有时很难将空气想象成一种流体。它只是看起来如此......隐形。但是空气和其他任何流体一样都是流体，只是它的粒子是气体形式而不是液体。当空气以风的形式快速移动时，这些粒子也在快速移动。运动意味着可以捕获的动能，就像 水电大坝 中的涡轮机可以捕获流动水中的能量一样。在 风电涡轮机 的情况下，涡轮机叶片设计用于捕获风中的动能。其余部分几乎与水力发电装置相同：当涡轮叶片捕获风能并开始移动时，它们会旋转从转子轮毂到发电机的轴。发电机将旋转能量转化为 电能 . 从本质上讲，风能发电就是将能量从一种介质转移到另一种介质。
风能一切始于太阳。当 加热一定面积的陆地时，该陆地块周围的空气会吸收一些热量。在一定温度下，较热的空气开始迅速上升，因为给定体积的热空气比等体积的较冷空气轻。运动较快（较热）的空气粒子比运动较慢的粒子施加更大的压力，因此在给定高度维持正常气压所需的空气更少（请参阅 热气球的工作原理 以了解有关空气温度和压力的更多信息）。当较轻的热空气突然上升时，较冷的空气会迅速流入以填补热空气留下的空隙。冲进来填补空隙的空气就是风。
如果你在风的路径上放置一个像转子叶片这样的物体，风会推动它，将它自己的一些运动能量转移到叶片上。这就是风力涡轮机从风中获取能量的方式。同样的事情也发生在帆船上。当移动的空气推动帆的屏障时，它会导致船移动。风把它自己的运动能量转移到了帆船上。
在下一节中，我们将了解风力涡轮机的不同部分。
风力涡轮机的零件
| 风能的历史早在公元前3000年，人们就在埃及以帆船的形式首次利用风能。帆捕捉风中的能量，将船拉过水面。最早用于碾磨谷物的风车出现在公元前 2000 年的古巴比伦或公元前 200 年的古波斯，这取决于你问谁。这些早期的设备由一根或多根垂直安装的木梁组成，木梁的底部是一块磨石，连接到一个随风转动的旋转轴上。利用风能碾磨谷物的概念在中东迅速传播，早在第一台风车出现在欧洲之前就已广泛使用。从公元 11 世纪开始，欧洲十字军将这一概念带回家，我们最熟悉的荷兰式风车诞生了。到 1930 年代，风能技术和应用的现代发展正在顺利进行，当时估计有 600，000 台风车为农村地区提供电力和抽水服务。一旦大范围的电力分配扩展到农场和乡村城镇，美国的风能使用开始减少，但在 1970 年代初期美国石油短缺之后再次回升。在过去的 30 年中，研发随着联邦政府的利益和税收优惠而波动。在 80 年代中期，风力涡轮机的典型最大额定功率为 150 kW。2006 年，商用、公用事业规模的涡轮机的额定功率通常超过 1 兆瓦，并且可提供高达 4 兆瓦的容量。 |
最简单的风能涡轮机由三个关键部分组成：
既然我们已经研究了一个简化的系统，我们将继续讨论您今天在风电场和农村后院看到的现代技术。它有点复杂，但基本原理是相同的。
现代风电技术
当您谈论现代风力涡轮机时，您会看到两种主要设计：水平轴和垂直轴。 垂直轴风力涡轮机 ( VAWT ) 非常罕见。目前唯一投入商业生产的是 Darrieus 涡轮机，它看起来有点像打蛋器。
| 照片由NREL（左）和Solwind Ltd提供垂直轴风力涡轮机（左：Darrieus 涡轮机） |
| 照片由NREL（左）和Solwind Ltd提供垂直轴风力涡轮机（左：Darrieus 涡轮机） |
| 照片由NREL（左）和Solwind Ltd提供垂直轴风力涡轮机（左：Darrieus 涡轮机） |
在 VAWT 中，轴安装在垂直于地面的垂直轴上。与水平轴对应物不同，VAWT 始终与风对齐，因此当风向变化时无需调整；但是 VAWT 无法自行开始移动——它需要从其电气系统中获得动力才能启动。它通常不使用塔架，而是使用拉线进行支撑，因此转子高度较低。由于地面干扰，较低的海拔意味着风速较慢，因此 VAWT 通常比 HAWT 效率低。从好的方面来说，所有设备都在地面上，便于安装和维修；但这意味着涡轮机的占地面积更大，这对农业地区来说是一个很大的负面影响。
| Darrieus 设计的 VAWT |
VAWT 可用于小型涡轮机和农村地区的抽水，但所有商业生产的公用事业级风力涡轮机都是 水平轴风力涡轮机 ( HAWT )。
