风力发电原理
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2023年2月12日发(作者：)风力发电机工作原理
风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种
源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。相对柴油发电
但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提
发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），
发电。
风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发
很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力
电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要
能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而
风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，
割磁力线产生电能。
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整
电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把
学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相
传递到发电机的传动轴此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收
向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风
过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型
风力发电机工作原理简单的说是：风的动能（即空气的动能）转化成发电机转子的动能，转子的动能又转
化成电能。
风力发电机工作原理是利用风能可再生能源的部分。由1995年到2005年之间的年
增长率为28.5％。根据德国风能会（DEWI）的估计，风能发电的年增长
率将保持高增长率，在2012年或之前全球风力发电装机容量可能达到150
千兆瓦。
发电风力发电机最初出现在十九世纪末。自二十世纪八十年代起，这项
技术不断发展并日渐成熟，适合工业应用。近二三十年，典型的风力发
电机的风轮直径不断增大，而额定功率也不断提升。
在二十一世纪00年代初，风力发电机最具经济效益的额定输出功率范围
在600千瓦至750千瓦之间，而风轮直径则在40米至47米之间。当时所有
制造商都有生产这类风力发电机。新一代的兆瓦级风力发电机是以这类
机种作为基础发展出来的。
二零零七年初，有一些制造商开始生产额定功率为几兆瓦而风轮直径达
到约90米的风力发电机（例如VestasV903.0兆瓦风电机，NordexN902.5兆
瓦风电机等等），甚至有些直径达100米(如GE3.6兆瓦风电机)。这些大
型风力发电机主要市场是欧洲。在欧洲，适合风电的地段日渐减少，
因此有逼切性安装发电能力尽量高的风力发电机。
另一类更大型的为海上应用而设计的风力发电机，已经完成设计并制成
原型机。例如REPower公司设计的风力发电机风轮直径达126米，功率达
5兆瓦。
1)风的功率
风的能量指的是风的动能。特定质量的空气的动能可以用下列公式计算
。
能量=1/2X质量X(速度)^2
吹过特定面积的风的的功率可以用下列公式计算。
功率=1/2X空气密度X面积X(速度)^3
其中，
功率单位为瓦特；
空气密度单位为千克/立方米；
面积指气流横截面积，单位为平方米；
速度单位为米/秒。
在海平面高度和摄氏15度的条件下，乾空气密度为1.225千克/立方米。
空气密度随气压和温度而变。随著高度的升高，空气密度也会下降。
於上述公式中可以看出，风的功率与速度的三次方〔立方〕成正比，并
与风轮扫掠面积成正比。不过实际上，风轮只能提取风的能量中的一部
分，而非全部。
2)风力发电机的工作原理
现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非\"
推\"动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产
生升力，令风轮旋转并不断横切风流。
风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。根据Betz定律，理论上风
电机能够提取的最大功率，是风的功率的59.6%。大多数风电机只能提取
风的功率的40%或者更少。
风力发电机主要包含三部分∶风轮、机舱和塔杆。大型与电网接驳的风
力发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔
杆上。
(上图来源：DanishWindIndustryAssociation)
风轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转
动相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度的。通常采用两个不
同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。这些定速风电机的感应
式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。
比较新型的设计一般是可变速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦风电机转
速为每分钟14转到每分钟31.4转）。利用可变速操作，风轮的空气动力
效率可以得到改善，从而提取更多的能量，而且在弱风情况下噪音更低。
