Leistungen Windenergie - Bauformen von Windkraftanlagen
Horizontale Rotationsachse
Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse müssen der Windrichtung nachgeführt werden. Die Gondel ist mit einem so genannten Azimutlager horizontal drehbar auf dem Turm angebracht. Die Windrichtung wird bei großen Anlagen über die Windrichtungsgeber ermittelt. Die Ausrichtung des Rotors in den Wind erfolgt dann mittels Stellmotoren.
Es wird danach unterschieden, ob sich der Rotor auf der dem Wind zugewandten Seite (Luvläufer) oder auf der dem Wind abgewandten Seite (Leeläufer) des Turmes befindet. Ein Vorteil von Leeläufern ist, dass (bei kleinen Anlagen) auf einen Windnachführungsmechanismus verzichtet werden kann. Der Wind dreht den Rotor automatisch in die richtige Richtung und sorgt für eine so genannte passive Windnachführung.
Leeläufer haben den weiteren Vorteil, dass die Gefahr einer Rotorblatt-Berührung mit dem Turm deutlich geringer ist, jedoch konnten sie sich bei großen Anlagen nicht durchsetzen, da es zu Unstetigkeiten in der Rotordrehzahl, zu mechanischen Schwingungs-Erscheinungen und zu elektrischen Schwankungen kommt (Oberwellen), wenn ein Rotorblatt den Windschatten des Turmes durchquert und dabei kurz das Antriebsdrehmoment schwankt.
Vertikale Rotationsachse
Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse gibt es unter anderem als Savonius-Rotor oder Darrieus-Rotor.
Die Strömung an einem Blatt eines Darrieusrotors ergibt sich durch Vektoraddition der Drehgeschwindigkeit mit der Windgeschwindigkeit. Während eines Umlaufs ändern sich durch diese Addition die effektive Windgeschwindigkeit, die Anströmrichtung und der Anstellwinkel der Rotorblätter stetig. Der Auftrieb an den Blättern ist senkrecht zur Anströmungsrichtung, so dass ein Teil des Auftriebs in Drehrichtung zeigt und das Drehmoment erzeugt (Vortrieb).
Je größer der Anstellwinkel ist, desto größer ist die Vortriebskomponente des Auftriebs, so dass das maximale Drehmoment an den Stellen entsteht, wo die Windrichtung senkrecht zur Drehrichtung ist. Wo Dreh- und Windrichtung parallel sind, entsteht kein Vortrieb, weil der Anstellwinkel gleich null ist. An dieser Stelle wird ein realer Darrieusrotor sogar abgebremst, weil die Reibung den Vortrieb dort überwiegt.
Der Teil des Auftriebs der Rotorblätter, der nicht in Drehrichtung zeigt, wirkt windaufwärts zur Drehachse hin, windabwärts von ihr weg. Insofern wird der Vortrieb als Impuls auf die Flügelbefestigungen jeweils entweder durch Zug- oder durch Druckkraft in Hebelkraft umgewandelt, welche infolgedessen das Drehmoment und Rotation verursacht. Der so entstehende Lastwechsel kann die Konstruktion stark beanspruchen. Ein- und zweiblättrige Rotoren erreichen während des Umlaufs je nach Auslegung des Blattprofils eine oder zwei Stellungen, an denen das Drehmoment geringfügig gegen die Drehrichtung wirkt. Der Rotor braucht genügend Drehimpuls, um diese Bereiche zu überwinden und läuft deshalb mit klassischen Flügeln nicht besonders gut an. Erst der dreiblättrige Rotor weist bei diesen immer ein positives Drehmoment auf, das sich mit der Schnelligkeit seiner Drehung durch die Addition von Dreh- mit der Windgeschwindigkeit verstärkt.
