Widerstand- und Auftriebsprinzip

Bevor die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umgewandelt werden kann, muss zuerst die kinetische Energie in mechanische Energie umgewandelt werden. Dieser erste Schritt wird durch den Rotor der Windkraftanlage realisiert. Für diese Umwandlung gibt es zwei Prinzipen:

Das Widerstandsprinzip und das Auftriebsprinzip.

 

Widerstandsprinzip

Abb: Luftwiderstand als Antriebskraft
Abb: Luftwiderstand als Antriebskraft

Hierbei schiebt der Wind jede Fläche A quer zu seiner Richtung und es entsteht die sogenannte Widerstandskraft die die Fläche bewegt. Die Widerstandskraft ist proportional zu dem Quadrat der Windgeschwindigkeit v, der Fläche A, dem Widerstandskoeffizient cW der Fläche und der Luftdichte p.

 

Der Widerstandskoeffizient cW (W für Widerstand) wird auch Widerstandsbeiwert oder cW-Wert genannt. Durch ihn wird der Luftwiderstand des Körpers charakterisiert und wird zum Beispiel in einem Windkanal ermittelt. Je kleiner der cW-Wert ist, desto geringer ist der Luftwiderstand.  

Ein anderer Widerstandsläufer ist das Schalenkreuzanemometer. Der cW-Wert einer offenen und einer geschlossenen Halbkugel ist gleich und der Widerstand der offenen Halbkugel ist größer, als der der geschlossenen Kugel, deshalb rotieren die Schalen. 

Das Problem bei diesem Prinzip ist, dass die Widerstandsläufer sich nicht schneller als der Wind drehen können. Sie sind Langsamläufer und die Verluste sind daher sehr groß und der Leistungsbeiwert (aerodynamischer Wirkungsgrad) sehr gering. 


 

Abb: Auftriebsprinzip als Antriebskraft
Abb: Auftriebsprinzip als Antriebskraft

Bei den neueren, modernen Windkraftanlagen werden die Blätter durch ein neues Prinzip bewegt, das Auftriebsprinzip. Die Antriebskraft ist die Auftriebskraft.

Das Prinzip ist das Selbe wie das an Flugzeug- und Hubschrauber- Flügel. Die Fläche der Flügeloberseite ist hierbei größer als die der Unterseite. Da die Länge größer ist muss sich die Luft an der Oberseite schneller bewegen als die an der Unterseite.


 

Da also an der Oberseite die Luftgeschwindigkeit größer ist als an der Unterseite, resultiert daraus ein Unterdruck an der Oberseite und ein Überdruck an der Unterseite. Die Druckverhältnisse sind der Grund, dass ein Flugzeug abheben und fliegen kann. Das gleiche Prinzip wird auch bei dem Rotorblatt einer Windkraftanlage genutzt, um es zu bewegen. 

Die Auftriebskraft kann mit der Anpassung des Anstellwinkels α beeinflusst werden, da der Auftriebsbeiwert cA abhängig davon ist. Ab einem Anstellwinkel von 20 Grad beginnt die Widerstandskraft größer zu werden.


 

Gleitzahl

Die Güte des Blattes wird durch das Verhältnis zwischen dem Auftriebsbeiwert cA und dem Widerstandsbeiwert cW bestimmt. Es wird durch die Gleitzahl ε beschrieben.

Gute Profile erreichen eine maximale Gleitzahl von 100 und mehr. Die Gleitzahl hängt von dem Blattprofil und dem Anstellwinkel ab.