因此，变速的风电机设计比起定速风电机，越来越受欢迎。
机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风轮自动转
向，面向来风。
风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机（如果没有齿轮
变速箱则直接传送到发电机）。在风电工业中，配有变速箱的风力发电
机是很普遍的。不过，为风电机而设计的多极直接驱动式发电机，也有
显著的发展。
设於塔底的变压器（或者有些设於机舱内）可提升发电机的电压到配电
网电压（香港的情况为11千伏）。
所有风力发电机的功率输出是随著风力而变的。强风下最常见的两种限
制功率输出的方法（从而限制风轮所承受压力）是失速调节和斜角调节。
使用失速调节的风电机，超过额定风速的强风会导致通过业片的气流
产生扰流，令风轮失速。当风力过强时，业片尾部制动装置会动作，令
风轮剎车。使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，
叶片角度随著风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。当风力
过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令风轮剎车。
叶片中嵌入了避雷条，当叶片遭到雷击时，可将闪电中的电流引导到地
下去。
上图：VestasV52-850千瓦风力发电机机舱内的组成部份
(来源：Vestas)
3)风力发电机的功率曲线
在风速很低的时候，风电机风轮会保持不动。当到达切入风速时（通常
每秒3到4米），风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。随著风力越来
越强，输出功率会增加。当风速达到额定风速时，风电机会输出其额定
功率。之後输出功率会保留大致不变。当风速进一步增加，达到切出风
速的时候，风电机会剎车，不再输出功率，为免受损。
风力发电机的性能可以用功率曲线来表达。功率曲线是用作显示在不同
风速下（切入风速到切出风速）风电机的输出功率。
上图：V52-850千瓦风力发电机於不同噪音级别下的工作曲线(噪音级别
可透过改变风力发电机的转速而改变)
(来源：Vestas)
为特定地点选取合适的风力发电机，一般方法是采用风电机的功率曲线
和该地点的风力资料以进行产电量估算。。（在大型风力发电机-资源
潜力部分有更多相关资讯）
4)风力发电机的额定输出功率
风力发电机的额定输出功率是配合特定的额定风速设而定的。由於能量
与风速的立方成正比，因此，风力发电机的功率会随风速变化会很大。
同样构造和风轮直径的风电机可以配以不同大小的发电机。因此两座同
样构造和风轮直径的风电机可能有相当不同的额定输出功率值，这取决
於它的设计是配合强风地带（配较大型发电机）或弱风地带（配较小型
发电机）。
5)风力发电机的主要种类
横轴风力发电机和竖轴风力发电机
根据叶片固定轴的方位，风力发电机可以分为横轴和竖轴两类。横轴式
风电机工作时转轴方向与风向一致，竖轴式风电机转轴方向与风向成直
角。
横轴式风电机通常需要不停地变向以保持与风向一致。而竖轴式风电机
则不必如此，因为它可以收集不同来向的风能。
横轴式风电机在世界上占主流位置。
逆风风力发电机和顺风风力发电机
逆风风电机是一种风轮面向来风的横轴式风电机。而对於顺风风电机，
来风是从风轮的背後吹来。大多数的风力发电机是逆风式的。
单叶片、双叶片和三叶片风力发电机
叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、
噪音、美学要求等等。大型风力发电机可由1、2或者3片叶片构成。
叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量，因此噪
音比较大。而如果叶片太多，它们之间会相互作用而降低系统效率。目
前3叶片风电机是主流。从美学角度上看，3叶片的风电机看上去较为
平衡和美观。
6)岸上风电场
岸上风电系统可以是仅有一台风电机，或者由多台风电机器线性排列或
方阵排列形成风电场。
风电场的风力发电机相互之间需要有足够的距离，以免造成过强的湍流
相互影响，或由於\"尾流效应\"而严重减低後排风电机的功率输出。
为了配合运送大型设备（特别是叶片）到安装现场，须要建设道路。另
外亦须要建设输电线，把风电场的输出连接到电网接入点。
7)世界各地的风力发电装置
到2005年底，世界总风力发电装机容量达58千兆瓦。德国、西班牙、美
国、印度和丹麦是以风力发电装机容量来算前几名的国家。在丹麦，风
能发电提供该国总用电量的20％。香港第一台大型风力发电机是由香港
电灯集团於2005年末安装在南丫岛上，并於2006年二月正式启用。该机
额定输出功率为800千瓦。
以上详细的介绍了风力发电机工作原理及相关风力发电机知识，如果想了解更多关于风力发电原理知识，
请关注风力发电网其它内容。
风能资源是清洁的可再生能源，安全、清洁、资源丰富，取之不竭，是一种永久性的大量存在的本地资源，
可为我们提供长期稳定的能源供应。风力发电是新能源领域中技术最成熟、最具规模、开发商业化发展前
景的发电方式之一。发展风电对于保障能源安全，调整能源结构，减轻环境污染，实现可持续发展等都具
有非常重要的意义。
风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发
电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公里的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在
世界上形成一般热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等
国家很流行，我国也在西部地区大力提倡，小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成
的，而是一个有一定科技含量的小系统；风力发电机+充电器+数字逆变器，风力发电机由机头、转体、尾
