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風電制氫三: 風電制氫與風電上網(wǎng)的風能利用效率比較
來源:
發(fā)布時間:2017-02-17

這里說的“效率”是指風力發(fā)電機從可利用風能范圍(風速范圍3-20米/秒)內(nèi)獲得實際能量的效率,僅從技術(shù)層面進行粗淺的的分析、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(guān)方面做一個無足輕重的參考,僅此而已。

近期看到很多已經(jīng)建成的風電場,因為“上網(wǎng)難”的問題,引起了廣泛的關(guān)注(中國風電網(wǎng)風電論壇﹡風電大家談欄目從今年2月起直到現(xiàn)在,在論壇中可以看到很多“關(guān)于風電場的“上網(wǎng)難”的議論,褒貶不一的意見、內(nèi)容多多,不妨一看,就能夠有個大致的了解了)

根據(jù)上述的情況,今年3月1日本人寫了《風電制氫----率先創(chuàng)新氫能源時代》發(fā)表在《中國氫能源網(wǎng)》的“新能源視角”欄目;6月9日又寫出《關(guān)于酒泉風電場電力制氫可行性的探討》還是發(fā)表在上述網(wǎng)站,希望為解決“上網(wǎng)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(wǎng)方式在風能利用方面的效率分析:

首先我們知道,一般的可以被安全、正常利用的風能,其風速范圍是3-20m/s(單位為米/秒,下同),這個范圍的風速我們稱呼為“有效風速或者叫可利用風速”,小于或者大于這個風速范圍都是不可以利用的(詳細的介紹請看附后的小資料)。

根據(jù)中國船級社于2008年6月1日頒布生效的《風力發(fā)電機組規(guī)范》中的并網(wǎng)要求和裝置有以下的規(guī)定,最關(guān)鍵的部分摘錄如下:

2.2.5 電網(wǎng)條件

2.2.5.1 以下列出設(shè)計中要考慮的風力發(fā)電機組輸出端正常條件。當相關(guān)參數(shù)在下述范圍內(nèi)時,

應(yīng)采用正常電網(wǎng)條件:

——電壓:額定值±10%;

——頻率:額定值±2%;

——三相電壓不穩(wěn)定度:電壓的負序分量與正序分量的比值不超過2%;

——自動并網(wǎng)的時間間隔:應(yīng)考慮第一次合閘后的重合時間間隔為0.1s~5s 和第二次合閘后的重

合時間間隔為10s~90s。

——斷電:假定一年內(nèi)電網(wǎng)斷電20 次,斷電持續(xù)時間不超過6h①可認為是正常工況。風力發(fā)電機組設(shè)計的最長斷電持續(xù)時間為1 周。

8.9.1.1 風力發(fā)電機并網(wǎng)時應(yīng)滿足以下兩個基本要求:

1) 投入瞬間發(fā)電機的沖擊電流和沖擊力矩不超過允許值;

2) 被投入的風力發(fā)電機能夠安全可靠地并入電網(wǎng)。

8.9.1.2 風力發(fā)電機的并網(wǎng)操作可以是手動的,也可以是自動的。有時也可采用介乎上述兩者之間的半自動并網(wǎng)操作,即一部分操作由運行人員手動完成,另一部分操作由裝置自動完成。

謝天謝地,還好沒有明確規(guī)定要求上網(wǎng)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(wǎng)留了一條“相當狹窄的并網(wǎng)之路”。

為什么說是“相當狹窄的”呢?這是因為這類大型風力發(fā)電機的額定功率的設(shè)計風速都在12m/s左右,低于這個風速就達不到《規(guī)范》所要求的規(guī)定,并網(wǎng)時就會產(chǎn)生超過規(guī)定的沖擊電流,這是電網(wǎng)不能夠承受的,也是不符合《規(guī)范》的。

1.1:拿1000千瓦的風力發(fā)電機來說,額定電流是2000安培左右(指380伏特電壓的發(fā)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),如果在額定風速并網(wǎng)時只要將發(fā)電機電壓調(diào)整到與電網(wǎng)一致(誤差不超過10%),頻率誤差不小于2%,這時沖擊電流很?。ù蟾旁趲资綆装侔才啵ú捎谩白酝凇辈⒕W(wǎng)方式)。

