风能

风能（英语：Wind power）是指利用大气流动产生的动能进行机械功或发电的技术。作为历史最悠久的能源形式之一，人类早期通过帆船、风车和风力提水机等装置利用风能，现代则主要应用于风力发电领域。根据国际能源研究机构Ember的统计，2024年全球风力发电量达2,494TWh，占世界总发电量8.1%，相较2015年增长近三倍，目前有30个国家超过10%的电力来自风能。

现代风力发电主要依靠风力发电机实现，多组机组构成的风力发电场通常接入区域电网系统。截至2021年，全球装机容量已突破800GW，其中中国与美国为年度新增装机量最大的市场。为达成《巴黎协定》气候目标，研究指出风能发电占比需每年增长超过1%才能有效缓解气候变化。

从经济性角度分析，风能已成为多数地区最廉价的电力来源之一。新建陆上风电场的平准化能源成本在许多市场条件下低于新建燃煤电厂或燃气电厂。地理分布方面，高纬度地区因风能资源丰富具有最佳开发潜力，而风力发电与太阳能发电在昼夜与季节上的互补特性，使两者组合成为多国发展可再生能源的优先选择。

技术应用上，离岸风力发电虽具有更高容量因数与较小视觉冲击，但建设成本仍显著高于陆上风电，目前约占全球新增装机量的10%。环境影响方面，风能作为可持续能源对生态系统的冲击远低于化石燃料，但陆上风场仍需考虑景观改变与栖息地破坏等问题。

由于风能具有间歇性能源特性，需配合储能系统、可调度发电或其他电网管理技术才能确保供电稳定。随着智能电网技术发展与跨区域电网互联，风能在全球能源转型中的角色持续提升。

## 风能原理

估计地球所吸收的太阳能有1%到3%转化为风能，总量相当于地球上所有植物通过光合作用吸收太阳能转化为化学能的50至100倍。上了高空就会发现风的能量，那里有时速超过160公里（100英哩）的强风。这些风量最后和地表及大气间摩擦，而以各种热能方式释放。

### 风的成因

- 太阳照射极地和赤道的不均匀使得地表的受热不均匀。
- 地表温度上升的速度较海面快。
- 大气中同温层如同天花板的效应加速了气体的对流。
- 季节的变化。
- 科里奥利力。

### 风能利用与风力发电

空气流动具有的动能称风能，空气流速越高，动能越大。用风车可以把风的动能转化为有用的机械能，而用风力发动机可以把风的动能转化为电力，其原理为透过传动轴，将转子（由以空气动力推动的扇叶组成）的旋转动力传送至发电机。

风能是风的能量转换成可利用的能量形式，例如使用风力涡轮机产生电力、风车产生机械动力、风泵抽水或排水，或风帆推动船。在现代，涡轮叶片将气流的机械能以发电机转为电能。

## 风能应用方式与优缺点

### 风能应用方式

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- 发电
- 帆船
- 抽水（地下水或海水）与灌溉
- 磨坊

### 优点

- 风能设施日趋进步，大量降低生产成本，是再生能源中相当具有经济竞争力及发展潜力的；在许多情况下，风力发电成本已经足以与传统发电相比，甚至在一些地方（如美国中西部），风力已经比燃煤发电便宜。
- 风能设施多为立体化设施，在适当地点使用适当机器，对陆地和生态的破坏较低。
- 风力发电是可再生能源，空气污染及碳排放较少，其他环境成本也低。
- 风力发电可以是分散式发电，没有大型发电设施过于集中的风险。
- 风力发电机可依需求卸载，增加电网稳定性。

### 缺点

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- 风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类，如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后已渐渐消失。目前其中一个解决方案是海上离岸发电，离岸发电成本较高但效率也高；另一个解决方案则是小型垂直风力发电，这种风力发电可以架设在自家屋顶及后院。
- 风场成排的风力发电机组可能会对地区性和季节性迁徙的鸟类，在利用栖息地、繁殖地与觅食地之间产生干扰，致使可利用的栖地减少甚至碰撞伤亡，尤其是对偏好在海岸栖地、族群量高密度的鸻形目（Charadriiformes）水鸟冲击更大。
- 在部分地区，风力发电的经济性不足，许多地区的风力为间歇性，更糟糕的情况是如台湾陆地在电力需求较高的夏季却是风力较少的时段。虽然说仍可满足一定需求，但大量使用风力发电必须要等待储能系统的发展、或采取离岸发电。
- 大型风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源。
- 进行风力发电时，中、大型风力发电机会发出庞大的噪音，所以设立地点必须远离住家，或使用小型低噪音机种。

