Warum große Windkraftanlagen 3 Rotorblätter haben

Haben Sie sich jemals gefragt, warum Windturbinen 3 Rotorblätter haben und nicht mehr? Es gibt einen wissenschaftlich-pragmatischen Grund, warum 3 die magische Zahl ist.

Die Menschen nutzen die Windenergie schon seit Jahrhunderten. Von Segelbooten bis hin zu Windmühlen ist der Wind im Laufe der Menschheitsgeschichte zu einer wichtigen Energiequelle geworden.

In den letzten Jahren hat die Windenergie als effiziente, nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen an Popularität gewonnen. Überall auf der Welt stehen Windkraftanlagen an den Küsten und auf den Berggipfeln, und wahrscheinlich ist jeden schon das markante Design aufgefallen.

Warum also haben Windturbinen drei Flügel und nicht weniger oder mehr? Die Antwort liegt in der Technik, die hinter der Windenergie steckt, und darin, wie man den Energieertrag maximieren kann. Um möglichst effizient Strom zu erzeugen, gibt es eine Menge zu beachten.

Geschichte der Windenergie

Stromerzeugende Windturbinen sind älter, als mancher denkt. Die erste derartige Turbine wurde 1888 von Charles F. Brush erfunden. Sie hatte beachtliche 144 hölzerne Rotorblätter und konnte eine Leistung von 12 Kilowatt erzeugen.

Bis Mitte der 1930er Jahre war die Windenergie für viele ländliche Haushalte in Amerika die einzige Stromquelle. Turbinen waren eine kostengünstige Möglichkeit, abgelegene Orte mit Strom zu versorgen, die sonst nicht an die Hauptstromleitungen angeschlossen waren.

Nach dem Ausbau der Stromleitungen in den Vereinigten Staaten starben die Windturbinen
Die Prinzipien der Windenergieerzeugung sind heute so einfach wie im 19. Jahrhundert. Wind ist einfach Luft in Bewegung, und wo Bewegung ist, ist auch kinetische Energie.

Entscheidend: Die Rotorblätter

Windturbinen sind so konstruiert, dass sie ein Hindernis für diese kinetische Energie darstellen, sie verlangsamen und sie in elektrische Energie umwandeln. Dieses Hindernis besteht in den Turbinenblättern, die speziell so konstruiert sind, dass sie die größtmögliche Energiemenge liefern.

Die Konstruktion und Nutzung von Turbinenblättern ist jedoch eine heikle Wissenschaft, die von einer Reihe von Faktoren wie der Aerodynamik und dem Luftwiderstand abhängt.

Geschwindigkeit, Aerodynamik und die Schallgeschwindigkeit

Bei der Konstruktion der Rotorblätter einer Windkraftanlage spielen mehrere Faktoren eine Rolle. Der vielleicht wichtigste Faktor ist die Aerodynamik.

Die Aerodynamik bezieht sich auf die Eigenschaften eines festen Objekts und die Wechselwirkung der es umgebenden Luft mit diesem Objekt. Vor diesem Hintergrund werden die Flügel einer Windkraftanlage ähnlich wie die Tragflächen eines Flugzeugs konstruiert.

Der hintere Teil des Flügels ist stärker gekrümmt als der vordere, so wie sich auch die Tragfläche eines Flugzeugs am Ende nach oben wölbt. Diese unterschiedliche Form führt zu einem Druckunterschied, wenn sich die Luft über die Flügel bewegt, was wiederum die Flügel in Bewegung versetzt.

Aufgrund der Behinderung durch die Schaufel bewegt sich die Luft hinter der Schaufel mit einer höheren Geschwindigkeit als vor der Schaufel. Dadurch wird die Rotation der Schaufeln in Gang gesetzt, und der Prozess der Stromerzeugung beginnt.

Es reicht jedoch nicht aus, dass die Flügel durch den Wind bewegt werden. Die Ingenieure müssen bei der Konstruktion der Flügel auch die Geschwindigkeit und den Luftwiderstand berücksichtigen, um den höchsten Wirkungsgrad zu erzielen.

