Die Windkraftanlage

 
Eine Windkraftanlage, auch Windkonverter genannt, besteht im Wesentlichen aus dem Windrad oder Rotor und dem Generator, der mit dem Rotor über eine gemeinsame Achse verbunden ist.

Das Herzstück einer Windkraftanlage ist der Rotor. Er ist ein Energiewandler, der die Bewegungsenergie der Luft in Rotationsenergie umwandelt und als Drehbewegung zur Verfügung steht. Je nach Art der Anlage hat der Rotor eine unterschiedliche Form und Anzahl von Rotorblättern, die im Prinzip ähnlich gebaut sind wie die Propeller eines Flugzeugs. Je nach Bauart und Typ der Windkraftanlage reicht zum Anfahren eine Windgeschwindigkeit von mindestens 10 Kilometern pro Stunde. Die maximale Leistung liegt bei etwa 40 Kilometern pro Stunde.

Beim Windkonverter muss sich der Generator aus praktisch-technischen Gründen in der Nähe des Rotors befinden, also in luftiger Höhe, wo jedes zusätzliche Gewicht austariert werden muss. Kleinere Generatoren erfordern jedoch eine größere Drehzahl, die die Rotoren häufig nicht erreichen können.

Anders als bei Wasserkraftwerken ist daher eine direkte Kupplung von Rotor und Generator oft nicht möglich. Man braucht dann ein Übersetzungsgetriebe. Um allerdings das Übersetzungsverhältnis klein und damit Reibungsverluste möglichst gering zu halten, ist man bestrebt, die Rotordrehzahl zu steigern.

Schnellere Rotoren durch weniger Flügel

Frühere Windanlagen haben vorwiegend Wasserpumpen und andere Maschinen angetrieben, wofür eine große Kraft, jedoch keine hohe Drehzahl notwendig war. Aus diesem Grund wurden früher vielblättrige Langsamläufer mit hohem Drehmoment eingesetzt.

Da kompakte Generatoren zur Stromerzeugung jedoch hohe Drehzahlen erfordern, ging der Trend zu schnell laufenden Rotoren mit möglichst wenig Flügeln, die aerodynamisch optimiert wurden.

Es leuchtet auf den ersten Blick nicht ein, warum ein Windrad mit weniger Flügeln schneller laufen soll, ist doch die Angriffsfläche für den Wind geringer. Wie bei den Flugzeugtragflächen jedoch ist auch bei den Rotorblättern der aerodynamische Auftrieb und nicht der Winddruck von Bedeutung. Entscheidend für die Drehzahl sind ausschließlich die Form und Stellung der Rotorblätter. Die Reduzierung der Blattzahl bis auf zwei ist problemlos möglich. Bei einflügeligen Rotoren müssen unerwünschte Schwingungen und Unwuchten extra ausgeglichen werden.

Geschwindigkeit ist nicht alles

Große Windräder drehen sich langsamer als kleine. Um die Windenergie maximal in mechanische und damit elektrische Energie umzusetzen, ist nicht in erster Linie die Drehzahl der Rotorwelle, sondern die Kraft, die der Rotor auf den Generator bringt, ausschlaggebend. Diese Kraft hängt vorwiegend von der Geschwindigkeit der Blattspitzen des Rotors ab. Die dynamische Auftriebskraft nimmt mit der Geschwindigkeit, mit der die Luft über die Rotorblätter streicht, zu.

Zum Beispiel dreht sich ein zweiflügeliger Riesenrotor mit 50 m langen Flügelblättern nur 18-mal in der Minute. Die Spitzen des Rotors erreichen allerdings dabei eine Geschwindigkeit von 340 km/h. Ein kleiner fünfflügeliger Rotor mit 1,7 m langen Flügelblättern dreht sich dagegen 15-mal schneller. Bei ihm ist jedoch die Geschwindigkeit der Blattspitzen nur etwas mehr als halb so groß.