## 风力发电

### 风力发电技术

风能可以通过风车来提取。当风吹动涡轮时，风力带风车动绕轴旋转，使得风能转化为机械能。而风能转化量直接与空气密度、涡轮扫过的面积和风速的三次方成正比。风吹过风机涡轮（Wind Turbine）而使得风速减弱，这也限制了涡轮可提取的能量。

风能利用技术的不断革新，使这种丰富的可再生能源正重放异彩。据估计，二三十年内，风力发电量将要占欧盟总电力供应约30%左右。

#### 技术分类

风力发电机又可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机又分为几种，譬如Darrieus风机或Gorlov风机。

#### 转换效率

1919年，德国物理学家阿尔伯特·贝兹认为，不管如何设计涡轮，风机最多只能提取风中59%的能量，此称为贝兹法则（Betz Limit）。现今正在运作的风力发电机所能达到的极限约为40%。大多数风力发电机实际效率范围从20%到40%。

风力发电的细长（高展弦比）的风机叶片，在低速有比较高效率。

#### 风速与发电量计算

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因为自然界中的风速常变化，并且给定地点所得的潜势风能（Potential Wind Energy）并不代表风力发电机在该处实际可以产生的能量。为了估计在某一特定位置的风速频率，必须使用风速几率分布函数来分析该地的风速历史数据。风力发电最常用的风速几率函数为韦伯分布（Weibull Distribution），可较准确地反映在各个地点每小时的风速几率分布。韦伯分布中形状参数 k=2 时便是瑞利分布（Rayleigh Distribution），瑞利分布的另一参数可由平均风速来换算，因此常被作为一个较粗略但更简单的几率模型。

因为地表附近，高度愈高，风速愈大。而风能是与风速的三次方成所正比，所以风机高度愈高，发电量愈多，因此现今有许多风机的高度都超过100米。

因为自然界中的风速并不稳定，所以无法像使用燃料的火力发电厂一样，可以依照用电需求来调整发电量。因此风力发电整年发电量的计算方法与其他能源不同。安装良好的风力发电机实际的发电量可达40%，跟一般使用燃料的发电厂的涡轮机相比（1000kW的风力发电机），每年可发电量最多可到400kW。虽然风能输出的功率是难以预测的，但每年发电量的变化应在几个百分比之内。而在地球表面一定范围内，经过长期测量、调查与统计得出的平均风能密度的概况，通常以密度线标示在地图上。

因风能不能持续产生，常以抽水蓄能电站或其他方法来储存风能以保持电力能持续供应，这大约增加25%费用。

### 风力发电发展历史

但数千年来，风能技术发展缓慢，没有引起人们足够的重视。但自1973年第一次石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的偏远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视，比如：美国能源部就曾经调查过，单是德克萨斯州和南达科他州两州的风能密度就足以供应全美国的用电量。

2003年美国的风力发电成长就超过了所有发电机的平均成长率。自2004年起，风力发电更成为在所有新式能源中已是最便宜的了。在2001年风力能源的成本已降到20世纪6、70年代时的五分之一，而且随着大容量发电机的使用，下降趋势还会持续。

## 风力发电厂

风力发电厂（Wind Farm）是在同一地点的一群风力发动机用来产生电力。一个大型风力发电厂可能包括几百个独立的风力涡轮机，并覆盖数百平方英里的扩展区域，但在涡轮机之间的土地仍然可用于农业或其他用途，但是许多机种都有噪音过大的问题、因此必须远离住家。风力发电厂既可以位于在陆地上，也可以位于在海洋上。

一间大型的风力发电厂可以由连接输电系统的数百台风力发动机组成。

### 岸上风力发电

又称陆域风力发电。全球首个风力发电场是位于美国新罕布什尔州的分叉山，在1980年建造，总共有20座风力发电机，提供0.6MW电力功率。

一般来说，安装在离海岸多于3km的内陆山脊的风力发电机能有较多输出，这是因为地形的效应使风速加快。但每台风力发电机选取的实际位置会很复杂及重要，因为30m距离的差别可使电力输出双差一倍。

## 全球风电产能

风力发电自80年代开始受到西方各国重视以来，至今全球风力发电量每年快速成长，在2016年已成为全球各类电力来源第5大。

全世界以风力产生的电力在2008年共约2,192亿度，当年风力供应电力占全世界用电量的1%，在2014年时全球风力发电量已增长到占全球总发电量3%，2018年已占全球总发电量4.8%。风能对大多数国家而言还不是主要的能源，但在2000年到2015年之间已经成长了二十四倍。

