orkanartiger Sturm
Warum dreht sich ein Windrad?
Bei einem Windradflügel ist stets die flache Seite dem Wind zugewandt, die runde Seite zeigt nach hinten. Wird der Flügel von vorne vom Wind angeströmt, so strömt der Wind an der Vorderseite schneller als an der Rückseite vorbei. Durch den kürzeren Weg an der glatten Vorderseite entsteht ein höherer Druck, an der Rückseite ein niedrigerer Druck. Dieser Unterschied erzeugt eine Kraft, die aus Auftrieb (Sogwirkung) und Widerstand (Verdrängung) besteht. Da die Flügel aber in der Mitte an einer Achse befestigt sind, treibt diese Antriebskraft die Flügel in Drehrichtung an.
Je nach Flügelprofil ist das Verhältnis vom Auftrieb zum Widerstand, Gleitzahl genannt, sehr unterschiedlich. Es ist möglichst ein Profil zu verwenden, bei dem die Auftriebskraft viel größer als der Widerstand ist, denn reine Widerstandsläufer (z.B. das Westernwindrad) drehen langsam und bringen nur wenig Leistung. Deshalb sind Ventilator- oder Autolüfterflügelräder für den Selbstbau eines Windrades, das zum Beispiel Strom erzeugen soll, ungeeignet.
Wenn wir das Wort „Windradflügel“ verwenden, so ist das eigentlich nicht richtig, es müsste „Repeller“ heißen. Denn er ist genau andersherum aufgebaut als ein Flugzeugpropeller (Wölbung vorne, glatte Fläche hinten), der ja motorisch angetrieben das Flugzeug im Wind nach „vorne schrauben“ soll. Deshalb ist es sinnlos, einfach einen Propeller eines Modell- oder Leichtflugzeuges für das selbst gebaute Windrad zu kaufen. Auch wenn solche immer wieder im Internet speziell für diesen Zweck angeboten werden.
Bei der Drehung im Wind läuft die Rotorblattspitze viel schneller als die Windgeschwindigkeit, das Verhältnis gibt man in der Schnelllaufzahl an. Eine Schnelllaufzahl 7 bedeutet, dass die Flügelspitze sieben mal schneller als der Wind ist. Durch die Flügelgröße, Flügelform und Stellung zum Wind wird die Schnelllaufzahl verändert, davon hängen die Leistungsfähigkeit und auch die Lautstärke ab, besonders bei kleinen Windrädern.
Ein langsam laufendes Windrad hat große Flügel, die steiler angestellt sind (schräger zum Wind), ein Schnellläufer benötigt kürzere Flügel mit flachem Profil. Wenn sie richtig konstruiert sind, holen beide die gleiche Leistung aus dem Wind heraus: Der langsamere Flügel erzeugt ein höheres Drehmoment, der schnellere Flügel erreicht dafür eine hohe Drehzahl (für einen schnell laufenden Generator zum Beispiel).
Da ja nicht jeder Punkt auf dem Flügel die gleiche Geschwindigkeit hat (außen an der Spitze ist die Geschwindigkeit viel höher als innen an der Nabe), muss das Flügelprofil speziell geformt sein: Innen ist es schräger zum Wind gestellt, außen deutlich flacher. Schon kleinste Formveränderungen können die Leistung und das Geräusch erheblich verändern, deshalb ist die Berechnung der Profile für höchste Energieausbeute Aufgabe von Fachleuten.
Was beeinflusst die Windradleistung?
Wenn ein Windrad eine Leistung erbringen soll, dann müssen die Rotorblätter die Kraft des Windes in ein Drehmoment (drehende Kraft) umwandeln. Dabei hängt die Energieausbeute von der Rotorgröße, der Windgeschwindigkeit und der Luftdichte ab.
Die Rotorgröße und das Rotorprofil entscheiden, wie viel Energie aus dem vorhandenen Wind geerntet werden kann. Dabei sorgt ein verdoppelter Rotordurchmesser zu einer Vervierfachung der Energieausbeute. Deshalb werden, auch weil die Windradstandorte knapp werden, ältere Windräder oft durch moderne mit größeren Rotoren ersetzt.
Die Windgeschwindigkeit sollte mit einem Windmesser an den Windradstandorten vorher gemessen werden, denn es macht wenig Sinn, wenn nur an wenigen Tagen ideale Bedingungen herrschen, aber an vielen anderen Tagen das Windrad steht. Entscheidend für eine hohe Energiegewinnung ist eine gleichmäßige Verteilung bestimmter Windgeschwindigkeiten. Diese sollten z.B. für die Großwindräder über 3,2 m/s (Meter pro Sekunde) sein, damit ein Windrad überhaupt wirtschaftlich arbeiten kann. Deshalb stehen an der Nordseeküste die größten Windparks, weil dort viel bessere Bedingungen herrschen als in Süddeutschland.
Die Luftdichte beeinflusst ebenfalls die Energieausbeute: Je schwerer die Luft ist, desto mehr Energie kann aus ihr gewonnen werden. Deshalb ist ein Standort in Meereshöhe besonders effektiv. Da die Luft in der Höhe dünner wird, wären Windräder auf Alpengipfeln (nicht nur aus optischen Gründen) wenig sinnvoll.
Das gilt alles nur für die großen Windräder, die möglichst viel Strom erzeugen sollen. Aber von den Großwindrädern können wir einiges auf unsere kleinen Windräder übertragen:
Die Leistung eines Windrades wird auch davon beeinflusst, wie gleichmäßig die gesamte Rotorfläche aus allen Richtungen angeströmt werden kann. Deshalb stehen die Großwindräder auch immer auf Bergkuppen und auf hohen Masten, damit keine Häuser oder Bäume für Verwirbelungen sorgen. Ist dies der Fall, dann dreht sich der Rotor unruhig, das Windrad versucht ständig sich nach der neuen Windrichtung zu drehen und das kann zu Schäden an der gesamten Mechanik führen.
Für unsere kleinen Windräder bedeutet das, dass wir den Mast möglichst weg von Zäunen, Hausvorsprüngen, Büschen oder Bäumen montieren sollten, damit das Windrad ruhig vom Wind angeströmt wird und nicht wild hin- und herdrehen muss. Dadurch läuft es ruhiger und geht nicht so schnell kaputt.
Natürlich bietet sich wegen der Höhe die Montage auf Hausdächern an. Allerdings können auf Dächern (Vorsicht: Resonanzgeräusche im Haus möglich!) je nach Dachneigung und Fassadenabstand starke Verwirbelungen entstehen.
Besonders auf Flachdächern stören Mauervorsprünge oder Kamine die gleichmäßige Anströmung des Windrades. Oder bei der Montage an der Dachkante kommt es zu plötzlichen böenartigen Aufwinden.
Deshalb ist es sinnvoller, einen möglichst verwirbelungsfreien Standort für einen Mast im Garten zu suchen.
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