Von vielen möglichen technischen Ausführungen haben sich für die Stromerzeugung dem Wind zugewandte Anlagen (sogenannte Luvläufer) mit horizontaler Achse und drei Flügeln durchgesetzt. Je nach Einsatzgebiet kommen in Nischenanwendungen aber auch noch Windkraftanlagen mit vertikaler Achse bzw. mit mehr oder weniger als drei Flügen vor.

Windrad

Auftriebsläufer

Die derzeit am weitesten verbreitete Anlagenart besteht aus einem Turm, einer Gondel (die auf dem Turm sitzt) sowie dem Rotor mit den Flügelblättern. Der Turm sorgt für eine ausreichende Höhe, in der der Wind stärker und gleichmäßiger bläst. In der Gondel befinden sich je nach Bauart ein Getriebe und ein Generator oder nur der Generator, welcher die Drehbewegung des Rotors in Strom umwandelt.

Maximaler Wirkungsgrad einer Windkraftanlage

Aus strömungsmechanischen Gründen kann dem Wind nicht alle Energie entnommen werden. Würde man ihm alle Energie entnehmen, so würde die Luft hinter dem Rotor stehen. Das bedeutet, dass sich dort Luft „ansammeln“ würde, der Druck würde hinter dem Rotor also zunehmen, und damit würde die Windgeschwindigkeit vor dem Rotor abnehmen. Die Berechnung dieses Umstandes führt zu einer maximalen Energieentnahme von ca. 59 Prozent.

Von der Windgeschwindigkeit zur Rotordrehung

Die Flügel des Windrades haben eine Form mit einem hohen Auftriebsbeiwert, so dass sich eine Auftriebskraft ergibt. Durch die Drehung des Rotors werden die Flügel von zwei Seiten angeströmt, einmal durch den Wind und durch die Drehbewegung.

Die Anströmung des Rotorblattes setzt sich also aus zwei Komponenten zusammen: Aus dem „Gegenwind“ der Drehung sowie dem Wind von vorne. Da die Geschwindigkeit der Drehung um ein Vielfaches größer ist als die des Windes, ergibt sich die Anströmung von schräg vorne. Aufgrund des Flügelprofils ergibt sich eine große Auftriebskraft und zu einer sehr kleinen Widerstandskraft.

Damit der Anströmwinkel immer korrekt ist und somit den maximalen Auftrieb erzeugt, müssen die Rotorblätter verstellbar sein. Insbesondere beim Hochfahren der Windenergieanlage muss der Anstellwinkel der Rotorblätter kontinuierlich der steigenden Umlaufgeschwindigkeit des Rotors angepasst werden.

Die Auftriebskraft sorgt für die Drehbewegung des Rotors. Die Drehung wird über eine Welle an einem Generator geleitet, der damit Strom erzeugt.