### 全球风力发电相关统计数据

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2000｜2001｜2002｜2003｜2004｜2005｜2006｜2007｜2008｜2009

装置量(MW)｜17,724｜24,521｜31,531｜39,086｜47,403｜58,969｜74,413｜91,894｜116,512｜151,656

发电量(GWh)｜31,419｜38,390｜52,331｜62,916｜85,116｜104,086｜132,859｜170,686｜220,569｜275,929

占全球发电量比｜0.20%｜0.24%｜0.32%｜0.37%｜0.48%｜0.56%｜0.69%｜0.85%｜1.08%｜1.36%

2010｜2011｜2012｜2013｜2014｜2015｜2016｜2017

装置量(MW)｜182,901｜222,517｜269,853｜303,113｜351,618｜417,144｜467,698｜514,798

发电量(GWh)｜341,565｜436,803｜523,814｜645,721｜712,407｜831,826｜959,468｜1,122,745

占全球发电量比｜1.58%｜1.96%｜2.30%｜2.75%｜2.98%｜3.42%｜3.85%｜4.39%

国家｜风电装置量 百万瓦（MW）中华人民共和国｜145,362 美国｜74,471 德国｜44,947 印度｜25,088 西班牙｜23,025 英国｜13,603 加拿大｜11,205 法国｜10,358 意大利｜8,958 巴西｜8,715 其它地区合计｜67,151 全球总计｜432,883｜国家｜风电发电量 百万千瓦时（GWh）德国｜87,975 西班牙｜48,380 英国｜38,010 法国｜21,100 瑞典｜16,500 意大利｜14,589 丹麦｜14,100 葡萄牙｜11,878 波兰｜9,830 荷兰｜7,237 其它成员国合计｜33,914 欧盟总计｜303,513｜国家｜风电装置量 百万瓦（MW）中华人民共和国｜236,402 美国｜105,466 德国｜61,406 印度｜37,506 西班牙｜25,224 英国｜23,340 法国｜16,643 巴西｜15,452 加拿大｜13,413 意大利｜10,330 全球总计｜621,421

### 各国政策目标

2020年各国再生能源占发电量比例之目标：

国家｜2014情况｜2020目标

瑞典｜63.3%｜62.9%

70.0%｜70.6%

丹麦｜48.5%｜50%（风电占用电量比）

法国｜18.3%｜27%

× 10｜37.8%｜38.1%

德国｜28.2%｜35%

意大利｜33.4%｜26%

10.0%｜37%

### 各国鼓励政策

目前世界各国的可再生能源推动制度，主要可分为：

- 固定电价系统（Fixed-price Systems）：由政府制订可再生能源优惠收购电价，由市场决定数量。其主要之方式包括：
- 设备补助（Investment Subsidies）：丹麦、德国及西班牙等在风力发电发展初期，皆采行设备补助的方式。
- 固定收购价格（Fixed Feed-in Tariffs）：德国、丹麦及西班牙。
- 固定补贴价格（Fixed-premium Systems）。
- 税赋抵减（Tax Credits）：美国。
- 固定电量系统（Fixed Quantity Systems）：又称可再生能源配比系统（Renewable-quota System，美国称为Renewable Portfolio Standard），由政府规定再生能源发电量，由市场决定价格。其主要之方式包括：
- 竞价系统（Tendering Systems）：英国、爱尔兰及法国。
- 可交易绿色凭证系统（Tradable Green Certificate Systems）：英国、瑞典、比利时、意大利及日本。

两种推动制度之用意为形成保护市场，透过政府的力量让可再生能源于电力市场上更具投资效益，而其最终目的为提升技术与降低成本，以确保可再生能源未来能于自由市场中与传统能源竞争。

## 风能相关发展

### 偏远地区经济与观光发展

位于西班牙东北部阿拉贡的拉穆埃拉，总面积为143.5平方公里。1980年起，新任市长看好充沛的东北风资源而极力推动风力发电。近20年来，已陆续建造450座风机（额定容量为237 MW），为地方带来丰富的利益。当地政府并借此规划完善的市镇福利，吸引了许多人移居至此，短短5年内，居民已由4,000人增加到12,000人。拉穆埃拉已由不知名的荒野小镇变成众所皆知的观光休闲好去处。

另外位于法国西北方的布安原本以临海所产之蚵及海盐著名，2004年7月1日起，8座风力发电机组正式运转，这8座风机与蚵、海盐三项，同时成为此镇之观光特色，吸引大批游客从各地涌进参观，带来丰沛的观光收入。

## 外部链接

- World Wind Energy Association (WWEA)
- Global Wind Energy Council (GWEC)