Warum haben Windräder immer genau drei Flügel?

Viel kritisiert aber doch immer mehr gebaut – Windräder oder, wie die offizielle Bezeichnung ist, Windkraftanlagen – sieht man immer häufiger, nicht nur in Deutschland. Ob auf erhöhten Landstrichen oder auch auf offener See, überall ragen sie in den Himmel. Jeder kann sie sich sofort vorstellen mit ihren drei riesigen Flügeln. Doch warum sind das denn eigentlich drei Flügel? Warum sind es nicht mehr oder vielleicht auch weniger?

In die Entscheidung, eine Windkraftanlage mit drei Flügeln jeweils um 120° versetzt zu bauen, fließen viele Faktoren ein. Grundsätzlich gilt nämlich eigentlich, je mehr Flügel, desto mehr Angriffsfläche für den Wind und desto mehr umgewandelte Energie. „Umgewandelt“ deswegen, da die Bewegungsenergie des Windes, der die Rotorblätter antreibt, mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie übergeführt wird. Der Begriff „Energieerzeugung“ ist somit eigentlich nicht richtig. Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden, sie wird nur von einer Form (Bewegung des Windes) in eine für uns nutzbare (Elektrizität) umgewandelt.

Doch zurück zur Anzahl der Rotorblätter. Mit jedem zusätzlichen Flügel eines Windrades steigt theoretisch die vom Wind aufgenommene Energie. Warum also nicht vier, fünf oder noch mehr Flügel an eine Windkraftanlage bauen?

Erstens steigt die aufgenommen Energie nicht mit jedem zusätzlichen Flügel gleich. Je mehr Flügel ein Windrad hat, desto weniger hat der Wind die Möglichkeit, durch die Rotorblätter durch zu strömen. Ein Teil des Windes soll natürlich direkt auf die Fläche der Flügel treffen, ein Teil muss aber auch hindurch strömen können, um den Windfluss aufrecht zu erhalten. Nehmen wir mal das Extrembeispiel an. An ein Windrad werden so viele Flügel montiert, dass eine komplette Scheibe entsteht. Die Angriffsfläche für den Wind wird somit maximal, jedoch gibt es keine Möglichkeit mehr zwischen den Rotorblättern hindurch zu strömen. Der Wind trifft also auf die Scheibe und staut sich davor auf. Eine Art Wand entsteht, die den nachfolgenden Wind davon abhält, überhaupt erst zu dem Windrad zu gelangen. Der Windfluss ist dadurch komplett zum Erliegen gekommen. Natürlich ist das ein Extrembeispiel, doch der gleiche Effekt tritt auch schon bei einer geringeren Anzahl an Flügeln auf. Aus diesem Grund steigt die Energie nicht mit jedem zusätzlichen Flügel gleichermaßen an. Ein viertes Rotorblatt bringt vielleicht noch 10% Steigerung, ein fünftes dann schon nur noch 7% und so weiter.

Ein weiterer Grund hierfür ist, dass ein Flügel ein ordentliches Gewicht mit sich bringt. Je mehr Flügel, desto schwerer wird also der Teil der Anlage, der sich nachher drehen soll. Das physikalische Gesetz der Trägheit besagt, dass man für eine größere Masse eine größere Kraft benötigt, um diese in Bewegung zu bringen. Folglich wird sich ein schwerer Rotor langsamer drehen, als ein leichterer. Langsamere Drehung bedeutet wiederum geringere Leistung.

Ein zusätzlicher Faktor, der immer in die Konstruktion von Maschinen und Apparaten einfließt, sind die Kosten. Die Windkraftanlage muss sich finanziell rentieren. Da jedes weitere Rotorblatt zusätzliche Kosten hervorruft, sowohl bei der Anschaffung, also auch bei der Instandhaltung, ist es aus wirtschaftlicher Sicht nicht mehr rentabel, einen vierten Flügel anzubringen, auch wenn dieser die Leistung des Windrades noch weiter steigern würde.

Das ist aber nicht der einzige Grund, warum man sich für drei Flügel entschieden hat. Bei einer geraden Anzahl an Flügeln, z.B. vier, stehen sich immer zwei Flügel direkt gegenüber, das heißt wenn einer der Flügel ganz unten ist, ist einer auch ganz oben. Wenn ein Rotorblatt ganz unten ankommt, muss es zwangsläufig den Mast der Anlage passieren. Vor dem Mast tritt allerdings genau das Phänomen ein, das ich oben bereits erklärt habe. Der Windfluss ist an dieser Stelle zu einem bestimmten Teil unterbrochen. Während der Flügel also den Mast passiert, wirkt eine geringere Kraft auf ihn, als an anderen Stellen der Kreisbewegung. Das Rotorblatt, das dem Unteren gegenüber steht, also ganz oben, erfährt allerdings die volle Kraft des Windes. Jetzt kann man sich diese beiden Flügel wie einen Balken vorstellen, der in der Mitte befestigt ist. Auf die obere Seite wirkt eine stärkere Kraft, als auf die Untere. Was passiert also? Der Balken versucht zu kippen. Oben nach hinten und unten folglich nach vorne. Natürlich würden die Flügel nicht wirklich kippen, aber die Aufhängung der Flügel muss diese Kräfte aushalten, was zu einem deutlich schnelleren Verschleiß führen würde. Außerdem kann das Windrad dann nicht mehr gleichmäßig im Kreis laufen, was auch für die gesamte Anlage eine massive Belastung darstellt.

Ein letzter, allerdings nicht ganz so schwerwiegender Punkt ist die Tatsache, dass jedes Rotorblatt Geräusche erzeugt, wenn es sich dreht. Ein Windrad mit vier Flügeln würde dadurch mehr Lärm erzeugen, als eines mit drei und müsste somit auch mit mehr Abstand zu Behausungen gebaut werden.

Man sieht es gibt viele Kriterien, die bei dem Bau einer Windkraftanlage beachtet werden müssen und all diese haben letztendlich dazu beigetragen, dass wir all unsere Windräder mit exakt drei Flügeln sehen.

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