风能是由地球大气中自然流动的空气产生的能量。作为一种不会因使用而枯竭的可再生资源，其对环境和气候危机的影响明显小于燃烧化石燃料，正处在不断发展中。

据bp 公司资料，2020年全球可再生能源发电7017TWh,其中风电贡献了1418TWh，占总可再生能源电力的20.2%，仅次于水电，排在第二位。发展风力发电已经成为包括中国、印度、德国和美国在内的许多国家减少气候变化和可持续发展计划的关键组成部分。

 

一、风能的定义

人类利用风能的方式多种多样，从简单的(现在仍用于偏远地区为牲畜抽水)到日益复杂的风电场(如下图所示)，在加州580号高速公路上，成千上万的涡轮机占据了山丘。

 

任何风能系统的基本组件都是相当相似的。有一些大小和形状一样的叶片连接到驱动轴上，然后是一个使用或收集风能的泵或发电机。如果风能被直接用作机械力，比如碾磨谷物或抽水，它就被称为风车; 如果它将风能转化为电能，它就被称为风力涡轮机。涡轮机系统需要额外的组件，如用于电力存储的电池，或者它可以连接到电力分配系统，如输电线。

没有人真正知道人类第一次利用风能是在什么时候，但公元前5000年左右，风确实被用来在埃及尼罗河上划船。到公元前200年，中国的人们已经开始使用风能来驱动简单的水泵，而中东地区的人们则使用手织叶片的风车来磨谷物。随着时间的推移, 风力泵和工厂被用于各种食品生产, 然后这个概念蔓延到欧洲, 荷兰人在那里建造了大型风泵来抽干浇地，这个想法从那里传到了美洲。

 

二、风能基本知识

风是太阳加热大气、地球表面变化和地球自转时自然产生的。然后，由于水体、森林、草甸和其他植被以及海拔变化的影响，风可以增加或减少。风的模式和速度随地形上和季节变化都有很大的不同，但其中一些模式是可以预测的，可以进行规划。

1、场地选择

安装风力涡轮机的最佳地点是圆形山丘的顶部，在开阔的平原上(或用于海上风力的开阔水域)，以及风自然通过的山口(产生常规的高风速)。一般来说，海拔越高越好，因为海拔越高通常会有更多的风。

风能预测是风电机组选址的重要工具。如美国国家海洋和大气管理局(NOAA)或国家可再生能源实验室(NREL)提供了各种各样的风速图和数据，提供了这些细节。

然后，应进行具体的实地调查，以评估当地的风条件，并确定最佳的方向，以最大的效率安放风力涡轮机。在至少一年的时间里，开展关于陆地轨道风速、湍流和方向，以及空气温度和湿度的项目。一旦确定了这些信息，就可以建造出可预测结果的涡轮机。

风力并不是安装涡轮机的唯一因素。风电场的开发商必须考虑到风电场离输电线路距离(以及能利用电力的城市); 可能对当地机场及飞机交通造成干扰; 下伏岩石和断层; 鸟类和蝙蝠的飞行模式; 对当地社区的影响(噪音和其他可能的影响)；等等。

大多数大型风力发电项目的设计寿命至少为20年，所以必须考虑这些因素的长期影响。

2、风能的类型

1）公用事业级风能

公用事业级风能是大型的风能项目，被设计为公用事业公司的能源来源。它们的规模类似于燃煤或天然气发电厂，有时会取代或补充燃煤或天然气发电厂。涡轮机的功率超过100千瓦，通常是组合安装，以提供重要的电力。

 

2）海上风能

海上风能项目一般都是在沿海地区规划的公用事业级的风能项目。它们可以在大城市附近产生巨大的电力(在美国，大城市往往更靠近海岸)。根据美国能源部的数据，海上地区的风比陆地地区的风更持久、更强烈。根据该组织的数据和计算，美国海上风能的潜力超过2000吉瓦，是美国所有发电厂发电能力的两倍。根据国际能源署(IEA)的数据，在全球范围内，风能提供的能源可能是目前世界使用能源的18倍以上。

 

3）小型或分布式风能

这种类型的风能与上面两类相反。这些是尺寸较小的风力涡轮机，用于满足特定地点或当地的能源需求。有时，这些涡轮机连接到更大的能源分配电网，有时它们离网。你会看到在居民区中安装较小的风机(5千瓦规模), 根据天气情况,它们可能提供部分或大部分家庭的需要。中型规模风机(20千瓦左右)安装在工业或社区, 在那里它们可能是一个可再生能源系统的一部分, 还包括太阳能、地热、或者其他能源。

 

