风力发电（风电）

风力发电机（风机）的原理并不复杂：风轮先把流动空气的动能接过来，再由发电机把它转换成电。在水电以外的各种可再生能源里，增长速度比风电更快的只有光伏。2025 年，风电发电量约为 2,700 TWh，大约占全球发电量的 8.5%；十年前，这个数字只有 830 TWh 左右。按全球风能理事会（Global Wind Energy Council，GWEC）的统计，全球风电装机容量在 2023 年突破了 1,000 GW，其中中国一家就占了远超三分之一。这些装机大部分是陆上风电。海上风电的规模要小一些，但增长很快：每台风机的发电量更大，工程做法和成本结构也和陆上风电很不一样。

风机怎样工作

现代的大型并网风机，基本都是三叶片、上风向、水平轴的结构。风流过截面呈翼型的叶片时会产生升力，升力带动风轮旋转，转速相对较低，每分钟只有 5–15 转。风轮驱动发电机有两种方式：一种是经过齿轮箱，把转速提高到约 1,000–1,500 rpm，再带动双馈异步发电机；另一种是直驱，不用齿轮箱，由风轮直接带动大型永磁发电机。发电机输出的电频率随转速不断变化，要靠电力电子设备转换成和电网一致的频率，才能送上电网。

风机靠三套控制系统把自己保持在安全范围内。偏航系统负责转动机舱，让风轮始终对准来风方向。变桨控制让每片叶片绕自身长轴转动：风速超过额定值时用来调节功率，遇到风暴时把叶片转到顺桨位置，卸掉风力。风小的时候，由发电机转矩控制器出手，让风轮一直保持在最佳叶尖速比上运行。

功率方程

风里蕴含的功率，和风速的三次方成正比。正因为如此，算风电的经济账，场址选得好不好比什么都重要：

风速翻一倍，功率就变成原来的八倍。所以平均风速 8 m/s 的场址，发电量大约是平均风速 6.3 m/s 场址的两倍。风轮直径翻一倍，扫风面积就变成原来的四倍。这就是风轮越做越大、塔筒越建越高的原因。风速还会随高度增加，这种现象叫风切变（wind shear），所以轮毂装得越高，遇到的风就越强、越稳定。

贝茨极限之所以存在，是因为风轮不可能让空气完全停下来：流过风轮的空气必须保留足够的速度，才能从风轮平面离开，给后面的空气让路。理论上最理想的情况，是风轮把身后的风速降到上游风速的三分之一。落到实际运行上，风机按自己的功率曲线工作：风速达到约 3 m/s 的切入风速时开始发电，到约 11–13 m/s 的额定风速时达到铭牌出力，风速升到约 25 m/s 的切出风速时停机（一些新设计不会直接跳闸，而是在 30 m/s 以内逐步降功率）。

类型和主要变体

陆上风电

2020 年代中期新装的陆上风机，单机功率一般为 4–7 MW，风轮直径 140–175 m，轮毂高度 100–160 m。所谓“低风速”机型，风轮相对发电机容量做得非常大，也就是比功率（specific power，按每平方米扫风面积的 W 计）很低。有了这类机型，德国、印度和美国中西部的内陆场址也能赚钱了，而十年前在这些地方建风电还不划算。在风资源最好的那些场址上，老旧小型风机的业主正在推进“以大代小”（repowering）：比如拆掉十台 1 MW 风机，换上三台 5 MW 风机，同一块地上的发电量往往能增加到原来的两到三倍。

固定式海上风电

海上的风比陆地上更强，湍流也更小；叶片又不用走公路运输，长度不受道路条件限制，所以海上风机可以做得更大。商用海上风机为 12–15 MW，风轮直径 220–240 m（比如 Siemens Gamesa SG 14-222 DD 和 Vestas V236-15.0 MW）；中国制造商已经装上了 16–20 MW 的机组，还发布了 20 MW 以上的样机。基础选哪种形式，要看水深和海床条件：单桩（一根大钢管，是水深约 40 m 以内的主流形式）、适合更深水域或更硬海床的导管架，以及混凝土重力式基础。各台风机发出的电，先经场内集电海缆汇集到海上升压站，再通过送出海缆送上岸；离岸较远的项目，越来越多地改用 HVDC（高压直流）线路输电。