| 图片由GNU提供；摄影师：Kit Conn加州风电场 |
| 图片由GNU提供；摄影师：Kit Conn加州风电场 |
| 图片由GNU提供；摄影师：Kit Conn加州风电场 |
顾名思义，HAWT 轴水平安装，与地面平行。HAWT 需要使用偏航调整机制不断地与风对齐。偏航系统通常由 电动机 和齿轮箱组成，它们以小增量向左或向右移动整个转子。涡轮机的电子控制器读取风向标设备（机械或电子）的位置，并调整转子的位置以捕获最多的可用风能。HAWT 使用塔架将涡轮机部件提升到风速的最佳高度（因此叶片可以清理地面）并占用非常少的地面空间，因为几乎所有部件都高达 260 英尺（80 米）。空气。
大型 HAWT 组件：
从开始到结束，风能发电的过程——并将电力输送给需要它的人——看起来是这样的：
涡轮空气动力学
与主要依靠风力推动叶片运动的老式荷兰风车设计不同，现代涡轮机使用更复杂的 空气动力学 原理来最有效地捕获风能。在风力涡轮机转子中起作用的两个主要气动力是 升力 ，其作用垂直于风流方向；和 阻力 ，其作用平行于风流方向。
涡轮叶片的形状很像 飞机 机翼——它们使用 翼型 设计。在翼型中，叶片的一个表面有些圆形，而另一个相对平坦。电梯是一个非常复杂的现象，实际上可能需要博士学位。在数学或物理方面完全掌握。但是在对升力的一种简化解释中，当风在叶片的圆形顺风面上行进时，它必须移动得更快才能及时到达叶片的末端，才能遇到在叶片平坦的逆风面上行进的风（朝向风吹的方向）。由于快速移动的空气倾向于在大气中上升，顺风弯曲的表面最终会在其上方形成一个低压袋。低压区域沿顺风方向吸入叶片，这种效应称为升力。在叶片的上风侧，风的移动速度变慢，并产生了一个更高的压力区域，推动叶片，试图减慢它的速度。就像在飞机机翼的设计中一样，高升阻比对于设计高效的涡轮叶片至关重要。涡轮叶片是扭曲的，因此它们始终可以呈现一个利用理想升阻比的角度。看 飞机如何工作 以了解有关升力、阻力和翼型空气动力学的更多信息。
空气动力学并不是创造有效风力涡轮机的唯一设计考虑因素。 尺寸 很重要——涡轮叶片越长（因此转子的直径越大），涡轮机可以从风中捕获的能量越多，发电能力就越大。一般来说，转子直径加倍会使能量输出增加四倍。然而，在某些情况下，在风速较低的地区，较小直径的转子最终会比较大的转子产生更多的能量，因为设置较小，旋转较小的发电机所需的风力较少，因此涡轮机几乎可以一直满负荷运行。 塔高 也是影响产能的一个主要因素。涡轮机越高，它可以捕获的能量就越多，因为风速随着海拔的增加而增加——地面摩擦和地面物体会中断风的流动。科学家估计，海拔每增加一倍，风速就会增加 12%。
计算功率
要计算涡轮机实际可以从风中产生的电量，您需要知道涡轮机站点的风速和涡轮机额定功率。大多数大型涡轮机以每秒 15 米（33 英里/小时）左右的风速产生最大功率。考虑到稳定的风速，转子的直径决定了涡轮机可以产生多少能量。请记住，随着转子直径的增加，塔的高度也会增加，这意味着更多地获得更快的风。
| 转子尺寸和最大功率输出 | |
| 转子直径（米） | 功率输出（千瓦） |
| 10 | 25 |
| 17 | 100 |
| 27 | 225 |
| 33 | 300 |
| 40 | 500 |
| 44 | 600 |
| 48 | 750 |
| 54 | 1000 |
| 64 | 1500 |
| 72 | 2000 |
| 80 | 2500 |
| 资料来源：丹麦风能工业协会、美国风能协会 |
大多数大型涡轮机以 33 英里/小时的速度产生额定功率，而在 45 英里/小时（每秒 20 米）时，大多数大型涡轮机都关闭。如果风速威胁到结构，有许多 安全系统可以关闭涡轮机，包括在一些涡轮机中使用的非常简单的振动传感器，它基本上由一个连接在链条上的金属球组成，固定在一个微小的基座上。 如果涡轮机开始振动超过某个阈值，球就会从基座上掉下来，拉动链条并触发停机。
涡轮机中最常激活的安全系统可能是 制动系统 ，它由高于阈值的风速触发。这些设置使用动力控制系统，当风速过高时，它基本上会踩刹车，然后在风速回到 45 英里/小时以下时松开刹车。现代大型涡轮机设计使用几种不同类型的制动系统：