Entscheidend: Der Luftwiderstand

Wenn beispielsweise durch die Behinderung der Flügel ein zu großer Luftwiderstand entsteht, ist der Energieertrag wesentlich geringer. Wenn der Luftwiderstand zu gering ist, könnten sich die Flügel zu schnell bewegen, so dass sie die Schallmauer durchbrechen.

Einer der größten Vorteile von Windturbinen ist, dass sie sehr leise arbeiten. Würden sie die Schallmauer durchbrechen, wäre es wahrscheinlicher, dass sich die Anwohner in der Nähe der geplanten Windparks gegen die Errichtung der Anlagen aussprechen.

Wahl der perfekten Anzahl der Rotorblätter

Im Großen und Ganzen arbeiten die meisten Windturbinen standardmäßig mit drei Flügeln. Die Entscheidung, Turbinen mit drei Flügeln zu konstruieren, war eigentlich eine Art Kompromiss.

Aufgrund des geringeren Luftwiderstands wäre ein Blatt die optimale Anzahl für den Energieertrag. Ein Blatt könnte jedoch dazu führen, dass die Turbine aus dem Gleichgewicht gerät, und das ist für die Stabilität der Turbine nicht sinnvoll.

Auch zwei Flügel würden eine höhere Energieausbeute als drei bieten, aber auch hier gibt es Probleme. Windkraftanlagen mit zwei Flügeln sind anfälliger für ein Phänomen, das als gyroskopische Präzession bekannt ist und zu einem Taumeln führt. Dieses Taumeln würde natürlich zu weiteren Stabilitätsproblemen für die gesamte Anlage führen. Dies würde auch die Komponenten der Turbine belasten, so dass sie sich mit der Zeit abnutzen und immer weniger leistungsfähig werden.

Jede Anzahl von Flügeln, die größer als drei ist, würde einen größeren Windwiderstand erzeugen, die Stromerzeugung verlangsamen und somit weniger effizient sein als eine Turbine mit drei Flügeln.

Aus diesen Gründen sind Turbinen mit drei Flügeln der ideale Kompromiss zwischen hoher Energieausbeute und größerer Stabilität und Haltbarkeit der Turbine selbst.

Zukunft der Windturbinen: Keine Rotorblätter besser als drei?

Obwohl dreiflügelige Turbinen in den letzten Jahren zum Standardmodell der sauberen Energieerzeugung geworden sind, heißt das nicht, dass sie das immer bleiben werden. Ingenieure arbeiten immer noch an besseren, effizienteren Designs für die zukünftige Energieerzeugung.

Einer der beliebtesten Vorschläge ist eine schaufellose Turbine. Obwohl dies dem Widerstand, der für die Umwandlung der Windenergie in Elektrizität erforderlich ist, zu widersprechen scheint, bietet eine Turbine ohne Flügel tatsächlich eine Reihe von Vorteilen.

Ein Vorteil sind die Kosten und die Wartung. Heutige Turbinen werden in ihrem Betrieb sehr stark beansprucht. Sie können bis zu zwanzig Umdrehungen pro Minute machen und Geschwindigkeiten von 289 km/h erreichen, was eine enorme Kraft bedeutet. Zusammen mit der Erosion, der sie unter den widrigen Wetterbedingungen auf See ausgesetzt sind, ist es leicht zu verstehen, warum die Qualität der Turbinenschaufeln im Laufe der Zeit erheblich nachlässt.

Turbinen ohne Schaufeln – Die Zukunft?

Unternehmen wie Vortex Bladeless haben Prototypen schaufelloser Turbinen entwickelt, die die gyroskopische Bewegung zur Erzeugung von Windenergie nutzen. Die Produktion ihrer Konstruktion könnte bis zu 50 % weniger kosten als die herkömmlicher Turbinen und würde sich mit der Zeit nicht so stark abnutzen.

Zwar sind dreiflügelige Turbinen im Moment definitiv die effektivste Lösung, aber das wird vielleicht nicht immer so bleiben. Bis sich schaufellose Turbinen durchgesetzt haben, verdanken wir den größten Teil unserer Windenergieerzeugung der Effizienz von Dreiblatt-Turbinen.