Abb.1/I An der Spitze des Turmes befindet sich der Turmkopf. Er ist mitsamt dem Rotor um 360 Grad drehbar und kann durch eine Windrichtungsnachführung, die meist elektromotorisch arbeitet, in die jeweils günstigste Position gebracht werden.

Die Steuerung der Nachführung erfolgt entweder vollautomatisch durch eine elektronische Meß- und Regelanlage oder mechanisch mit Hilfe von Seitenrädern bzw. Windfahnen. Die Rotorblätter sind bei modernen Windkraftanlagen nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltet. Im Gegensatz zu früheren Windrädern entsteht die Drehung des Rotors nicht nur nach dem einfachen Widerstandsprinzip, sondern auch durch aerodynamisch erzeugte Auftriebskräfte, die an den Rotorblättern wirksam werden.

Abb1/II Die Form der Rotorblätter ähnelt dem Profil einer Flugzeugtragfläche, deren Oberseite stärker gewölbt ist als die untere Seite. Durch dieses Profil wird die Geschwindigkeit der anströmenden Luft einerseits erhöht (Oberseite), andererseits herabgesetzt (Unterseite). An der unteren Seite des Profils bildet sich im Bereich der verlangsamten Strömung ein Überdruck, an der oberen Seite entsteht dagegen Unterdruck. Die unterschiedlichen Druckverhältnisse führen dazu, daß an dem Profil Auftriebskräfte wirksam werden. Durch diesen Auftrieb wird eine Flugzeugtragfläche nach oben gedrückt; das Rotorblatt einer Windkraftanlage indes erhält Antrieb in Drehrichtung (Rotordrehmoment).

Dadurch kann doppelt soviel Windenergie genutzt werden als bei herkömmlichen Widerstandsblättern.

Automatische Rotorblattverstellung: um die Drehzahl des Rotors zu regeln. Sie befindet sich in der Nabe und kann die Leistungsaufnahme des Rotors je nach Windgeschwindigkeit verändern: Bei schwachem Wind werden die Rotorblätter so eingestellt, daß sie in voller Breite gegen die Strömung stehen; bei stärkerem Wind läßt sich der Einstellwinkel zunehmend reduzieren, bis die Blätter parallel zur Windströmung gerichtet sind ("Fahnenstellung") und der Rotor nicht mehr in Drehung kommt.

Die Regelung der Leistungsaufnahme durch automatische Rotorblattverstellung wird häufig auch als Pitch-Regelung bezeichnet (engl. pitch: Neigung/Schrägung). Drehzahl kann trotz schwankender Windstärke relativ konstant gehalten werden => gleichmäßiger Lauf des Generators.

An der Verbindungswelle zwischen Rotor und Getriebe bzw. Getriebe und Generator Abb.1/I befindet sich eine Bremsvorrichtung (Scheibenbremse), mit der sich die Anlage zum Beispiel bei Sturmgefahr festsetzen läßt.

Bei kleineren Anlagen (bis 20m Rotordurchmesser) nutzt man denn aerodynamischen ‚Stall-Effekt‘ (engl. Abrutschen, überziehen) Dies bedeutet, daß die Luftströmung an den Rotorblättern ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit in zunehmendem Maße abreißt.

=> Rotordrehzahl wird herabgesetzt. (aber speziell gestaltete Profile der Rotorblätter erforderlich)

Als zusätzliche Sicherung gegen Überdrehen befinden sich in den Rotorblättern aerodynamisch wirkende Bremsklappen, die bei einer bestimmten Drehzahl des Rotors ausgefahren werden.

Der Wirkungsgrad von Dreiblattrotoren erreicht zwar nicht die optimalen Werte von Zweiflügern, das Anlaufen erfolgt jedoch schon bei geringeren Windgeschwindigkeiten. Die Drehzahl der Rotoren liegt vergleichsweise niedrig; die Laufruhe ist wegen der ausgewogeneren Gewichtsverteilung im allgemeinen hoch. Diese

Eigenschaften gelten generell für alle drei- und mehrblättrigen Rotoren; der Wirkungsgrad fällt allerdings mit zunehmender Blattzahl ab.

Ungewöhnlich erscheint der Anblick einer einflügeligen Windkraftanlage. Abb.1/IV

Einflügelige Rotoren erreichen höhere Drehzahlen als alle Mehrflügler. Bei mehreren Blättern verringert sich die Drehzahl zunehmend: Sobald ein Rotorblatt in den Bereich gelangt, aus dem vom "Vorläufer" bereits Energie entzogen wurde und wo die Luft

nun verwirbelt ist, wird das Drehmoment schwächer. Die Belastungen, die bei Einflüglern am Rotorblatt entstehen, sind sehr hoch: Die Umlaufgeschwindigkeit der Blattspitze kann bei großen Anlagen mehr als 400 km/h betragen.