如果風速偏小,達不到12m/s時,發(fā)電機與電網(wǎng)的電壓差大時,比如只有電網(wǎng)額定電壓的70%時,將產(chǎn)生幾千安培的沖擊電流,實際風速離額定風速(并網(wǎng)風速)差別越大,則沖擊電流越大,有時達到上萬安培的巨大電流沖擊也是有的,所以要求風速最低也不能低于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(xiàn)在有性能很好的“專用風電并網(wǎng)變流器”,可以減少巨大的沖擊電流,確實不錯,可以實現(xiàn)“柔性并網(wǎng)、沖擊電流很小”,但是因為在低于10m/s風速時,發(fā)電機達不到額定的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速是決定有功功率和電能頻率的最重要條件),這時風力發(fā)電機就會從電網(wǎng)中吸收大量的無功功率,這時不但不產(chǎn)生輸入電網(wǎng)的電能,相反還要從電網(wǎng)吸收大量的電流以補償風力發(fā)電機的建立磁場的需要,雖然看起來是并入電網(wǎng)了,但是沒有有效的有功功率輸入電網(wǎng),僅僅是提供了一些無功功率,相當于在電網(wǎng)中并聯(lián)了一個特大號的“電容器”,這是交流電發(fā)電機直接并網(wǎng)時因為轉(zhuǎn)速不夠僅提供無功功率的情況,當然電網(wǎng)也是允許,但是僅提供無功功率時,收入要打折扣的,因為電網(wǎng)是按無功功率付費的,當然是很少了。

如果通過“變流器”的強制調(diào)整,將電壓調(diào)整到與電網(wǎng)一致,這時就會進一步的降低發(fā)電機的轉(zhuǎn)速,發(fā)電機處在“電壓高而轉(zhuǎn)速低的狀態(tài)”,輸入到電網(wǎng)的有功功率功率會很小很小甚至是零或者是負值,僅僅是向電網(wǎng)輸入無功功率,這當然是必要的,但是電網(wǎng)最終付費將很少,因為無功功率只是建立了規(guī)定的電壓,而電網(wǎng)的實際收益是從用戶那里收入有功功率電費(用戶的電度表是有功電度表,只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(fā)電機產(chǎn)生的交流電整流為直流電,然后利用大功率、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(wǎng)并網(wǎng)。

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”的正弦波,含有多次諧波,在波形的邊緣有尖刺,對電網(wǎng)是有影響的,尤其對高精密的高要求電源的用戶影響更大,電網(wǎng)的諧波污染就是指這種情況)。

這種方式雖然可以展寬有效風速的利用范圍,但是這樣一來,在每個環(huán)節(jié)(整流、逆變環(huán)節(jié))都要產(chǎn)生不小的電能損耗(主要是元件的發(fā)熱損耗),整流器不能夠100%的將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?0-15%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),最后最終能夠真正的進入電網(wǎng)的有效電能,是發(fā)電機初始發(fā)出電能的基礎(chǔ)上大打折扣的實際電量(發(fā)電機發(fā)出100千瓦電能,最終輸入的電網(wǎng)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(fā)電機組中增加的這個大功率、高電壓的電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)(需要處理大于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,損壞后的維修、更換成本更是大的驚人,也許風力發(fā)電機并網(wǎng)后獲得的那些收入,在支付了這些昂貴的設(shè)備維修費后將會所剩無幾。

1.2:再來說說超過20m/s風速時風力發(fā)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(guān)系”,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時這臺風力發(fā)電機可以發(fā)電1000千瓦(1兆瓦),那么在24m/s時(假設(shè)風速增大一倍)就會達到8兆瓦(8000千瓦),這絕對的超過了這臺風力發(fā)電機的承載能力,所以在超過20m/s(甚至在低于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(fā)電機不致?lián)p壞,正因為“風速與風能是3次方的關(guān)系”所以“減載或者卸載”必須在極短的時間內(nèi)完成(理想保護速度應(yīng)該在3-5秒鐘內(nèi))。

縱觀現(xiàn)在的大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組槳葉結(jié)構(gòu)形式,無非是兩種即“定槳距”和“變槳距”結(jié)構(gòu)。

定槳距結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動(葉片尖端到葉片根部的中軸線)一般采用偏頭(又叫偏航)卸載失速卸載并配合剎車裝置、葉片端部減速傘裝置進行快速減載或者卸載。

比如依靠葉片尖端的減速傘剎車卸載時,該減速傘不會自動復(fù)位,必須停機進行人工裝填復(fù)位,那么在正常發(fā)電時突然有一股超速的渦流出現(xiàn)(風的渦流、切變、漩渦是經(jīng)常隨機發(fā)生的),致使減速傘打開了,但當這股超速渦流很快過去后,這時這臺風力發(fā)電機因為減速傘甩出,就處在停機狀態(tài),不再發(fā)電了,而在12m/s的額定風速時管理維修人員又不能上去進行減速傘的復(fù)位,只有等待風速減小或者是停風后再去復(fù)位,當然了這段時間只能眼看著這么好的風速不能夠利用而白白流失,結(jié)果是風能利用效率大減。

