Widerstands- und Auftriebsläufer
Widerstandsläufer
Ein Widerstandsläufer entnimmt dem Wind Leistung nach dem Widerstandsprinzip und wandelt diese in mechanische Leistung um. Dem Wind wird eine Fläche A entgegengestellt. Diese vermindert die Windströmung, somit entsteht eine Kraft, die die Fläche in Windrichtung schiebt.
Die Widerstandskraft FW ist proportional zu dem Quadrat der Windgeschwindigkeit v, der Fläche A, dem Strömungswiderstandskoeffizient cW des Körpers, sowie der Luftdichte ρ in kg/m³.
Der Widerstandskoeffizient cW (W für Widerstand) ist ein Maß, um den Luftwiderstand des Körpers zu charakterisieren und wird häufig in einem Windkanal ermittelt.
Je kleiner der cW Wert ist desto geringer ist der Luftwiderstand. cW nimmt beispielsweise einen Wert für eine Kreisplatte quer zum Wind von 1,11, für eine Quadratplatte 1,10, und für eine Kugel den Wert 0,45 an.
Widerstandsläufer haben eine Schnelllaufzahl von maximal 1. Das heißt, das Blatt kann sich höchstens so schnell bewegen wie der Wind. Dadurch hat ein Widerstandsläufer auch einen geringen Leistungsbeiwert (cP.W,max = 19%) und wird daher nicht zur kommerziellen Stromgewinnung verwendet.
Typische Vertreter von Widerstandsläufern sind alte persische Windmühlen, sowie ein Schalenkreuzanemometer, das zur Messung von Windgeschwindigkeiten eingesetzt wird.
Auftriebsläufer
Bei modernen Windenergieanlagen werden die Rotorblätter durch das Prinzip des aerodynamischen Auftriebs bewegt. Wenn der Wind auf ein Rotorblatt trifft, so wird Luft oberhalb und unterhalb des Blattes entlanggeführt. Die Strömung wird nach unten umgelenkt. Dabei entsteht oberhalb des Blattes ein Unterdruck (Saugseite) und unterhalb des Blattes ein Überdruck (Druckseite). Durch diese Druckdifferenz wird eine Auftriebskraft FA erzeugt, die definitionsgemäß immer senkrecht zur Anströmung steht und die das Rotorblatt antreibt und somit den Rotor in Drehung versetzt.
Auftriebsläufer können horizontale oder vertikale Achsen besitzen. Der maximale Leistungsbeiwert cp für Auftriebsläufer beträgt theoretisch 59 % (siehe Betz Theorie) und liegt somit wesentlich höher als bei Widerstandsläufern. Reale Windenergieanlagen erreichen einen cp,max-Wert von 45 bis 52 %.
Die Auftriebskraft nimmt mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit v, mit der Tragfläche A, der Luftdichte ρ und dem Auftriebsbeiwert cA zu. Für die Auftriebskraft FA gilt:
Die Fläche A ist die Größe der Tragfläche, und ist gleich der Breite bzw. Profillänge mal der Profiltiefe des Blattes (Abstand zwischen Vorderkannte und Hinterkante). Der Auftriebsbeiwert cA ist abhängig vom Anstellwinkel αA. Mit der Anpassung des Anstellwinkels kann die Auftriebskraft gesteuert und die Rotorleistung reguliert werden (siehe Leistungsregelung).
Die durch Reibung an der Oberfläche verursachte Widerstandskraft FW tritt auch bei Auftriebsläufern auf, aber bleibt bei einem geringen Anstellwinkel sehr klein (20 bis 100 Mal niedriger als die Auftriebskraft). Sie ist immer in Anströmrichtung orientiert. Ab einem Anstellwinkel von circa 20 Grad beginnt die Widerstandskraft deutlich größer zu werden.
Gleitzahl
Die Gleitzahl ε ist das Verhältnis zwischen dem Auftriebsbeiwert cA und dem Widerstandsbeiwert cW und bestimmt die Güte des Blattes. Die Gleitzahl hängt von dem Blattprofil und dem Anstellwinkel ab. Je größer die Gleitzahl, desto geringer die Luftwiderstandverluste, desto schneller das Blatt und besser der Wirkungsgrad. Gute Profile für Windenergieanlagen erreichen eine Gleitzahl von 60 und mehr.
