效率隨之降低。綜上所述，在3-20m/s的有效風速範圍內，“上網風電”不可能將這個範圍有效風速全部利用，隻能夠利用這個範圍的一小部分，一般是在8-14m/s風速範圍之間，大概占3-20m/s有效風速總量的40%左右所以通過上述的分析，“上網的風電”在整個3-20m/s的有效風速範圍裏麵隻能夠利用其中的40%左右甚至更低。這也是為什麼大型風力發電機組成本如此的巨大，結構是如此的複雜，工作方式是如此的“嬌氣”，再加上對有效風速的利用率低，所以造成每度電的成本很高（實際達0.8-1.5元人民幣）很缺乏競爭力。也許有人認為我是“信口雌黃、胡說八道”那麼請查一查風能利用方麵的資料，如風速表和風能利用公式，更可以實際的了解一下現在已經“並上網的風力發電機”實際上究竟獲得了多少利潤？（應該是除去維修費後的純利潤）就知道“此言不虛”。 2、風電製氫的特點和風能利用效率分析 再讓我們來看看“風電製氫”defenglifadianjizaigongzuoshidezhuangtai，zaifenglifadianjideshuchuduan，tongguozhengliuqijiangfenglifadianjifachudejiaoliudianzhengliuchengzhiliudian，ranhouyudianjiezhiqingzhuangzhilianjie。當風車轉動後發電機就會產生電能，當然在3m/s時產生的電能量很小，但是電解製氫裝置已經可以利用這樣少量的電能進行工作了，表現為產生的氫氣（含氧氣）數量很小，但是，還是在連續不斷的產生，無論多小都是有產出的，隻要風車轉動就行，所以還可以利用一部分小於3m/s的風速。隨著風速的增大，產生的製氫數量跟著增大（是按3次方的速度增加的，達到額定風速時就產生出額定產量的氫氣、氧氣數量，大於額定風速時可以繼續工作一段比如：風速達到了21m/s時功率會達到1300-1500千瓦，我們隻要預先多加上幾組製氫裝置就可以充分的利用這部分風能，當然要根據風力發電機的葉片、主軸承、發電機等部位的最大承載情況決定，加上多少組，這也就是擴展了有效風能風速利用範圍，在超過機組的“極限載荷”前利用偏頭方式配合刹車方式進行卸載。正是因為製氫裝置永遠與風力發電機連接在一起，這個“耗能特大的柔性刹車係統”會給超過20m/s風速時產生的巨大力量提供一個“能量宣泄”地方，保證製氫的風力發電機絕對不會“飛車”，而“飛車情況的發生”是上網風力發電機最為恐怖的情況，因為巨大的力量無法“及時”消耗掉，隻能推動風車（葉片、發電機、變速器）超速無控製的轉動，幾秒鍾內會造成機組嚴重損壞。實際上，這時的電解製氫裝置也可以理解為這台風力發電機組的一個“大型的、可隨時能夠調整的耗電製動器”（以消耗電能產生電磁反向力矩的方式一般稱為“耗能製動”）。耗能製動方式最大的特點是，與需要製動的裝置沒有直接的機械連接（又叫剛性連接），是通過“電磁力”進行製動的，也就是利用風力發電機中的發電機的反向磁場進行製動的，也是一種特別理想的“柔性”製動方式，不會對動力機械產生破壞性的後果，還可以“自動”的根據風速的大小進行自動的隨機調整。所以利用這種風電與製氫裝置連接成一體化的機構，不妨叫做“風力製氫機”，更可以將製氫裝置安排成多個單元組，有正常工作的、有維修的、有在大風或者強風時並聯工作的，根據風力的大小，總處在高效利用風能的狀態，達到最高效率的利用風能。根據風速與風力的3次(ci)方(fang)的(de)關(guan)係(xi)，可(ke)以(yi)配(pei)合(he)幾(ji)組(zu)製(zhi)氫(qing)裝(zhuang)置(zhi)，根(gen)據(ju)風(feng)速(su)的(de)變(bian)化(hua)，投(tou)入(ru)和(he)退(tui)出(chu)幾(ji)組(zu)製(zhi)氫(qing)裝(zhuang)置(zhi)，可(ke)以(yi)達(da)到(dao)與(yu)風(feng)況(kuang)最(zui)佳(jia)配(pei)合(he)的(de)狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)將(jiang)有(you)效(xiao)風(feng)速(su)範(fan)圍(wei)進(jin)行(xing)全(quan)部(bu)的(de)利(li)用(yong)（甚至再擴展部分風速也是可以的），達到“理想的”風能利用效果，即“利用了全部可以被利用的風力”，在3-20m/s的風速範圍內做到100%的利用。