翼、叶片组成，每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片
始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的
转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13-25V变化的
交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电。使风力发电机产生的电能变成化学能，然后用有保护电路的
逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。通常人们认为风力发电的功率
完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的，目前的风力发电机只是
给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的
大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因
为，它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量，当无风时人们
还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台220W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合作用，
获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用
的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元充电瓶液的代价。由于现在技术的进
步，均采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常
的市电，山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯，高速公路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以
在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源，家庭用风力发电
机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣，在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力
发电机正在成为人们的采购热点，无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务。使人们
看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。
另外，大型发电风电场址的确定，一般需要达到两个要求：一是场址的风能资源比较丰富，年平均风
速在6米/s以上，年平均有效风功率密度大于200米/m2，年有效风速小时数（3-25m/s）不小于5000小
时。二是场地面积需达到一定的规模，以便有足够的场地布置风机。
（中国风力发电网综合）
风力发电机工作原理
风力发电机工作原理简单的说是：风的动能（即空气的动能）转化成发电机转子的动能，转
子的动能又转化成电能。
风力发电机工作原理是利用风能可再生能源的部分。由1995年到2005
年之间的年增长率为28.5％。根据德国风能会（DEWI）的估
计，风能发电的年增长率将保持高增长率，在2012年或之前全
球风力发电装机容量可能达到150千兆瓦。
发电风力发电机最初出现在十九世纪末。自二十世纪八十年代
起，这项技术不断发展并日渐成熟，适合工业应用。近二三十
年，典型的风力发电机的风轮直径不断增大，而额定功率也不
断提升。
在二十一世纪00年代初，风力发电机最具经济效益的额定输
出功率范围在600千瓦至750千瓦之间，而风轮直径则在40米
至47米之间。当时所有制造商都有生产这类风力发电机。新一
代的兆瓦级风力发电机是以这类机种作为基础发展出来的。
二零零七年初，有一些制造商开始生产额定功率为几兆瓦而风
轮直径达到约90米的风力发电机（例如VestasV903.0兆瓦风电
机，NordexN902.5兆瓦风电机等等），甚至有些直径达100米
(如GE3.6兆瓦风电机)。这些大型风力发电机主要市场是欧
洲。在欧洲，适合风电的地段日渐减少，因此有逼切性安装发
电能力尽量高的风力发电机。
另一类更大型的为海上应用而设计的风力发电机，已经完成设
计并制成原型机。例如REPower公司设计的风力发电机风轮直
径达126米，功率达5兆瓦。
1)风的功率
风的能量指的是风的动能。特定质量的空气的动能可以用下列
公式计算。
能量=1/2X质量X(速度)^2
吹过特定面积的风的的功率可以用下列公式计算。
功率=1/2X空气密度X面积X(速度)^3
其中，
功率单位为瓦特；
空气密度单位为千克/立方米；
面积指气流横截面积，单位为平方米；
速度单位为米/秒。
在海平面高度和摄氏15度的条件下，乾空气密度为1.225千克
/立方米。空气密度随气压和温度而变。随著高度的升高，空气
密度也会下降。
於上述公式中可以看出，风的功率与速度的三次方〔立方〕成
正比，并与风轮扫掠面积成正比。不过实际上，风轮只能提取
风的能量中的一部分，而非全部。
2)风力发电机的工作原理
现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。
风并非\"推\"动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压
差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。
风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。根据Betz定律，
理论上风电机能够提取的最大功率，是风的功率的59.6%。大
多数风电机只能提取风的功率的40%或者更少。
