風力發電機工作原理

沃爾夫線纜：風力發電機工作原理簡單的說是：風的動能（即空氣的動能）轉化成發電機轉子的動能，轉子的動能又轉化成電能。

風力發電機工作原理是利用風能可再生能源的部分。由1995年到2005年之間的年增長率為28.5％。根據德國風能會（DEWI）的估計，風能發電的年增長率將保持高增長率，在2012年或之前全球風力發電裝機容量可能達到150千兆瓦。

發電風力發電機最初出現在十九世紀末。自二十世紀八十年代起，這項技術不斷發展並日漸成熟，適合工業應用。近二三十年，典型的風力發電機的風輪直徑不斷增大，而額定功率也不斷提升。

在二十一世紀00年代初，風力發電機最具經濟效益的額定輸出功率範圍在600千瓦至750千瓦之間，而風輪直徑則在40米至47米之間。當時所有製造商都有生產這類風力發電機。新一代的兆瓦級風力發電機是以這類機種作為基礎發展出來的。

二零零七年初，有一些製造商開始生產額定功率為幾兆瓦而風輪直徑達到約90米的風力發電機（例如VestasV903.0兆瓦風電機，NordexN902.5兆瓦風電機等等），甚至有些直徑達100米(如GE3.6兆瓦風電機)。這些大型風力發電機主要市場是歐洲。在歐洲，適合風電的地段日漸減少，因此有逼切性安裝發電能力儘量高的風力發電機。

另一類更大型的為海上應用而設計的風力發電機，已經完成設計並製成原型機。例如REPower公司設計的風力發電機風輪直徑達126米，功率達5兆瓦。

1)風的功率

風的能量指的是風的動能。特定質量的空氣的動能可以用下列公式計算。

能量=1/2X質量X(速度)^2

吹過特定面積的風的的功率可以用下列公式計算。

功率=1/2X空氣密度X面積X(速度)^3

其中，

功率單位為瓦特；

空氣密度單位為千克/立方米；

面積指氣流橫截面積，單位為平方米；

速度單位為米/秒。

在海平面高度和攝氏15度的條件下，乾空氣密度為1.225千克/立方米。空氣密度隨氣壓和溫度而變。隨著高度的升高，空氣密度也會下降。

於上述公式中可以看出，風的功率與速度的三次方〔立方〕成正比，並與風輪掃掠面積成正比。不過實際上，風輪只能提取風的能量中的一部分，而非全部。

2)風力發電機的工作原理

現代風力發電機採用空氣動力學原理，就像飛機的機翼一樣。風並非"推"動風輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會產生升力，令風輪旋轉並不斷橫切風流。

風力發電機的風輪並不能提取風的所有功率。根據Betz定律，理論上風電機能夠提取的最大功率，是風的功率的59.6%。大多數風電機只能提取風的功率的40%或者更少。

風力發電機主要包含三部分∶風輪、機艙和塔杆。大型與電網接駁的風力發電機的最常見的結 構，是橫軸式三葉片風輪，並安裝在直立管狀塔杆上。

(上圖來源：DanishWindIndustryAssociation)

風輪葉片由複合材料製造。不像小型風力發電機，大型風電機的風輪轉動相當慢。比較簡單的風力發電機是採用固定速度的。通常採用兩個不同的速度-在弱風下用低速和在強風下用高速。這些定速風電機的感應式異步發電機能夠直接發產生電網頻率的交流電。

比較新型的設計一般是可變速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦風電機轉速為每分鐘14轉到每分鐘31.4轉）。利用可變速操作，風輪的空氣動力效率可以得到改善，從而提取更多的能量，而且在弱風情況下噪音更低。因此，變速的風電機設計比起定速風電機，越來越受歡迎。

機艙上安裝的感測器探測風向，透過轉向機械裝置令機艙和風輪自動轉向，面向來風。

風輪的旋轉運動通過齒輪變速箱傳送到機艙內的發電機（如果沒有齒輪變速箱則直接傳送到發電機）。在風電工業中，配有變速箱的風力發電機是很普遍的。不過，為風電機而設計的多極直接驅動式發電機，也有顯著的發展。

