风力发电机说到底是一台让空气减速的机器。它送进电网的每一度电（kWh），最初都是风机上游那股风里的动能。叶片多长、塔架多高、翼型怎样扭转、风轮怎样转向和制动，每一项设计决定都只为一件事：用尽量低的成本，尽量多地提取这部分能量，并且 25–30 年不出故障。这篇指南依次讲清楚背后的物理原理、风机的主要部件和控制系统，并告诉你怎样估算某一台风机在某个具体场址上一年能发多少电。
流动空气中的能量
风垂直穿过一块迎风面积时，所携带的功率为：
公式里起决定作用的是两项。扫风面积（swept area）随叶片长度的平方增长，风轮直径翻一倍，捕获的能量就变成四倍。风速以三次方进入公式：平均风速 7 m/s 的场址，风中功率约是平均风速 5.25 m/s 场址的 2.4 倍，而不是 1.33 倍。这条立方定律解释了三件事：选址为什么这么敏感，塔架为什么越建越高，实测风速的一点小误差为什么会变成发电量预测的大误差。
空气密度的影响要小一些，但也不能忽略。海拔每升高 100 m，密度大约下降 1%；天冷时密度上升。所以在同样的风速下，同一台风机在寒冷的冬日会比在炎热的夏日发电略多一些。
贝茨极限：为什么不可能全部捕获
假如风机拿走全部动能，它身后的空气就会完全停住，把后面的气流堵死；假如一点都不拿，空气就会径直穿过风轮，什么也留不下。所以最佳结果一定在两者之间。1920 年，Albert Betz 用一套简单的动量分析证明，理想的开放式风轮最多只能提取 16/27 的能量，约 59.3%。达到这个值的条件是：远处下游的风速降到上游风速的三分之一。
风轮实际功率与风中功率之比，叫作功率系数（power coefficient）C_p。真实的三叶片风轮 C_p 峰值约为 0.45–0.50，约为贝茨极限的 80%。其余的能量损失在叶尖涡（tip vortices）、翼型阻力、尾流旋转（wake rotation）和轮毂上。齿轮箱、发电机和变流器的损耗加起来再占 5–10%，所以在最佳工作点，从风到电网的总效率约为 40–45%。
叶片怎样提取能量
现代叶片的工作方式更像飞机机翼，而不是船帆。空气流过弯曲的翼型，会产生与叶片所感受到的视在风（apparent wind，也叫相对风）方向垂直的升力（lift），以及沿视在风方向、较小的阻力（drag）。叶片本身在运动，所以视在风是真实风和叶片自身运动的合成。在大型风轮的叶尖处，叶片以 70–90 m/s 的速度运动，而风速也许只有 10 m/s，所以视在风几乎是正对着叶片前缘、贴着翼面吹来的。
这一点从两个方面决定了叶片的设计：
- **扭转（twist）。**叶尖比叶根快得多，所以视在风的角度沿叶片不断变化。因此叶片做成扭转的：靠近叶根扭得很陡，到叶尖几乎是平的，让叶片的每一段都以最佳攻角（angle of attack）迎风。
- **叶尖速比（TSR）。**即叶尖速度除以风速。三叶片风轮在 TSR 约为 7–9 时达到 C_p 峰值。在小风和中等风速下，变速风机会随风速不断调整风轮转速，让 TSR 尽量保持在这个最佳值附近。
这些年叶片已经变长了很多：从 1990 年代末的约 20 m，增长到如今最大海上机组的 100 m 以上。NREL 的 IEA 15 MW 参考风机（2020 年）风轮直径达到 240 m，扫出的面积约 45,000 m²，大约相当于六个足球场那么大。
机舱内部：传动链方案
大型风机的风轮转得很慢，一般每分钟只有 5–15 转（rpm），普通发电机根本用不了这么低的转速。整机厂商主要有两种解决办法，另外还有一种混合方案：
| 传动链 | 工作方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 齿轮箱式（双馈 DFIG 或全功率变流） | 三级齿轮箱把转速提升到 1,000–1,800 rpm | 结构紧凑，发电机便宜 | 齿轮箱需要维护，也会出故障 |
| 直驱 | 大直径永磁发电机直接以风轮转速运转，不需要齿轮箱 | 运动部件少，可靠性高 | 重，需要稀土永磁体 |
| 中速（混合式） | 一到两级齿轮箱，配中速永磁（PM）发电机 | 兼顾尺寸和可靠性 | 仍有齿轮箱 |
如今大多数风机在发电机和电网之间装有电力电子变流器（power electronic converter）。它把风轮转速和固定的电网频率隔开，让风机可以变速运行，还能让风机提供无功功率、实现故障穿越（fault ride-through），从而支撑电网。
另外还有几个系统，才构成一台完整的风机。偏航驱动（yaw drive）根据机舱顶上的风向标和风速计，让机舱转向迎风方向。变桨系统（pitch system）让每片叶片绕自身长轴转动，改变桨距角。机械制动器在检修维护时把风轮锁住不动。
功率曲线与风机控制
每台风机都有一条经过认证的功率曲线（power curve），即电出力与轮毂高度风速之间的关系，按 IEC 61400-12-1 标准测定。曲线分为四个区间：
- **切入风速（cut-in）以下（0–3 m/s）：**能量太少，克服不了损耗，风轮空转。
- **部分负荷（3–11 m/s）：**控制器调节风轮转速，让 TSR 保持在目标值，C_p 接近最大值。出力大致随风速的三次方上升。
