1.原理

     把風的動能轉變成機械動能，再把機械能轉化為電力動能，這就是風力發電。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風車技術，大約是每秒三米的微風速度（微風的程度），便可以開始發電。 風力發電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發電不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染。

    

2.風力發電裝置組成

     風力發電所需要的裝置，稱作風力發電機組。這種風力發電機組，大體上可分風輪(包括尾舵)、發電機和鐵塔三部分。（大型風力發電站基本上沒有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才會擁有尾舵）

2.1 風輪

風輪是把風的動能轉變為機械能的重要部件，它由兩只(或更多只)螺旋槳形的葉輪組成。當風吹向漿葉時，槳葉上產生氣動力驅動風輪轉動。槳葉的材料要求強度高、重量輕，目前多用玻璃鋼或其它復合材料(如碳纖維)來制造。（現在還有一些垂直風輪，s型旋轉葉片等，其作用也與常規螺旋槳型葉片相同）

由于風輪的轉速比較低，而且風力的大小和方向經常變化著，這又使轉速不穩定；所以，在帶動發電機之前，還必須附加一個把轉速提高到發電機額定轉速的齒輪變速箱，再加一個調速機構使轉速保持穩定，然后再聯接到發電機上。為保持風輪始終對準風向以獲得最大的功率，還需在風輪的后面裝一個類似風向標的尾舵。

2.2 鐵塔

鐵塔是支承風輪、尾舵和發電機的構架。它一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風力，又要有足夠的強度。鐵塔高度視地面障礙物對風速影響的情況，以及風輪的直徑大小而定，一般在6-20米范圍內。

2.3 發電機

     發電機的作用，是把由風輪得到的恒定轉速，通過升速傳遞給發電機構均勻運轉，因而把機械能轉變為電能。

1.風電機群

2.集電部分

3.升壓變電站(陸上可能多于一級升壓，海上可能有集控中心)

升壓變壓器

無功補償裝置（電容器、電抗器、靜止無功補償裝置、濾波器）

4.風電場管理系統

    

由風電機群組成的風電場A、升壓變電站B和輸電線路L組成的并網型風力發電系統，是將風電電力通過PCC節點送入電力網絡，再供給用戶。PCC節點是風電場與電網的連接點，又稱公共連接點。通常在升壓變電站出口第一個電桿位置，有時也可設置在線路的末端。

    4.1結構

  它通常由風輪（含葉片、輪轂等）、傳動系統（主軸、主軸承、齒輪箱和連接軸、機械剎車）、偏航系統、電氣系統（發電機、控制系統、電容補償柜和變壓器）和機艙等組成。

    4.2原理

首先通過風輪把風能轉換為機械能，進而借助于發電機再把機械能轉化為電能。由于風輪的轉速一般比較低（每分鐘幾轉到數十轉），而發電機的轉速通常很高（一般每分鐘超過1000轉），因此需要通過齒輪箱變速。 

  

  4.3 組成部件

由槳葉，輪轂，主軸，槳距調節機構（電動伺服機構），偏航機構（電動伺服機構），剎車、制動機構，風速傳感器，發電機，并網開關，軟并網裝置，變頻器，控制系統，無功補償設備主變壓器，轉速傳感器組成。

5、風電機組用異步機的特性曲線

 

 

    異步機在超同步狀態下（發電機）與次同步狀態下（電動機）的電磁轉矩是反向的；無功功率無論在超同步還是次同步狀態隨著轉差絕對值的增加而增加，輸出的有功功率越大、轉速越高時，其吸收的無功功率就越大。

6、空氣動力學模型與軸系模型

 6.1空氣動力學模型

   

 

 

槳距角控制：

 

    要保持最優葉尖速比，需根據風速變化調節風電機組的轉速，因此，只有變速運行才能保證風力機捕獲的風能最大、效率最高。

V R / ω λ=　　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 = 1/2 X 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 = 1/2 X 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 ， 并 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 采 用 空 氣 動 力 學 原 理 ， 就 像 飛 機 的 機 翼 一 樣 。 風 并 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 并 不 斷 橫 切 風 流 。

　　風 力 發 電 機 的 風 輪 并 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 桿 。 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 ， 并 安 裝 在 直 立 管 狀 塔 桿 上 。

 

( 上 圖 來 源 ： Danish Wind Industry Association )

　　風 輪 葉 片 由 復 合 材 料 制 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 采 用 固 定 速 度 的 。 通 常 采 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 ： Vestas V52-850 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 并 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 采 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 占 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 、 復 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 臺 風 電 機 ， 或 者 由 多 臺 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 ， 并 於 2006 年 二 月 正 式 啟 用 。 該 機 額 定 輸 出 功 率 為 800 千 瓦 。

　　風 能 是 可 再 生 能 源 發 展 中 最 快 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 。