同時這種“製氫”的風力發電機結構特別簡單，不需要加裝電子變流係統，也不需要葉尖減速傘方式，做成“定槳距”或者是“動槳距”都可以，主要是采用“偏頭調速方式”，根據風速的變化允許緩慢的偏頭卸載，即便是在超過20m/s風速時，仔細的調整偏頭迎風角度，還能夠利用一部分超強的風速繼續進行“製氫”作業。根據筆者的估計（因為沒有人做過這樣的對比實驗，無法給出精確的參數，僅憑經驗估計），這樣的結構能夠降低2/3左右的風力發電機製造成本，同時強度可以增加最少一倍，也就是壽命延長了一倍，這是與傳統方式的“上網風力發電機”相比的。以上的“風電上網”方式與“風電製氫”方式兩相比較，在風能利用效率方麵是一目了然的，風電上網僅有40%的效率，而“風電製氫”有100%的效率，優劣立判。正因為是利用了全部的有效風能，將風能產生的電力隨時的轉化為“可以儲存的”氫氣和氧氣，按標準的製氫耗電量反推計算，製氫風電的成本隻有“上網風電”成本的1/10－1/5（見本人的文章《關於酒泉風電場電力製氫可行性的探討》一文），筆者的計算是每度風電成本是5.2分錢人民幣！當然這是以風電製氫後的以“氫能源”形式儲存的價值反推計算的，也就是充分的、高效的利用全部的風速範圍在3-20m/s的有效風能，使“每一點”風能都被利用，都被轉化為“隨時”可以使用的“氫能源”存在在那裏，以氫能源的實體體現出這個“價值”。如果不進行這樣的儲存利用，而隻做一般的常規的計算，如：按可以“上網”方式計算，那是不會有多少“價值”的，原因就是“上網風電”利用率太低（≤40%），即便這樣低的利用率，也存在“上網難”的問題，最後實際的“扣除了無功功率效益；昂貴的電子係統的維修效益；夜間電網低穀效益；冬季無法進網效益等一係列的”，沒有實際收益的“效益”後，所能夠獲得的實際的收益究竟多少？，大約隻能夠按“這台風力發電機的設計功率”（銘牌功率）十幾分之一或者是幾十分之一的效益獲得來計算了，真是“慘不忍睹”。而製氫的方式為什麼能夠如此的有價值呢？正是因為製氫風電方式投入少（風力發電機便宜），產出多（每一點風電都被轉化為氫氣了），就按現在的常規技術，5度電製作出1立方米氫氣，那也是每立方米氫氣隻有0.3元人民幣5.2分錢×5≈30分錢人民幣），這樣廉價的氫氣，正是製氫方式的利用效率高所致，不信可以自己計算、分析。再者通過風電製氫的特別的利用方式可以大幅度的改變“上網風力發電機”的目前呈現出的複雜的結構，因為“製氫風電”的風力發電機，不需要考慮“並網條件、並網規定”中所要求的與電網“電壓相等、轉速相等、超速風速時的快速卸載等”的苛刻條件。隻要有風（指3-20m/s範圍的有效風能）就能夠產生氫氣和氧氣，任何的風況（指可利用有效風速）下都可以利用調節“製氫裝置”的工作狀態和設備數量，使之符合最佳的風能利用的“高效率點”，在這個點的附近工作，就能夠大幅度的降低風能利用“總成本”，即便是“瞬間的超速風速”，也因為存在“柔性刹車”功能，對此瞬間的超速風速“並不敏感”，完全有充裕的時間使風力發電機“偏頭卸載”，而不像上網型風力發電機的“保護卸載”。 “總成本”包括：風力發電機的製造成本、維修、管理成本；加工製造中的技術難度；係統結構的簡化；強度的增加；壽命的延長。 3、因為氫能源用途的廣泛性，如：可以替代煤炭進行常規的火力發電；可以替代汽油供汽車行駛；可以利用氫氣加入一氧化碳合成“天然氣”，而一氧化碳又是可以利用煤炭來產生，等等等等太多的利用方式或者說是“廣泛而巨大的市場需求”。總之絕對不會發生供大於求的情況，廣泛而巨大的市場需求正是推動“風電製氫”方式的源源不斷發展壯大的“原動力”，風電製氫預期出現的“大量而廉價”的氫氣、氧氣將是支持“氫能源”時代的堅實的能源基礎。在“風電上網難”的關鍵時期，隻要有人領先做出這個轉型，突破“一心隻為上網”的思維模式，轉變到“風電製氫”模式上來，即可穩操“氫能源市場之牛耳”。可以說氫能源的利用是遲早的事，而利用大規模的風電進行製氫，將會促使“氫能源時代”的早日來臨。