漂浮式海上风电

水深一旦超过 50–60 m，固定式基础在经济上就不再划算了。漂浮式海上风电把标准风机装在由系泊缆固定的浮式平台上，常见的平台有三种：立柱式浮筒（底部压载、吃水很深的圆柱体，用在 Equinor 2017 年建成的 30 MW Hywind Scotland 上，那是世界首座漂浮式风电场）、半潜式（用在葡萄牙近海 25 MW 的 WindFloat Atlantic 上）和张力腿平台。Equinor 的 88 MW Hywind Tampen 专门为挪威北海的海上油气平台供电，2023 年建成时，它是世界上最大的漂浮式风电场。IEA 在 Offshore Wind Outlook 中指出，海上风电的技术可开发资源相当于全球总电力需求的许多倍，其中大部分位于日本、美国西海岸、韩国和地中海的深水海域。

小型和分布式风电

约 100 kW 以下的小风机，主要服务于农场、偏远地点和微电网。从经济性上看，它们远远比不上大型风机。原因在于轮毂装得低，近地面的风本来就弱，而三次方定律会把这点风速差距放大成很大的发电量差距。大多数装在建筑物上的微型风机，实际发电量都非常少。

效率和容量系数

风机在峰值工况下的气动效率有多高，其实说明不了它一年能发多少电。真正要看的是容量系数：用风机一年的实际发电量，除以它全年 8,760 个小时都按铭牌功率满发所能发出的电量。

场址的平均风速越高、轮毂越高、比功率越低，容量系数就越高。拉低它的因素则有：大型风电场内部的尾流效应（前排风机挡住后排的风，大型海上风电集群因此通常损失 5–15% 的电量）、电网限电，以及停机检修。海上风电的可用率低于陆上，因为风浪大的时候维修人员没法出海。风电出力随天气起伏，属于波动性可再生能源。它对电网到底有多大价值，要看风电场在地理上分布得够不够广，以及跨区互联、储能和灵活用电跟不跟得上。想估算某一型号风机在某种具体风况下能发多少电，可以用风机计算器；如果要估算整个风电场、并把尾流损失算进去，可以用风电场计算器。风能潜力地图显示了全球各地的平均风速。

成本

2010–2020 年间，风轮越做越大，容量系数不断提高，融资成本也在下降，三者叠加，让风电成本大幅下降。据 IRENA 的 Renewable Power Generation Costs in 2023（2024 年发布），2023 年新投运陆上风电的全球加权平均 LCOE 降到约 0.033 美元/kWh，总安装成本平均约 1,160 美元/kW。海上风电平均约 0.075 美元/kWh，安装成本约 2,800 美元/kW。不过这两组数字因地区而异，差别很大：中国最低，欧洲和美国要高得多。

Lazard 的 LCOE+ 2024 给出的无补贴区间是：美国陆上风电约 27–73 美元/MWh，海上风电约 74–139 美元/MWh。NREL 的 Annual Technology Baseline 按风资源等级给出了美国的成本预测，结果显示，在风最大和风最小的场址之间，陆上风电的 LCOE 能相差两倍以上。随后到了 2021–2023 年，钢材涨价、利率上升，加上供应链出现瓶颈，成本又涨了回去。海上风电受到的冲击最重：美国东海岸和英国有好几个项目的合同，因为事先锁定的固定执行价格已经覆盖不了成本，最后要么取消，要么重新谈判。漂浮式风电的成本目前仍是固定式的两到三倍左右。行业预计，等项目做到吉瓦级规模，成本会大幅下降。

风电的成本大头是前期的资本支出（CAPEX）。它没有燃料费，陆上风电的运营成本一般只占 LCOE 的 20–30%，海上风电的这一比例更高。也正因为钱主要花在建设阶段，风电 LCOE 对折现率非常敏感：加权平均资本成本（WACC）从 5% 升到 8%，LCOE 大约上涨四分之一。这些敏感性，你可以自己在 LCOE 计算器里调参数试一试。

土地、水和材料

一座风电场覆盖的面积很大，但设备真正占掉的土地却很少。NREL 对美国风电项目用地的调查发现，项目总面积平均约每 MW 34 公顷（差别很大），但基础、道路和变电站直接扰动的面积远不到每 MW 1 公顷。其余的土地照样可以耕种或放牧。海上风电在用海上的主要矛盾，则集中在航道、渔场、军用雷达和海床栖息地这几方面。

风机运行时几乎不耗水。在容易发生干旱的地区，和需要大量冷却水的火电厂相比，这是实实在在的优势。

按每单位装机容量计算，风电消耗的材料比化石能源电厂更多。风机主要由钢（塔筒和机舱）、混凝土（陆上基础）、铜（发电机和电缆）、铸铁和复合材料构成。海上项目要用单桩和导管架，所以每 MW 需要的钢材比陆上多得多。直驱风机和许多海上风机用的是永磁发电机，里面含有钕、镨和镝，而这些元素的开采和精炼，大部分都在中国完成。采用齿轮箱、配感应发电机或电励磁发电机的方案，则基本用不到稀土。