3、风电场

风电场是由风力涡轮机组成的一种发电厂，利用风力发电。对于被认为是风电场的装置，并没有统一的规模要求，所以它可能包括在同一地区工作的几个或数百个风力涡轮机，无论是在陆地上还是海上都是如此。

三、风能是如何工作的？

风力涡轮机的功能是利用某种形状(可以变化)的叶片来捕捉风的动能。当风吹过叶片时，叶片被吹起，就像扬起帆来推动船一样。风推动叶片转动，带动与叶片相连的传动轴转动。然后，这个轴转动某种泵，可以直接推动谷物上一块石头(风车)，或者将能量推入发电机，产生可以立即使用或存储在电池中的电力。发电系统(风力涡轮机)的过程包括以下几个步骤

 

1、风把刀片

理想情况下，风车或风力涡轮机位于有规律和稳定的风力的地方。空气的流动推动了特殊设计的叶片，让风尽可能容易地推动叶片。叶片可以被设计成顺风或顺风的位置。

2、动能转化

动能是来自风的自由能。为了能够使用或存储这种能量，它需要被转化成一种可用的能量形式。当风遇到风车叶片并推动它们时，动能转化为机械能。叶片的运动带动传动轴转动。

3、发电

在风力涡轮机中，一个旋转的传动轴与一个齿轮箱相连，齿轮箱可以将转速提高100倍，进而带动发电机旋转。因此，齿轮的旋转速度远远快于被风推动的叶片。一旦这些齿轮达到足够快的速度，它们就可以驱动发电机发电。

齿轮箱是涡轮机中最昂贵、最笨重的部件，工程师们正在研究可以在较低转速下运行的直接驱动发电机(这样就不需要齿轮箱了)。

4、变压器转变电能

发电机产生的电是60次循环的交流电。根据当地的需要，可能需要一个变压器将其转换成另一种类型的电力。

5、使用或储存电

风力涡轮机产生的电力可以就地使用(更多情况可能是在小型或中型风力项目中)，它可以立即输送到输电线路上使用，也可以储存在电池中。

更高效的电池存储是未来风能发展的关键。增加的储存容量意味着在风小的日子里，从风大的日子里储存的电能可以作为补充，这样风的可变性将不再是可靠的风能发电的障碍。

四 、近10年风电的进步

据国际可再生能源署（IRENA）的报告，风电技术进步有力地驱动风电效率的提高和成本的下降。

1、陆上风电

从2010年到2020年，陆上风力发电的全球加权平均总安装成本下降了32%，从1971美元/千瓦下降到1349美元/千瓦。2020年的成本也比2019年的1 491美元/kW下降了10%。2020年，世界各国/地区陆上风力发电的加权平均总安装成本约为1 038--3 189美元/千瓦。中国和印度的加权平均总安装成本比其他地区低20%到67%。

大多数市场在2007年至2010年期间经历了风力涡轮机价格的高峰，到2020年底下降了44%至78%。2020年大部分主要市场的价格在700美元/千瓦到910美元/千瓦之间，不包括中国。中国的价格在540美元/千瓦左右，因为中国的合同通常不包括物流和塔。

涡轮技术的改进和成本的降低使得全球平均转子直径从2010年的82米增加到2020年的119.4米，增加了46%。与此同时，全球平均轮毂高度增加了27%，从2010年的81.3米增加到2020年的103.2米。

 

2、海上风电

海上风电经历了十年的快速增长和具有竞争力的海上风电项目的到来。平均项目规模从2010年的136兆瓦增加到2020年的301兆瓦，随着涡轮机规模的增长和项目向远离海岸的深海移动。

专注于欧洲这个最成熟的市场，新投入使用的海上风力发电项目的全球加权平均水深从2010年的2100米上升到2020年的37米，增长了76%。同期，项目距离海岸的平均距离从18公里增加到40公里，加权平均涡轮机尺寸增加了158%，从3.1兆瓦增加到8兆瓦。十年间，转子直径从112米增加到163米，增加了46%。

随着轮毂高度和扫掠叶片面积的增加，容量系数随着时间的推移而增加。这是由于涡轮机、风电场布局和连接的技术改进，以及改进的运行和管理实践，减少了风最大时期的停机时间。项目的全球加权平均容量因子从2010年的38%上升到2020年的40%。然而，在欧洲，这一数字增长了13%，从2010年的39%增长到2020年的44%。

 

本文据Starre Vartan“What Is Wind Energy? Definition and How It Works” 和IRENA”Renewable Technology Innovation Indicators: Mapping progress in costs, patents and standards“(2022)编译。