Rotor, Turm und Getriebe: Diese Schlüsselbauteile bestimmen über die Leistungsfähigkeit einer Windkraftanlage. Der Trend geht dabei allgemein zu größeren Windrädern mit einer maximalen Leistung von mehreren Megawatt Strom. Show Das Kernstück der Windkraftanlage ist der Rotor, mit dem die kinetische Energie des Windes in Rotationsenergie umgewandelt wird. Dadurch wird der Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben. Er ist in der Gondel oben am Mast über ein Getriebe unmittelbar mit dem Rotor verbunden.  Aufbau Windrad: Rotor und Getriebe 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. Dabei gilt die Faustformel: Viele Rotorflügel laufen langsam, haben ein hohes Drehmoment und können schon bei kleineren Windstärken starten. Ihre bekanntesten Einsatzgebiete sind Wasserpumpen und das Mahlen von Getreide. Man spricht von vielblättrigen Langsamläufern. Die heutigen kompakten Generatoren zur Stromerzeugung erfordern jedoch hohe Drehzahlen. Dies wird durch schnell laufende Rotoren mit möglichst wenig Flügeln erreicht, die aerodynamisch optimiert werden. Dabei spielen Form und Stellung der Rotorblätter eine entscheidende Rolle. Die modernen Schnellläufer benötigen allerdings zum Anfahren höhere Windgeschwindigkeiten von etwa zehn Kilometern pro Stunde. Am Markt sind überwiegend Anlagen mit drei Flügeln zu finden. Die Dominanz dieser Anordnung hat ihre Ursache vor allem darin, dass sie schwingungstechnisch in der Handhabung Vorteile bringen und länger halten. Rotorblätter sind High-Tech ProdukteDie Energie, die dem Wind entnommen werden kann, hängt auch von der Größe der Fläche ab, die er anweht. Deshalb müssen die Rotorblätter möglichst lang sein. Dadurch werden hohe Masten für die Windkraftanlagen erforderlich. Da außerdem die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt, bieten große Masten einen weiteren Vorteil. Moderne große Windkraftwerke haben Rotordurchmesser bis zu 109 Metern und mehr, bei Drehzahlen von 0,3 bis 2 Umdrehungen pro Sekunde mit Leistungen von einigen hundert Kilowatt bis zu sechs Megawatt. Allerdings kann die Rotorlänge nicht beliebig groß werden, weil an den Rotorenden enorme Zentrifugalkräfte angreifen. So kommen die Flügelspitzen von Fünfzig-Meter-Rotoren bei einer Drehzahl von 0,3 Umdrehungen pro Sekunde auf eine Geschwindigkeit von 340 Kilometern pro Stunde. Dadurch wirken Fliehkräfte, bei denen Beschleunigungen auftreten, die dem 18-Fachen der Erdbeschleunigung entsprechen. Dies erfordert hohe Ansprüche an die Zerreißfestigkeit der verwendeten Materialien und äußerst präzise Berechnungen der Konstruktion. Große Fortschritte seit 1980Die technische Entwicklung der Windenergie seit 1980 ist beeindruckend. Zum großen Teil bedingt durch die erhebliche öffentliche Förderung von Forschung und Entwicklung hat sich die durchschnittliche Leistung der Windkraftanlagen von etwa 30 Kilowatt auf 3,2 Megawatt im Jahr 2016 erhöht. Gleichzeitig vergrößerte sich der Rotordurchmesser von 15 Meter auf durchschnittlich 109 Meter und die Nabenhöhe von 30 Meter auf durchschnittlich 128 Meter. Allerdings schwankt die Nabenhöhe erheblich, und zwar nach Angaben des Bundesverbandes Windenergie von 2016 je nach Standort zwischen 149 Metern in Bremen und nur 99 Metern in Schleswig-Holstein. Die Rotorblätter sind um ihre Längsachse verstellbar. Dadurch kann die Drehzahl der Rotoren bei wechselnden Windgeschwindigkeiten weitgehend konstant gehalten werden. Außerdem kann bei starkem Wind so die Angriffsfläche verkleinert und bei schwachem Wind vergrößert werden. Weiterhin ist die Gondel am Mast drehbar gelagert, wodurch sich die Rotoren den wechselnden Windrichtungen