全生命周期 CO2 排放

风机在整个生命周期里的排放，几乎都来自钢材、混凝土和复合材料的生产环节。IPCC AR5 第三工作组附录 III（2014）给出的陆上风电中位数约为 11 gCO2e/kWh（区间约 7–56），海上风电为 12 gCO2e/kWh（区间约 8–35）。UNECE 在 2021 年做的生命周期评估，得出的数值同样很低：陆上和海上的各种配置约为 8–23 gCO2e/kWh，其中漂浮式设计因为结构更重，处在这个区间的上端。拿来对比一下：燃气联合循环电厂的排放约为 400–500 gCO2e/kWh，煤电则高达 750–1,100。现代风机的能量回收期一般不到一年，也就是说，在 25–30 年的寿命里，它用不了一年就能把制造时消耗的能量发回来。

安全和环境影响

**人身安全。**按每单位发电量折算，风电是最安全的能源之一。Our World in Data 依据 Markandya & Wilkinson（2007）和后续研究，给出的死亡率为每 TWh 百分之几人，死伤者大多是在建设和维护过程中受伤的工人。叶片断裂和甩冰都很少见，只要留足安全退距、装好结冰检测，就能应对。

**鸟类。**风机确实会撞死鸟，但和其他人为因素相比，数量要少得多。针对美国的研究估计，每年死于风机的鸟类约为 14 万到 50 万只，而撞上建筑物的估计有 3.65 亿到 9.88 亿只，死于猫的超过 10 亿只。问题主要集中在少数特定场址上：加州 Altamont Pass 和挪威 Smøla 的猛禽。在 Smøla，有一项研究发现，只要把每台风机的一片叶片涂成黑色，鸟类死亡就能减少约 70%。主要的解决办法有两条：选址时让风机避开候鸟迁徙通道；运行时一旦雷达探测到鸟群，就让风机停下来。

**蝙蝠。**蝙蝠比鸟更容易受害。撞上叶片，或者遭遇叶片附近剧烈的气压变化，都可能让它们丧命，尤其是在夏末无风的夜晚迁徙的树栖蝙蝠。在高风险时段把切入风速调高 1.5–3 m/s，通常能让蝙蝠死亡减少一半甚至更多，而付出的代价只是约 1% 或更少的发电量。

**噪声和视觉影响。**在 300–500 m 外，现代风机的噪声约为 35–45 dB(A)，和安静的房间或夜间乡村的背景声差不多。大多数地区都对风机规定了最小退距或噪声限值。至于阴影闪烁，可以让风机在太阳处于特定角度时自动停机来控制。真正引发当地居民反对、拖慢审批的，大多是风机对景观的改变。

**海洋影响。**海上打桩施工会产生强烈的水下噪声，可能伤害鼠海豚和海豹；在桩周围布置气泡帷幕、在敏感季节限制施工，都能减轻这种影响。风机基础会变成人工鱼礁，风电场里禁止捕捞也可能有利于鱼类资源恢复，不过有些渔业会因此失去作业海域。

**退役和叶片回收。**风机里的钢、铁和铜，回收率都很高。叶片要难处理得多：一项引用很广的估算（Liu & Barlow，2017）预计，到 2050 年全球叶片废料约达 4,300 万吨。目前的处理途径主要有三种：送进水泥窑协同处置（玻璃纤维可以替代一部分原料）、机械粉碎，以及整段拿去做桥梁或遮棚之类的再利用。Siemens Gamesa 在 2021 年推出了可回收叶片，它用的树脂可以溶解，溶掉之后就能把纤维回收出来；Vestas 等公司则在把现有环氧树脂叶片的化学回收技术推向商业化。德国、荷兰、奥地利和芬兰已经出台规定，限制填埋风机叶片。

前景

按照 IEA 设想的净零排放路径，到 2050 年，风电发电量需要在现有基础上增长好几倍，海上风电将成为欧洲、中国和东亚电力供应的骨干。风机还在继续变大，不过西方制造商已经放慢了比拼更大机型的脚步，好让供应链和利润率先稳下来。眼下的难题主要有这几个：审批时间太长（在欧洲常常要 5–10 年）、并网排队、海上风电所需的港口和安装船能力不足，以及经历 2022–2023 年的成本冲击之后，怎样保住盈利。漂浮式风电、风电加储能的混合电站、提供虚拟惯量的构网型逆变器，以及风电制绿氢，是行业接下来重点发展的方向。如果想了解风电和其他电源在成本、排放和用地上怎么比，可以看技术对比和太阳能发电概览。