（有关升力和静止的很好解释，请参见 Petester 的基本空气动力学。）
在全球范围内，至少有 50，000 台风力涡轮机每年生产总计 500 亿千瓦时 (kWh)。在下一节中，我们将研究风力资源的可用性以及风力涡轮机实际可以产生多少电力。
风电资源与经济
| 瓦？瓦特（W）——发电量1兆瓦（MW，100万瓦）的风力发电一年可发电240万至300万千瓦时。千瓦时(kWh) - 一小时内产生或消耗的一千瓦 (kW， 1，000 瓦) 电力请参阅电力工作原理以了解更多信息。 |
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| 瓦？瓦特（W）——发电量1兆瓦（MW，100万瓦）的风力发电一年可发电240万至300万千瓦时。千瓦时(kWh) - 一小时内产生或消耗的一千瓦 (kW， 1，000 瓦) 电力请参阅电力工作原理以了解更多信息。 |
在全球范围内，风力涡轮机目前的发电量大约相当于八座大型 核电站的发电量 。这不仅包括公用事业规模的涡轮机，还包括为个人家庭或企业发电的小型涡轮机（有时与光伏太阳能结合使用）。一个容量为 10 千瓦的小型涡轮机每年可产生高达 16，000 千瓦时的电力，而一个典型的美国家庭每年消耗约 10，000 千瓦时。
在理想条件下，典型的大型风力涡轮机可产生高达 1.8 兆瓦的电力，即每年 520 万千瓦时——足以为近 600 个家庭供电。尽管如此，核电厂和燃煤电厂的发电成本仍低于风力涡轮机。那么为什么要使用风能呢？使用风能发电的两个最大原因是最明显的：风能是 清洁 的，而且是 可再生 的。它不会像煤炭那样将二氧化碳和氮氧化物等有害气体释放到大气中（参见 全球变暖的作用原理） )，而且我们没有很快用完风的危险。还有与风能相关的独立性，因为任何国家都可以在没有外国支持的情况下在国内生产。风力涡轮机可以将电力输送到中央电网未提供服务的偏远地区。
但也有缺点。风力涡轮机不能像许多其他类型的发电厂一样始终以 100% 的功率运行，因为风速会波动。如果你住在风力发电厂附近，风力涡轮机可能会很吵，它们可能对鸟类和 蝙蝠有害 ，而在土地密集的沙漠地区，如果您挖掘地面安装涡轮机，则存在土地侵蚀的风险。此外，由于风是一种相对不可靠的能源，风力发电厂的运营商必须在风速减弱时使用少量可靠的不可再生能源来支持系统。一些人认为，使用不清洁能源来支持清洁能源的生产抵消了好处，但风能行业声称，维持风能系统稳定电力供应所需的不清洁能源数量太少，无法击败风力发电的好处
美国的风电使用情况
撇开潜在的不利因素不谈，美国安装了大量的风力涡轮机，2006 年的总发电量超过 9，000 兆瓦。该容量产生的电力约为 250 亿千瓦时，听起来很多，但实际上少于该国每年发电量的 1%。截至 2005 年，美国的发电量是这样分解的：
资料来源：美国风能协会
美国目前的总发电量每年约为 3.6 万亿千瓦时。风能产生远远超过该电力的 1% 的潜力。根据美国风能协会的估计，美国每年的风能潜力约为 10.8 万亿千瓦时——大约相当于 200 亿桶石油（目前全球每年的石油供应量）中的能量。为了使风能在给定区域可行，小型涡轮机的最低风速要求为 9 英里/小时（3 米/秒），大型涡轮机的最低风速为 13 英里/小时（6 米/秒）。这些风速在美国很常见，尽管其中大部分都没有受到利用。
谈到风力涡轮机，安置就是一切。了解一个地区的风量、风速以及这些风速持续多长时间是建设高效风电场的关键决定因素。风中的动能与风速成比例增加，因此风速的小幅增加实际上是功率潜力的大幅增加。一般的经验法则是，风速增加一倍，发电潜力增加八倍。因此，理论上，在平均风速为 26 mph 的地区，涡轮机的发电量实际上是平均风速为 13 mph 的涡轮机的 8 倍。这是理论上的，因为在现实世界的条件下，涡轮机可以从风中提取多少能量是有限度的。它被称为 Betz 极限，它 s 大约 59%。但是风速的小幅增加仍然会导致功率输出的显着增加。
风电场
照片由 通用电气公司提供 拉欣利风电场
