风能发电
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2023年2月12日发(作者：)风力发电原理及风力发电的工艺流程
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
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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。
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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)
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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。
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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。
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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。
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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
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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
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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
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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。
风能是可再生能源发展中最快的部分。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