但是定槳距的形式有結(jié)構(gòu)簡單,尤其是有風輪轂部分強度大的優(yōu)點,同時成本相對較低,制造也相對容易,有優(yōu)點也有缺點。

1.3:動槳距結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動,可以根據(jù)不同的風況風速使葉片的“攻角”調(diào)整到最佳的角度,所以比定槳距結(jié)構(gòu)提高了效率,除有剎車裝置和偏頭裝置外主要是采用“及時調(diào)整轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)特別復(fù)雜,因為葉片轉(zhuǎn)動時需要做到3個葉片同步轉(zhuǎn)動,不能有誤差,如果誤差大會使風力發(fā)電機產(chǎn)生劇烈的震動,會在短時間內(nèi)損壞,同時結(jié)構(gòu)復(fù)雜、風輪轂部件處的結(jié)構(gòu)載荷極大容易壞、壽命短,制造困難,成本不低。

所以動槳距風力發(fā)電機,除葉片反槳卸載方式外還有偏頭卸載和剎車裝置,并且在超過額定風速的短時間內(nèi)就要快速卸載,不敢超過額定風速太遠,額定風速為13-14m/s時就要快速卸載了,效率隨之降低。

綜上所述,在3-20m/s的有效風速范圍內(nèi),“上網(wǎng)風電”不可能將這個范圍有效風速全部利用,只能夠利用這個范圍的一小部分,一般是在8-14m/s風速范圍之間,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(wǎng)的風電”在整個3-20m/s的有效風速范圍里面只能夠利用其中的40%左右甚至更低。

這也是為什么大型風力發(fā)電機組成本如此的巨大,結(jié)構(gòu)是如此的復(fù)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”那么請查一查風能利用方面的資料,如風速表和風能利用公式,更可以實際的了解一下現(xiàn)在已經(jīng)“并上網(wǎng)的風力發(fā)電機”實際上究竟獲得了多少利潤?(應(yīng)該是除去維修費后的純利潤)就知道“此言不虛”。

2、風電制氫的特點和風能利用效率分析

再讓我們來看看“風電制氫”的風力發(fā)電機在工作時的狀態(tài),在風力發(fā)電機的輸出端,通過整流器將風力發(fā)電機發(fā)出的交流電整流成直流電,然后與電解制氫裝置連接。

當風車轉(zhuǎn)動后發(fā)電機就會產(chǎn)生電能,當然在3m/s時產(chǎn)生的電能量很小,但是電解制氫裝置已經(jīng)可以利用這樣少量的電能進行工作了,表現(xiàn)為產(chǎn)生的氫氣(含氧氣)數(shù)量很小,但是,還是在連續(xù)不斷的產(chǎn)生,無論多小都是有產(chǎn)出的,只要風車轉(zhuǎn)動就行,所以還可以利用一部分小于3m/s的風速。

隨著風速的增大,產(chǎn)生的制氫數(shù)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(chǎn)生出額定產(chǎn)量的氫氣、氧氣數(shù)量,大于額定風速時可以繼續(xù)工作一段比如:風速達到了21m/s時功率會達到1300-1500千瓦,我們只要預(yù)先多加上幾組制氫裝置就可以充分的利用這部分風能,當然要根據(jù)風力發(fā)電機的葉片、主軸承、發(fā)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范圍,在超過機組的“極限載荷”前利用偏頭方式配合剎車方式進行卸載。

正是因為制氫裝置永遠與風力發(fā)電機連接在一起,這個“耗能特大的柔性剎車系統(tǒng)”會給超過20m/s風速時產(chǎn)生的巨大力量提供一個“能量宣泄”地方,保證制氫的風力發(fā)電機絕對不會“飛車”,而“飛車情況的發(fā)生”是上網(wǎng)風力發(fā)電機最為恐怖的情況,因為巨大的力量無法“及時”消耗掉,只能推動風車(葉片、發(fā)電機、變速器)超速無控制的轉(zhuǎn)動,幾秒鐘內(nèi)會造成機組嚴重損壞。

實際上,這時的電解制氫裝置也可以理解為這臺風力發(fā)電機組的一個“大型的、可隨時能夠調(diào)整的耗電制動器”(以消耗電能產(chǎn)生電磁反向力矩的方式一般稱為“耗能制動”)。

耗能制動方式最大的特點是,與需要制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”進行制動的,也就是利用風力發(fā)電機中的發(fā)電機的反向磁場進行制動的,也是一種特別理想的“柔性”制動方式,不會對動力機械產(chǎn)生破壞性的后果,還可以“自動”的根據(jù)風速的大小進行自動的隨機調(diào)整。

所以利用這種風電與制氫裝置連接成一體化的機構(gòu),不妨叫做“風力制氫機”,更可以將制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并聯(lián)工作的,根據(jù)風力的大小,總處在高效利用風能的狀態(tài),達到最高效率的利用風能。

