风⼒发电原理及风⼒发电的⼯艺流程
风⼒发原理及风⼒发电的⼯艺流程
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 Vestas V90 3.0 兆⽡风电机， Nordex N90 2.5 兆⽡风电机等等），甚⾄有些直径达 100 ⽶ ( 如 GE 3.6 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 RE Power 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 = 1/2 X 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 = 1/2 X 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
风能发电原理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：Danish Wind Industry Association ) 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 Vest as 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： Vestas V52-850 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。
发布评论