設於塔底的變壓器（或者有些設於機艙內）可提升發電機的電壓到配電網電壓（香港的情況為11千伏）。

所有風力發電機的功率輸出是隨著風力而變的。強風下最常見的兩種限制功率輸出的方法（從而限制風輪所承受壓力）是失速調節和斜角調節。使用失速調節的風電機，超過額定風速的強風會導致通過業片的氣流產生擾流，令風輪失速。當風力過強時，業片尾部制動裝置會動作，令風輪剎車。使用斜角調節的風電機，每片葉片能夠以縱向為軸而旋轉，葉片角度隨著風速不同而轉變，從而改變風輪的空氣動力性能。當風力過強時，葉片轉動至迎氣邊緣面向來風，從而令風輪剎車。

葉片中嵌入了避雷條，當葉片遭到雷擊時，可將閃電中的電流引導到地下去。

上圖：VestasV52-850千瓦風力發電機機艙內的組成部份

(來源：Vestas)

3)風力發電機的功率曲線

在風速很低的時候，風電機風輪會保持不動。當到達切入風速時（通常每秒3到4米），風輪開始旋轉並牽引發電機開始發電。隨著風力越來越強，輸出功率會增加。當風速達到額定風速時，風電機會輸出其額定功率。之後輸出功率會保留大致不變。當風速進一步增加，達到切出風速的時候，風電機會剎車，不再輸出功率，為免受損。

風力發電機的性能可以用功率曲線來表達。功率曲線是用作顯示在不同風速下（切入風速到切出風速）風電機的輸出功率。

上圖：V52-850千瓦風力發電機於不同噪音級別下的工作曲線(噪音級別可透 過改變風力發電機的轉速而改變)

(來源：Vestas)

為特定地點選取合適的風力發電機，一般方法是採用風電機的功率曲線和該地點的風力資料以進行產電量估算。。（在大型風力發電機-資源潛力部分有更多相關資訊）

4)風力發電機的額定輸出功率

風力發電機的額定輸出功率是配合特定的額定風速設而定的。由於能量與風速的立方成正比，因此，風力發電機的功率會隨風速變化會很大。

同樣構造和風輪直徑的風電機可以配以不同大小的發電機。因此兩座同樣構造和風輪直徑的風電機可能有相當不同的額定輸出功率值，這取決於它的設計是配合強風地帶（配較大型發電機）或弱風地帶（配較小型發電機）。

5)風力發電機的主要種類

橫軸風力發電機和豎軸風力發電機

根據葉片固定軸的方位，風力發電機可以分為橫軸和豎軸兩類。橫軸式風電機工作時轉軸方向與風向一致，豎軸式風電機轉軸方向與風向成直角。

橫軸式風電機通常需要不停地變向以保持與風向一致。而豎軸式風電機則不必如此，因為它可以收集不同來向的風能。

橫軸式風電機在世界上佔主流位置。

逆風風力發電機和順風風力發電機

逆風風電機是一種風輪面向來風的橫軸式風電機。而對於順風風電機，來風是從風輪的背後吹來。大多數的風力發電機是逆風式的。

單葉片、雙葉片和三葉片風力發電機

葉片的數目由很多因素決定，其中包括空氣動力效率、複雜度、成本、噪音、美學要求等等。大型風力發電機可由1、2或者3片葉片構成。

葉片較少的風力發電機通常需要更高的轉速以提取風中的能量，因此噪音比較大。而如果葉片太多，它們之間會相互作用而降低系統效率。目前3葉片風電機是主流。從美學角度上看，3葉片的風電機看上去較為平衡和美觀。

6)岸上風電場

岸上風電系統可以是僅有一颱風電機，或者由多颱風電機器線性排列或方陣排列形成風電場。

風電場的風力發電機相互之間需要有足夠的距離，以免造成過強的湍流相互影響，或由於"尾流效應"而嚴重減低後排風電機的功率輸出。

為了配合運送大型設備（特別是葉片）到安裝現場，須要建設道路。另外亦須要建設輸電線，把風電場的輸出連接到電網接入點。

7)世界各地的風力發電裝置

到2005年底，世界總風力發電裝機容量達58千兆瓦。德國、西班牙、美國、印度和丹麥是以風力發電裝機容量來算前幾名的國家。在丹麥，風能發電提供該國總用電量的20％。香港第一臺大型風力發電機是由香港電燈集團於2005年末 安裝在南丫島上，並於2006年二月正式啟用。該機額定輸出功率為800千瓦。