Aerodynamik von Windenergieanlagen

Die maximal erreichbare Auftriebskraft eines Rotorblattes und folglich die optimale Leistung der Windenergieanlage hängt von der Strömungsgeschwindigkeit c der Luft auf das Rotorblatt, genauer auf das Rotorblattprofil, ab. Diese Anströmgeschwindigkeit c ist nicht mit der Windgeschwindigkeit v₁ zu verwechseln. Sie ergibt sich aus dem vektoriellen Zusammenhang zwischen der Windgeschwindigkeit in der Rotorebene v₂ (welche 2/3 der ungestörten Windgeschwindigkeit v₁ beträgt) (siehe Betz-Theorie) und der Umfangsgeschwindigkeit u, die durch die Eigendrehung des Rotorblattes entsteht.

Die Umfangsgeschwindigkeit u nimmt mit dem Abstand zur Rotornabe linear zu, somit steigt auch die Anströmgeschwindigkeit auf das Blatt von innen nach außen linear an. Um den unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten gerecht zu werden, wird für jeden Abschnitt des Rotorblattes dr (auch Blattelement genannt) ein geeignetes Profil und optimale Einbaulage gefunden. In der Rotorebene ergibt sich hieraus ein Ringschnitt mit der Breite dr.

Vor allem im Bereich der Blattspitze spielt eine hohe Gleitzahl eine wichtige Rolle. Im Innenbereich des Rotorblattes ist die Anströmgeschwindigkeit c deutlich geringer. Dies erfordert hier dickere Profile. Dies kommt auch den Festigkeitsanforderungen entgegen, da an der Blattwurzel die größten Belastungen auftreten. Somit wird das Profil zur Blattspitze hin immer schlanker.

Ein wichtiger Parameter für die aerodynamische Auslegung der Rotorblätter ist die Schnelllaufzahl λ. Sie gibt das Verhältnis von Blattspitzengeschwindigkeit (Umfangsgeschwindigkeit u=Ω∙R) zur ungestörten Windgeschwindigkeit v₁ an.

Da die Anströmgeschwindigkeit auch mit der Schnelllaufzahl λ zunimmt, sind die Rotorblattprofile für Schnellläufer und Langsamläufer unterschiedlich. Westernmills zum Pumpen von Wasser, die Langsamläufer mit λ_A =1 sind, verwenden gewölbte Platten als Rotorblätter. Für stromerzeugende Windenergieanlagen, die eine hohe Schnelllaufzahl ( λ_A = 5 bis 9) haben, werden Hochauftriebsprofile eingesetzt ( λ_A: Schnelllaufzahl im Auslegungspunkt).

Mit dem Abstand zur Rotorachse variiert nicht nur der Wert, sondern auch die Richtung der Anströmung c und somit auch der Auftriebskraft, die immer senkrecht zur Anströmrichtung wirkt. Um an jeder Stelle längs des Rotorblattes an jedem Blattelement den gleichen Anströmwinkel (Winkel zwischen Anströmung und Profilsehne) zu realisieren, muss das Rotorblatt in sich verwunden sein.

Aerodynamische Verluste treten am Rotorblatt durch Reibung an der Profiloberfläche als so genannte Profil-Verluste auf sowie durch den Druckausgleich an der Blattspitze, die Tip-Verluste. Durch die in der abströmenden Luftsäule induzierte Drehung, den Nachlaufdrall (Drall-Verluste) entstehen weitere aerodynamische Verluste. Während der theoretische maximale Rotorwirkungsgrad bei circa 59% Leistung liegt (siehe Betz), erreichen reale Windenergierotoren einen Wirkungsgrad von rund 50%.