风力发电机主要包含三部分∶风轮、机舱和塔杆。大型与电网
接驳的风力发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮，并
安装在直立管状塔杆上。
(上图来源：DanishWindIndustryAssociation)
风轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机，大型风电机
的风轮转动相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度
的。通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用
高速。这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电
网频率的交流电。
比较新型的设计一般是可变速的（比如Vestas公司的V52-850千
瓦风电机转速为每分钟14转到每分钟31.4转）。利用可变速操
作，风轮的空气动力效率可以得到改善，从而提取更多的能
量，而且在弱风情况下噪音更低。因此，变速的风电机设计比
起定速风电机，越来越受欢迎。
机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风
轮自动转向，面向来风。
风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机（如果
没有齿轮变速箱则直接传送到发电机）。在风电工业中，配有
变速箱的风力发电机是很普遍的。不过，为风电机而设计的多
极直接驱动式发电机，也有显著的发展。
设於塔底的变压器（或者有些设於机舱内）可提升发电机的电
压到配电网电压（香港的情况为11千伏）。
所有风力发电机的功率输出是随著风力而变的。强风下最常见
的两种限制功率输出的方法（从而限制风轮所承受压力）是失
速调节和斜角调节。使用失速调节的风电机，超过额定风速的
强风会导致通过业片的气流产生扰流，令风轮失速。当风力过
强时，业片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。使用斜角调节
的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随著风
速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。当风力过强
时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令风轮剎车。
叶片中嵌入了避雷条，当叶片遭到雷击时，可将闪电中的电流
引导到地下去。
上图：VestasV52-850千瓦风力发电机机舱内的组成部份
(来源：Vestas)
3)风力发电机的功率曲线
在风速很低的时候，风电机风轮会保持不动。当到达切入风速
时（通常每秒3到4米），风轮开始旋转并牵引发电机开始发
电。随著风力越来越强，输出功率会增加。当风速达到额定风
速时，风电机会输出其额定功率。之後输出功率会保留大致不
变。当风速进一步增加，达到切出风速的时候，风电机会剎车，
不再输出功率，为免受损。
风力发电机的性能可以用功率曲线来表达。功率曲线是用作显
示在不同风速下（切入风速到切出风速）风电机的输出功率。
上图：V52-850千瓦风力发电机於不同噪音级别下的工作曲线
(噪音级别可透过改变风力发电机的转速而改变)
(来源：Vestas)
为特定地点选取合适的风力发电机，一般方法是采用风电机的
功率曲线和该地点的风力资料以进行产电量估算。。（在大型
风力发电机-资源潜力部分有更多相关资讯）
4)风力发电机的额定输出功率
风力发电机的额定输出功率是配合特定的额定风速设而定的。
由於能量与风速的立方成正比，因此，风力发电机的功率会随
风速变化会很大。
同样构造和风轮直径的风电机可以配以不同大小的发电机。因
此两座同样构造和风轮直径的风电机可能有相当不同的额定
输出功率值，这取决於它的设计是配合强风地带（配较大型发
电机）或弱风地带（配较小型发电机）。
5)风力发电机的主要种类
横轴风力发电机和竖轴风力发电机
根据叶片固定轴的方位，风力发电机可以分为横轴和竖轴两
类。横轴式风电机工作时转轴方向与风向一致，竖轴式风电机
转轴方向与风向成直角。
横轴式风电机通常需要不停地变向以保持与风向一致。而竖轴
式风电机则不必如此，因为它可以收集不同来向的风能。
横轴式风电机在世界上占主流位置。
逆风风力发电机和顺风风力发电机
逆风风电机是一种风轮面向来风的横轴式风电机。而对於顺风
风电机，来风是从风轮的背後吹来。大多数的风力发电机是逆
风式的。
单叶片、双叶片和三叶片风力发电机
叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂
度、成本、噪音、美学要求等等。大型风力发电机可由1、2或
者3片叶片构成。
叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能
量，因此噪音比较大。而如果叶片太多，它们之间会相互作用
而降低系统效率。目前3叶片风电机是主流。从美学角度上
看，3叶片的风电机看上去较为平衡和美观。
6)岸上风电场
岸上风电系统可以是仅有一台风电机，或者由多台风电机器线
性排列或方阵排列形成风电场。
风电场的风力发电机相互之间需要有足够的距离，以免造成过
强的湍流相互影响，或由於\"尾流效应\"而严重减低後排风电
机的功率输出。
为了配合运送大型设备（特别是叶片）到安装现场，须要建设
道路。另外亦须要建设输电线，把风电场的输出连接到电网接
入点。
7)世界各地的风力发电装置
到2005年底，世界总风力发电装机容量达58千兆瓦。德国、西
班牙、美国、印度和丹麦是以风力发电装机容量来算前几名的
国家。在丹麦，风能发电提供该国总用电量的20％。香港第一
台大型风力发电机是由香港电灯集团於2005年末安装在南丫
岛上，并於2006年二月正式启用。该机额定输出功率为800千
瓦。
以上详细的介绍了风力发电机工作原理及相关风力发电机知识，如果想了解更多关于风力发
电原理知识，请关注风力发电网其它内容。