Wind ist bewegte Luft. Er entsteht durch die Einstrahlung der Sonne auf die Erde, die zu einer Erwärmung der Luft führt. Da Luft mit höherer Temperatur eine geringere Dichte hat, entstehen Hoch- und Tiefdruckgebiete.

Windrad

Windenergie

Der Ausgleich des Druckgefälles zwischen Hoch- und Tiefdruck setzt die Luft in Bewegung, der Wind ist also ein Druckausgleich. Die bewegte Luft besitzt kinetische Energie, die der Mensch schon seit Jahrtausenden z. B. in Windmühlen oder auf Segelschiffen nutzt. Die Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung begann im 19. Jahrhundert.

Funktionsprinzip

Befindet sich ein Körper in einem strömenden Fluid, (z. B. Luft oder Wasser), wirken auf ihn zwei Kräfte:

  • Widerstandskraft und
  • Auftriebskraft.

Wie groß diese Kräfte sind, ist abhängig von der Dichte des Fluides, dessen Geschwindigkeit, der Fläche des Körpers, auf die das Fluid wirkt und einem Beiwert. Der Beiwert gibt an, wie stark die Kraft auf den Körper wirkt. Bei der Widerstandskraft wird der Körper in Richtung der Strömung „gedrückt“.

Die Auftriebskraft sorgt hingegen für eine Kraftwirkung senkrecht zur Strömungsrichtung. Es ist dieselbe Kraft, die auch ein Flugzeug zum Fliegen bringt. Zur Nutzung der Windkraft unterscheidet man Anlagen, die jeweils eine der beiden wirkenden Kräfte nutzen:

Widerstandsläufer und Auftriebsläufer

Auftriebsläufer haben gegenüber Widerstandsläufern den großen Vorteil, dass deren Drehgeschwindigkeit höher sein kann, als die Strömungsgeschwindigkeit. Entscheidend dafür ist die Anströmgeschwindkeit. Diese ergibt sich aus der Windgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit der Umdrehung.

Da die Kraft beim Widerstandsläufer in die gleiche Richtung wirkt, wie der Wind strömt, ist die Anströmgeschwindigkeit die Differenz aus beiden Geschwindigkeiten. Der maximal mögliche Wirkungsgrad liegt bei ca. 19 Prozent.

Beim Auftriebsläufer hingegen wirkt die Kraft senkrecht zur Strömung, beide Geschwindigkeiten werden (als Vektoren) addiert. Die größere Geschwindigkeit der Drehung führt zu einer höheren Effizienz, weshalb sich die Auftriebsläufer zur kommerziellen Stromerzeugung durchgesetzt haben.