与大多数其他电力生产领域一样，在从风能中获取能量时，效率非常重要。大型涡轮机组，称为 风电场 或风力发电厂，是最具成本效益的风能利用方式。最常见的公用事业规模风力涡轮机的功率容量在 700 KW 和 1.8 MW 之间，它们组合在一起以从可用的风力资源中获得最大的电力。它们通常在高风速的农村地区相距很远，而 HAWT 的占地面积小意味着土地的农业用途几乎不受影响。风电场的容量从几兆瓦到数百兆瓦不等。世界上最大的风力发电厂是位于爱尔兰海岸附近的 Raheenleagh 风力发电场。在满负荷运行（目前以部分产能运行）时，它将拥有 200 台涡轮机，总额定功率为 520 兆瓦，建造成本近 6 亿美元。
由于涡轮机生产和安装方面的技术和设计进步，公用事业规模风力发电的成本在过去二十年中大幅下降。在 1980 年代初期，风力发电成本约为每千瓦时 30 美分。2006 年，风力发电成本仅为每千瓦时 3 至 5 美分，而在风力特别丰富的地区。在给定的涡轮机区域内，随着时间的推移，风速越高，涡轮机产生的电力成本就越低。平均而言，美国的风电成本约为每千瓦时 4 至 10 美分。
| 能源成本比较 | |
| 资源类型 | 平均成本（美分/千瓦时） |
| 水电 | 2-5 |
| 核 | 3-4 |
| 煤炭 | 4-5 |
| 天然气 | 4-5 |
| 风 | 4-10 |
| 地热 | 5-8 |
| 生物质 | 8-12 |
| 氢燃料电池 | 10-15 |
| 太阳的 | 15-32 |
| 资料来源：美国风能协会、Wind 博客、斯坦福地球科学学院 |
许多大型能源公司提供 绿色定价 让客户每千瓦时支付更多费用来使用风能的计划，而不是来自系统电力的能源，这是该地区生产的所有电力的池，可再生和不可再生。如果您选择购买风能和您住在风电场附近，您家中使用的电力实际上可能是风力发电的；通常，您支付的更高价格用于支持风能的成本，但您家中使用的电力仍然来自系统电力。在能源市场放松管制的州，消费者可以直接从可再生能源供应商处购买绿色电力，在这种情况下，他们家中使用的电力肯定来自风能或其他可再生能源。
为您自己的需求实施小型风力涡轮机系统是保证您使用的能源是清洁和可再生能源的一种方式。住宅或商业涡轮机的安装成本从 5，000 美元到 80，000 美元不等。大规模设置的成本要高得多。一台 1.8 兆瓦的涡轮机安装成本最高可达 150 万美元，这还不包括与风力发电系统相关的土地、输电线路和其他基础设施成本。总体而言，风电场的成本为每千瓦容量 1，000 美元，因此由七台 1.8 兆瓦涡轮机组成的风电场运行成本约为 1，260 万美元。根据美国风能协会的数据，大型风力涡轮机的回报时间——产生足够电力以弥补建造和安装涡轮机所消耗的能量所需的时间——约为三到八个月。
政府奖励
政府对大型和小型生产商的激励措施有助于提高风力发电系统的经济可行性。目前针对可再生能源系统的经济激励计划中只有一些包括：
| 图片由NREL（左）和stock.xchng 提供住宅风力涡轮机（左）和公用事业级风力涡轮机 |
| 图片由NREL（左）和stock.xchng 提供住宅风力涡轮机（左）和公用事业级风力涡轮机 |
| 图片由NREL（左）和stock.xchng 提供住宅风力涡轮机（左）和公用事业级风力涡轮机 |
虽然风能仍然得到政府的补贴，但它目前是一种有竞争力的产品，而且在大多数人看来，它可以作为一种可行的能源独立存在。美国能源部科学技术实验室巴特尔太平洋西北实验室估计，仅基于风力资源，风力发电就能够提供美国 20% 的电力。美国风能协会将这个数字定为理论上的 100%。无论哪种估计是正确的，美国可能不会很快看到这些百分比。美国风能协会预计，到 2020 年，风能将提供美国全部电力的 6%。虽然就绝对瓦数而言，美国拥有世界上最大的风力发电基地之一，百分比，它落后于其他发达国家。英国的既定目标是到 2010 年达到 10% 的风力发电。德国目前 8% 的电力来自风能，西班牙为 6%。丹麦是清洁能源消费的世界领先者，其 20% 以上的电力来自风能。
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