- **额定功率（≈11–25 m/s）：**发电机满发。变桨系统让叶片顺桨（feathering），把多余的能量泄掉，保持功率稳定。
- **切出（cut-out，≈25 m/s 以上）：**风机把叶片完全顺桨并停机，保护自身。许多新机型用渐进式的“暴风控制”逐步降功率，代替突然停机。
额定风速是设计时的一种取舍。用大风轮配相对较小的发电机，比功率（specific power，即每 m² 扫风面积的 W 数）就低，风机在较低风速下就能达到额定出力，满发的时间也更多。专门面向低风速场址的陆上风机，比功率已经降到 200–300 W/m²。这样能提高容量系数，代价是风轮要用更多材料。
计算示例：一台 5 MW 陆上风机的年发电量
设一台现代陆上风机，风轮直径 160 m，额定功率 5 MW（比功率 ≈ 250 W/m²），场址在 140 m 轮毂高度的平均风速为 7.5 m/s。
先用平均风速快速估算一个上限，作为核对。扫风面积 = π × 80² ≈ 20,100 m²。7.5 m/s 时风中功率 = 0.5 × 1.225 × 20,100 × 7.5³ ≈ 5.2 MW。按 C_p × η ≈ 0.42 计算，约为 2.2 MW。
不过只看平均风速会低估发电量，因为在立方定律下，大风时段的权重很高。风速并不是均匀分布的，而是呈偏态分布，通常用形状参数 k ≈ 2 的 Weibull 分布来描述。把功率曲线在这个风速分布上积分，得到：
| 指标 | 数值 |
|---|---|
| 年毛发电量（功率曲线 × Weibull，k = 2） | ≈ 18–20 GWh |
| 损耗：尾流、可利用率、电气损耗、覆冰、限电（合计 10–20%） | −2 至 −4 GWh |
| 年净发电量 | ≈ 15–18 GWh |
| 容量系数 = 净发电量 ÷ (5 MW × 8,760 h) | ≈ 35–40% |
我们的风力发电机计算器做的就是这种积分：它采用真实风机的功率曲线，对你所在位置的卫星风数据拟合 Weibull 分布，损耗预算也可以自己调整。如果你手里只有 10 m 高度的风速数据，先用不同高度风速计算器把它外推到轮毂高度。
风机为什么越做越大
把风机做大，能从好几个方面降低每 kWh 的成本。更高的塔架能够到更快、更稳定的风。叶片越长，捕获的能量按长度的平方增加，而很多成本（基础、电缆、许可、运维上门）是按台计算的，不是按 MW 计算的。国际可再生能源署 IRENA 的 Renewable Power Generation Costs in 2023 报告指出，2010–2023 年间，全球新建陆上风电的加权平均 LCOE 下降了约 70%，主要原因是风机更大、更高，容量系数也更高。
继续做大的限制主要来自运输和结构：80 m 以上的叶片要走公路运输，150 m 以上的轮毂高度要找到合适的吊车，叶片质量的增长也比长度更快。在海上，运输靠船舶而不是卡车，这些限制随之放宽，所以最大的机组都装在海上。见海上风电详解。
比较风机和场址的关键指标
| 指标 | 陆上典型值 | 海上典型值 |
|---|---|---|
| 额定功率（新装机组） | 3–7 MW | 8–15 MW |
| 风轮直径 | 120–175 m | 160–250 m |
| 轮毂高度 | 100–170 m | 100–150 m |
| 容量系数 | 25–45% | 40–55% |
| 设计寿命 | 25–30 年 | 25–30 年以上 |
想知道一台风机的实际出力和它的铭牌功率差多少，请读什么是容量系数。这些出力又怎样换算成每 kWh 的成本，见平准化度电成本（LCOE）详解和 LCOE 计算器。排行榜和世界能源地图会告诉你，哪些国家的电力中风电占比最高。
本主题相关计算器
常见问题
一台风力发电机能发多少电？
什么是贝茨极限？
风机为什么是三片叶片？
风机在什么风速下启动和停机？
风机为什么要建这么高？
没有风的时候风机还能发电吗？
资料来源与参考
- Betz, A. (1920). Das Maximum der theoretisch möglichen Ausnützung des Windes durch Windmotoren. Zeitschrift für das gesamte Turbinenwesen
- Burton, T., Jenkins, N., Sharpe, D., Bossanyi, E. (2011). Wind Energy Handbook, 2nd ed. Wiley
- 美国能源部（U.S. DOE）：How Do Wind Turbines Work?
- NREL：Definition of the IEA 15-Megawatt Offshore Reference Wind Turbine (NREL/TP-5000-75698)
- IRENA：Renewable Power Generation Costs in 2023
本指南中的数据是根据上述来源整理的典型范围，你的实际数字取决于所在地、价格和设备。需要针对具体场地的估算，请使用文中链接的计算器。