anpassen können. Bei zu hohen Windgeschwindigkeiten, etwa 25 Meter pro Sekunde, die wegen der hohen Zentrifugalkräfte zu Beschädigungen der Rotoren führen könnten, kann die Anlage automatisch durch Verstellen der Rotorblätter aus dem Wind genommen werden. Nach Angaben des Bundesverbandes Windenergie von April 2017 hat sich die Zahl der installierten Windkraftwerke auf dem Land und vor der Küste in den zehn Jahren von 2006 bis 2016 um 51 Prozent vergrößert, wobei die Leistung um den Faktor 2,4 gestiegen ist. Damit wir die relative Windgeschwindigkeit auf unsere Rotorblätter besser studieren können, haben wir an die Spitze eines jeden Rotorblatts unseres Modells ein rotes Band geklebt, und jeweils ein gelbes auf 1/4 der Distanz zwischen Blattwurzel und Blattspitze. Das Bild zeigt eine Anlage in Seitenansicht und von vorne. Da die meisten Windkraftanlage mit konstanter Drehgeschwindigkeit laufen, beträgt die Geschwindigkeit, mit der sich die Blattspitze durch die Luft bewegt (Blattspitzengeschwindigkeit), typischerweise 64 m/s, während sie in der Mitte der Nabe gleich Null ist. Auf 1/4 der Blattlänge werden wir ungefähr 16 m/s messen. Die gelben Bänder in der Nähe der Rotornabe werden weiter nach hinten geblasen werden als die roten am Blattende. Das liegt daran, daß an der Blattspitze die Geschwindigkeit rund 8 mal größer ist als die Windgeschwindigkeit, die von vorne auf die Anlage trifft. Warum sind Rotorblätter verwunden? Die Rotorblätter großer Windkraftanlagen sind immer verwunden. Vom Rotorblatt aus gesehen wird der Anströmwinkel zwischen Wind und Blatt immer steiler (d.h. die Windkomponente von vorne überwiegt), je weiter man sich in Richtung Blattwurzel, also in die Mitte des Rotors bewegt. Wie wir auf der Seite über den Strömungsabriß (Stall) gesehen haben, bricht der Auftrieb zusammen, wenn die Luftströmung in einem zu steilen Anströmwinkel auf das Blatt trifft. Rotorblätter müssen also verwunden sein, damit das Blattprofil an einer jeden Stelle immer ordnungsgemäß im Wind liegt. Bei Anlagen mit Regelung durch Strömungsabriß (Stall-Regelung) ist es wichtig, daß durch die Bauform des Rotorblatts bei hohen Windgeschwindigkeiten ein gradueller Strömungsabriß von der Blattwurzel zur Blattspitze erzeugt wird. Warum drehen sich Windräder auch bei Windstille?So ein Rotorblatt wiegt zwar über 25 Tonnen, das ist so viel wie 15 Autos, aber drehen tut es sich trotzdem. Weil erstens ist da oben in über 150 Meter Höhe mehr Wind als am Boden. Der zweite Grund ist, dass so ein Rotorblatt eine besondere Form hat, die den Wind besonders gut ausnutzt.
Warum drehen sich Windräder immer rechts herum?Es ist sinnvoll, weil die Produktion dadurch einfacher ist: Die Rotorblätter der Windräder sind ja im Längsprofil asymmetrisch geformt – sie haben eine Luv- und eine Leeseite, sodass sie die Windkraft möglichst effizient in eine Drehbewegung umsetzen.
Können sich Windräder in beide Richtungen drehen?Heute drehen sich die meisten Windräder im Uhrzeigersinn. Aus optischen Gründen hat sich eine einheitliche Richtung durchgesetzt. Denn Windparks würden sehr unruhig wirken, wenn sich die Räder unterschiedlich drehen. Strom kann in beide Richtungen gleich gut erzeugt werden.
In welche Richtung dreht sich eine Windmühle?Windmühlen drehen sich fast immer im Uhrzeigersinn, vom Müller in der Mühle (unter dem Winde) aus betrachtet, die wenigen, gegen den Uhrzeigersinn sich drehenden, heißen deshalb oft „falsche Mühlen“.
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Warum ist es wichtig dass der Wind immer von vorne auf die Rotorblätter bläst?
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