根據(jù)風速與風力的3次方的關(guān)系,可以配合幾組制氫裝置,根據(jù)風速的變化,投入和退出幾組制氫裝置,可以達到與風況最佳配合的狀態(tài),這樣就可以將有效風速范圍進行全部的利用(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的風速范圍內(nèi)做到100%的利用。

同時這種“制氫”的風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)特別簡單,不需要加裝電子變流系統(tǒng),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(diào)速方式”,根據(jù)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(diào)整偏頭迎風角度,還能夠利用一部分超強的風速繼續(xù)進行“制氫”作業(yè)。

根據(jù)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(shù),僅憑經(jīng)驗估計),這樣的結(jié)構(gòu)能夠降低2/3左右的風力發(fā)電機制造成本,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(tǒng)方式的“上網(wǎng)風力發(fā)電機”相比的。

以上的“風電上網(wǎng)”方式與“風電制氫”方式兩相比較,在風能利用效率方面是一目了然的,風電上網(wǎng)僅有40%的效率,而“風電制氫”有100%的效率,優(yōu)劣立判。

正因為是利用了全部的有效風能,將風能產(chǎn)生的電力隨時的轉(zhuǎn)化為“可以儲存的”氫氣和氧氣,按標準的制氫耗電量反推計算,制氫風電的成本只有“上網(wǎng)風電”成本的1/10-1/5(見本人的文章《關(guān)于酒泉風電場電力制氫可行性的探討》一文),筆者的計算是每度風電成本是5.2分錢人民幣!

當然這是以風電制氫后的以“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范圍在3-20m/s的有效風能,使“每一點”風能都被利用,都被轉(zhuǎn)化為“隨時”可以使用的“氫能源”存在在那里,以氫能源的實體體現(xiàn)出這個“價值”。

如果不進行這樣的儲存利用,而只做一般的常規(guī)的計算,如:按可以“上網(wǎng)”方式計算,那是不會有多少“價值”的,原因就是“上網(wǎng)風電”利用率太低(≤40%),即便這樣低的利用率,也存在“上網(wǎng)難”的問題,最后實際的“扣除了無功功率效益;昂貴的電子系統(tǒng)的維修效益;夜間電網(wǎng)低谷效益;冬季無法進網(wǎng)效益等一系列的”,沒有實際收益的“效益”后,所能夠獲得的實際的收益究竟多少?,大約只能夠按“這臺風力發(fā)電機的設(shè)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”。

而制氫的方式為什么能夠如此的有價值呢?正是因為制氫風電方式投入少(風力發(fā)電機便宜),產(chǎn)出多(每一點風電都被轉(zhuǎn)化為氫氣了),就按現(xiàn)在的常規(guī)技術(shù),5度電制作出1立方米氫氣,那也是每立方米氫氣只有0.3元人民幣5.2分錢×5≈30分錢人民幣),這樣廉價的氫氣,正是制氫方式的利用效率高所致,不信可以自己計算、分析。

再者通過風電制氫的特別的利用方式可以大幅度的改變“上網(wǎng)風力發(fā)電機”的目前呈現(xiàn)出的復(fù)雜的結(jié)構(gòu),因為“制氫風電”的風力發(fā)電機,不需要考慮“并網(wǎng)條件、并網(wǎng)規(guī)定”中所要求的與電網(wǎng)“電壓相等、轉(zhuǎn)速相等、超速風速時的快速卸載等”的苛刻條件。

只要有風(指3-20m/s范圍的有效風能)就能夠產(chǎn)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(diào)節(jié)“制氫裝置”的工作狀態(tài)和設(shè)備數(shù)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“柔性剎車”功能,對此瞬間的超速風速“并不敏感”,完全有充裕的時間使風力發(fā)電機“偏頭卸載”,而不像上網(wǎng)型風力發(fā)電機的“保護卸載”。

“總成本”包括:風力發(fā)電機的制造成本、維修、管理成本;加工制造中的技術(shù)難度;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guī)的火力發(fā)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(chǎn)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(fā)生供大于求的情況,廣泛而巨大的市場需求正是推動“風電制氫”方式的源源不斷發(fā)展壯大的“原動力”,風電制氫預(yù)期出現(xiàn)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(chǔ)。

“風電上網(wǎng)難”的關(guān)鍵時期,只要有人領(lǐng)先做出這個轉(zhuǎn)型,突破“一心只為上網(wǎng)”的思維模式,轉(zhuǎn)變到“風電制氫”模式上來,即可穩(wěn)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(guī)模的風電進行制氫,將會促使“氫能源時代”的早日來臨。

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