当您谈到现代风力涡轮机时，想到的主要是以下两种设计：水平轴风力涡轮机和垂直轴风力涡轮机。垂直轴风力涡轮机（VAWT）非常罕见。当前唯一的商业产品是Darrieus涡轮机，这种涡轮机像打蛋器。

NREL（左图）和Solwind Ltd供图 垂直轴风力涡轮机（左图：Darrieus涡轮机）

在垂直轴风力涡轮机中，转轴安装在垂直轴上，与地面垂直。与水平轴式的同类产品不同，垂直轴风力涡轮机始终与风向保持一致，因此当风向改变时无需调整；但垂直轴风力涡轮机不能自己启动——它需要电力系统的推动才能启动。它通常使用拉索而不是塔架进行支撑，因此转子高度较低。较低的高度意味着风速因地面阻碍而较慢，所以垂直轴风力涡轮机的效率通常要比水平轴风力涡轮机低。从有利的一面来说，所有设备都处于地面高度便于安装和维修；但这意味着涡轮机的占地面积较大，对于农作物种植区来说，这是相当不利的一面。

Darrieus式垂直轴风力涡轮机

虽然垂直轴风力涡轮机可以用于小型涡轮机，也可以用于在农村地区泵水，但所有商业生产的大规模风力涡轮机都是水平轴风力涡轮机(HAWT)。

GNU供图；照片拍摄者：基特·康恩 加利福尼亚的一个风力发电场

正如其名字的含义，水平轴风力涡轮机的转轴是水平安装的，与地面平行。水平轴风力涡轮机需要使用偏航调整装置时刻根据风向进行调整。偏航系统通常包括电机和变速箱，用于缓慢左右移动整个转子。涡轮机的电子控制器读取风向标设备（机械或电子风向标）的位置，并调整转子位置以尽量捕获最大的风能。水平轴风力涡轮机使用塔架将涡轮机组件上升到最适合风速的高度（这样叶片便不会碰到地面），并且占用非常少的地面空间，因为几乎所有组件都在高达80米的空中。

大型水平轴风力涡轮机组件：

• 转子叶片——捕获风能并将其转换为转轴的转动能
• 转轴——将转动能转移到发电机内
• 发动机箱——一个箱子，其中包含：
  • 变速箱——用于增加转子中心和发电机之间的转轴速度
  • 发电机——利用转轴的转动能，通过电磁性发电
  • 电子控制装置（未显示）——监视系统，用于在出现故障时关闭涡轮和控制偏航装置。
  • 偏航控制器（未显示）——移动转子使其与风向保持一致
  • 制动装置——在出现电力超载或系统故障时停止转轴旋转。

• 塔架——支撑转子和发动机箱，并将整个装置上升到更高位置，使叶片不会碰到地面。
• 电力设备——从发电机向下通过塔架输送电流，还可控制涡轮机的多个安全部件

从开始通过风力发电，到最后将电传送给需要的人，整个过程如下面的示意图所示：

与主要依赖风力推动叶片运动的老式荷兰风车设计不同，现代涡轮机使用更复杂的空气动力学原理以最有效地捕获风能。风力涡轮机转子中的两个主要空气动力是上升力（与风向垂直作用）和阻力（与风向平行作用）。

涡轮叶片的形状非常像飞机翅膀——它们使用了机翼设计。在机翼中，叶片的一面略有弧度，而另一面则相对较平。上升是非常复杂的现象，实际上可能只有数学或物理学博士才能完全领会。不过我们可以这样来简单解释上升现象：当风沿着顺风的叶片弧面经过时，它必须加快速度才能及时到达叶片末端，以追上从叶片逆风的较平面上（也就是面朝风吹来的方向）经过的风。由于移动速度较快的空气将在大气中上升，顺风的弧面上将出现低压团。低压区域向顺风方向吸引叶片，此称为“上升”效应。在叶片的逆风面，风速较慢，产生推动叶片的较高压力区域，使其减速。和机翼设计类似，高升阻比对于设计高效涡轮叶片至关重要。涡轮叶片呈螺旋状，这样便始终可呈现出利用理想升阻力比的角度。有关上升力、阻力和机翼空气动力学的更多信息，请参见飞机如何飞上蓝天。

空气动力学不是制造高效风力涡轮机的唯一设计考虑。尺寸也很重要——涡轮叶片越长（因此转子直径越大），涡轮可从风中捕获的能量越多，发电容量也就越大。通常，将转子直径加倍，可将能量输出提高至原来的四倍。但是，在某些情况下，如在风速较低的地区，直径较小的转子可以比直径较大的转子产生更多能量，因为较小的装置用于转动较小发电机的风能较少，因此涡轮机可以几乎一直以满功率运行。塔架高度也是影响发电容量的一个主要因素。涡轮越高，所能捕获的能量越多，因为风速随高度提升而增加——地面摩擦和地面物体会阻碍风的流动。科学家估计高度每上升一倍，风速增加12%。

要计算涡轮机实际从风中产生的能量多少，您需要知道涡轮机所在地点的风速和涡轮机功率。多数大型涡轮机在风速约15米/秒(33mph)的情况下可产生最大能量。考虑到在风速稳定的情况下，转子直径决定涡轮机可产生的能量多少。请记住，随着转子直径增加，塔架高度也会增加，这意味着将接触到速度更快的风。

在风速为33mph（约15米/秒）的情况下，多数大型涡轮机能够达到其额定功率，在45mph（20米/秒）下，多数大型涡轮机关闭。有许多可在风速威胁结构时关闭涡轮机的安全系统，其中包括一种部分涡轮机所用的非常简单的振动传感器，这类传感器的基本组成是一个位于小底座上的与链条相连的金属球。如果涡轮机的振动开始超过某个阈值，球将从底座上落下，拉动链条并触发关闭。

涡轮机中最常用的敏感性安全系统可能是受超过阈值的风速触发的“制动”系统。这些装置使用电源控制系统，当风速过高时启动制动装置，当风速下降低于45mph（20米/秒）时“松开制动装置”。现代大型涡轮机设计使用多种不同类型的制动系统：

• 角度控制——涡轮机的电子控制器监视涡轮的功率输出。当风速高于45mph（20米/秒）时，输出功率将过高，此时控制器通知叶片改变角度，使叶片与风向不一致。这样做可以减慢叶片的转动。角度控制系统要求（转子上的）叶片安装角度是可调整的。

• 被动停止控制——叶片以固定角度安装在转子上，但设计使得叶片中的扭曲角度可在风速过高时对叶片进行制动。叶片具有一个特殊的角度，可在风速超过某一值时导致叶片的逆风面产生湍流，从而使叶片停止转动。简单来说，当面对风向的叶片角度过陡，以至于开始消除上升力，从而降低叶片速度时，空气动力学作用将停止。

• 主动停止控制——这种功率控制系统的叶片可以调整角度，类似角度控制系统中的叶片。主动停止系统按照角度控制系统的方式读取功率输出，但不是调整叶片角度使其与风向不一致，而是调整角度使它们停止转动。

每年全球至少有50,000个风力涡轮机共发电500亿千瓦时(kWh)。在下一节中，我们将了解风力资源的利用率，以及风力涡轮机实际可发出的电量。