Mit der hohen Rotordrehzahl ist allerdings kein besserer Wirkungsgrad verbunden, denn die Reduzierung von zwei Rotorblättern auf nur ein Blatt bedeutet, daß der maximal mögliche

Leistungsbeiwert um etwa 10 Prozent sinkt, da die vorhandene Windleistung nicht vollständig aufgenommen werden kann.

Gegenüber dem Zweiblatt-Rotor ist die verfügbare Blattfläche so stark verringert, daß dieser Nachteil auch durch die schnellere Drehung nicht kompensierbar ist. Als Vorteil der Einblatt-Konverter mag aber gelten, daß Kosten und Material für die Fertigung zusätzlicher Rotorblätter eingespart werden.

Für die Betriebsweise moderner Horizontalachsen-Konverter gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: als Leeläufer oder als Luvläufer.

Leeläufer Vorteile: Rotoren werden nicht gegen den Turm gedrückt

Stellen sich automatisch nach dem Wind

Nachteile: Turm verursacht Windschatten

Die sich Abrupt verändernde Stömung im Turmschatten führt zu

Stoßartigen Belastungen der Rotoren

Die Rotorblätter selbst werden heute überwiegend aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt. Bei den dänischen Windkraftanlagen hat sich eine Bauweise durchgesetzt, die trotz relativ geringer Masse hohe Festigkeit aufweist: Abb2/VI

Der Kern dieser Rotorblätter besteht aus einem ovalen Holm, der aus Glasfasermaterial in Verbindung mit einem Kunststoffharz gewickelt ist. Die äußeren Schalen sind aufgeklebt; sie bestehen aus einem glasfaserverstärkten Laminat von besonders glatter Oberfläche.

Für extrem leichte Verbundbauweisen werden Fasermaterialien aus Graphit bevorzugt (sogenannte Kohlefasern). Die Steifigkeit von Kohlefaser-Bauteilen ist mit der Stabilität von Stahlkonstruktionen vergleichbar; der Einsatz des Materials wird allerdings durch die hohen Kosten des Graphitwerkstoffes begrenzt.

Der Turm, an dessen Spitze sich Rotor und Maschinengondel eines Horizontalachskonverters befinden, ist ein wesentlicher Bestandteil der gesamten Anlage. Wegen der Festigkeit werden heute als Baumaterialien ausschließlich Stahl oder Beton verwendet. Die einfachste und zugleich preisgünstigste Konstruktion besteht aus fachwerkähnlichem Stahlgitter, das sich für Turmhöhen bis zu 30 Metern eignet. Optisch wirken Stahlgittertürme allerdings weniger ansprechend.

Überwiegend haben sich freistehende Stahlrohrtürme durchgesetzt, die aus vorgefertigten Rohren am Aufstellungsort der Windkraftanlage zusammenmontiert werden. Bei sehr hohen Türmen läßt sich die notwendige Biegesteifigkeit durch zusätzliche Abspannseile erreichen.

Am aufwendigsten sind Turmkonstruktionen aus Stahlbeton. Sie bieten die größte Festigkeit und sind hinsichtlich des Schwingungsverhaltens am besten beherrschbar.

Auch die Übertragung unwillkommener Laufgeräusche kann durch Betontürme erheblich eingedämmt werden.

• Exsistenz ab dem 7.JH v. Chr. Nachweisbar (persisch-afgan. Grenzgebiet) è

• moderner Vertikalachsenkonverter nach George Darrieus benannt (1931)
• Drehimpuls entsteht nach dem aerodynamischen Prinzip Abb.2/III
• Vorteil : Funktion nicht von der Windrichtung abhängig
• Nachteil: nutzen nur ca.37% der Windenergie (moderne 2-flügler nutzen bis zu 45%)

Rotorblätter lassen sich nicht verstellen (Drehzahlreglung)

• H-ROTOR: Abb.2/II
• Besonderer Form der Darrieus-R.
• Mit verstellbaren Rotorblättern
• Z.Zt. in England als Prototypen

• gegen Ende d. 19.JH bekannt geworden
• weite Verbreitung als Lüftrad auf Schiffen oder Lieferwagen und Eisenbahenen
• Prinzip: 2 sich überlappende Schaufeln è
  Wind wird zuerst in eine Schaufel gedrückt, dann in die andere umgelenkt
• Wirkungsgrad 27% => zu wenig um sie kommerziell z. Energiegewinnung zu nutzen
• Vorteil: laufen schon bei geringer Windgeschw. An – Anlaufhilfe bei Darriues-R.