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）內獲得實際能量的效率，僅從技術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”，供有關方面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(wǎng)難”的問題，引起了廣泛的關注（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“關于風電場的“上網(wǎng)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(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 以下列出設計中要考慮的風力發(fā)電機組輸出端正常條件。當相關參數(shù)在下述范圍內時，

應采用正常電網(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速（轉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”的強制調整，將電壓調整到與電網(wǎng)一致，這時就會進一步的降低發(fā)電機的轉速，發(fā)電機處在“電壓高而轉速低的狀態(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%的將交流電轉變?yōu)橹绷麟?，?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次方的關系”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秒鐘內）。

縱觀現(xiàn)在的大型并網(wǎng)風力發(fā)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位，必須停機進行人工裝填復位，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位，只有等待風速減小或者是停風后再去復位，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，結果是風能利用效率大減。

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(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(jù)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，除有剎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復雜，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(fā)電機產生劇烈的震動，會在短時間內損壞，同時結構復雜、風輪轂部件處的結構載荷極大容易壞、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，“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，結構是如此的復雜，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“并上網(wǎng)的風力發(fā)電機”實際上究竟獲得了多少利潤？（應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。

當風車轉動后發(fā)電機就會產生電能，當然在3m/s時產生的電能量很小，但是電解制氫裝置已經可以利用這樣少量的電能進行工作了，表現(xiàn)為產生的氫氣（含氧氣）數(shù)量很小，但是，還是在連續(xù)不斷的產生，無論多小都是有產出的，只要風車轉動就行，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生出額定產量的氫氣、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）超速無控制的轉動，幾秒鐘內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、可隨時能夠調整的耗電制動器”（以消耗電能產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整。

所以利用這種風電與制氫裝置連接成一體化的機構，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的風速范圍內做到100%的利用。

同時這種“制氫”的風力發(fā)電機結構特別簡單，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)，僅憑經驗估計），這樣的結構能夠降低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，將風能產生的電力隨時的轉化為“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），產出多（每一點風電都被轉化為氫氣了），就按現(xiàn)在的常規(guī)技術，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)出的復雜的結構，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(jié)“制氫裝置”的工作狀態(tài)和設備數(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；加工制造中的技術難度；系統(tǒng)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(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。

在“風電上網(wǎng)難”的關鍵時期，只要有人領先做出這個轉型，突破“一心只為上網(wǎng)”的思維模式，轉變到“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。