Wie funktionieren Windräder?

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Auf der physikalischen Ebene entsteht Energie, wenn Masse beschleunigt wird. Und wenn Luftmassen sich bewegen, ist bereits Energie vorhanden. Bei Windrädern wird diese Bewegungsenergie des Windes mithilfe der Elektromechanik in elektrische Energie umgewandelt. Das Windrad wiederum treibt einen Generator an und dieser erzeugt die elektrische Energie. Damit dabei Strom entstehen kann, muss sich der Rotor mit einer bestimmten Geschwindigkeit drehen. So entscheidet die Drehzahl darüber, ob und wie viel Strom gewonnen werden kann.

Eine Frage der Ausformung

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Die Luftmassen treffen auf das Windrad und die Windenergie versetzt den Rotor in Bewegung. Die Rotorblätter sind so geformt, dass den vorherrschenden Windströmen gerade genug Angriffsfläche geboten wird, um die Regeln der Aerodynamik optimal ausnutzten zu können. Wegen der speziellen Ausformung der Rotorblätter entstehen Auftriebskräfte, die sich im ausgewogenen Verhältnis auf den Oberflächen der Tragflächen verteilen. Und durch die entgegengesetzte Montage von zwei oder drei Tragflächen auf einer Antriebswelle unterstützen diese sich gegenseitig in ihrer jeweiligen Bewegung. Der Grund dafür, dass Tragflächen zum Rand hin schmal zulaufen und leicht aus dem Wind gedreht sind, ist, dass im Innenbereich des gesamten Rotors geringere Geschwindigkeiten und Kräfte wirken.

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Die optimale Bauform

Die häufigste Rotor-Bauform ist die mit drei Tragflächen. Sie hat sich weitestgehend durchgesetzt, weil sie die momentan effizienteste ist. Denn die mechanische Beanspruchung aller Bauteile muss berücksichtigt werden und ein Kompromiss zwischen einer möglichst dauerhaften Energieausbeute und einer geringmöglichen Materialbelastung gefunden werden.

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Die Bauform einer Windkraftanlage hängt davon ab, wo sie letztendlich eingesetzt wird. Die größeren Windräder von Starkwindanlagen haben einen größeren Rotordurchmesser sowie Tragflächen, die weniger Luftwiderstand bieten. Denn mit Bauhöhen von bis zu 150 Metern sind sie stärkeren Winden ausgesetzt, können aber die gleiche Leistung erbringen wie kleinere Schwachwindanlagen. In modernen Anlagen können die Gondeln samt Generatoren und Rotoren ideal in der Horizontalen zur Windrichtung gedreht werden. Und auch der Winkel der einzelnen Tragflächen der Rotoren ist einstellbar, wodurch die Drehzahl und Leistung reguliert werden.