Bundesverband WindEnergie e.V.

Anzahl von Blättern

Oft wird die Frage gestellt, wieso es für die große Mehrheit der Windkraftanlagen 3 Blätter und nicht weniger (oder mehr) gibt.

 

Mehrere Faktoren beeinflussen diese Wahl:

Wirkungsgrad:

Der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage ist begrenzt und kann theoretisch 59% nicht übersteigen. Wenn die Maschine langsam läuft (wie die holländischen Mühlen) ist der Wirkungsgrad wegen der Drall-Effekte niedrig.

Hohe Wirkungsgrade können nur mit Schnellläufern erreicht werden. Schnellläufer haben gute Wirkungsgrade nur mit wenigen Blättern.

Kosten eines Blatts:

Für eine moderne Dreiblatt-Anlage kosten die Blätter rund 20 bis 25% der Kosten der Anlage (ungefähr 150 000 € für eine 1,2 MW Windkraftanlage). Mit wenigen Blättern kann man diese Kosten (und die Kosten für Transport, Montage und Reparatur) reduzieren.

Leistung:

Die Leistung einer Windkraftanlage nimmt theoretisch mit der Anzahl der Blätter zu. Der Übergang von einem auf zwei Blätter vergrößert die Leistung um zehn Prozent. Das dritte Blatt bringt einen Leistungszuwachs von drei bis vier Prozent. Das vierte jedoch nur ein bis zwei Prozent.

Gewicht:

Ein 37 Meter langer Flügel (geeignet für eine 1,5 MW Anlage) wiegt beispielsweise 5,5 Tonnen. Mit wenigen Blättern kann man dieses Gewicht und die Lasten auf die Maschine verringern. 
Für eine Einblatt-Anlage ist das einzige Blatt mit einem Gegengewicht zu kompensieren. Eine Zwei-Blatt-Anlage stellt somit die geringste Gewichtsbelastung dar.

Lasten und Dynamik:

Wie wir schon auf der Seite Höhenprofil gesehen haben nimmt die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zu. Das hat zur Folge, dass die Windgeschwindigkeit in der höchsten Position eines Blattes größer als die in der niedrigsten Position ist.

Abb: Beispiel mit einem Wind von 12 m/s in 100 m Höhe und einer Rauigkeit Zo von 0,1 m.

 

Um die Effekte zu verdeutlichen, nehmen wir ein schlechtes Beispiel:
eine riesige Anlage an einem Standort mit einer sehr hohen Rauhigkeit. Die Nennleistung beträgt 5 MW, die Gondel ist 105 m hoch installiert und die Blätter sind 60 m lang.
Mit einer Windgeschwindigkeit von 12 m/s in der Nabenhöhe und einer Rauigkeitslänge von Zo=0,1 m beträgt die Windgeschwindigkeit in der niedrigsten bzw. höchsten Position der Blätter  10,7 und 12,7 m/s. Die Variation der Windgeschwindigkeit erreicht 20%!
Die Windleistung variiert noch viel stärker als die Windgeschwindigkeit: sie nimmt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu. Die Leistung  erreicht für diese Bedingungen im Beispiel an der niedrigsten bzw. höchsten Position eines Flügels  740 bzw. 1268 W/m².  Der Wind hat 70% mehr Leistung an der höchsten Position als an der niedrigsten!
Mit zwei Blättern variiert die Leistung und die Lasten auf die Blätter mit jeder Halbumdrehung. In der vertikalen Position ist ein Blatt am stärksten belastet,  während das andere am wenigsten belastet  ist.  Da der Rotor mit einer Drehzahl von 7 bis 12 Umdrehungen pro Minuten dreht, muss jedes Blatt einen solchen Belastungsunterschied in einem Zeitraum von 2 bis 4 Sekunden ertragen. Das macht die Anlage sehr unruhig.

Wegen der gleichmäßigeren Verteilung der Massen- und Luftkräfte über die Rotorkreisfläche sind Dreiblattanlagen dynamisch deutlich ruhiger, was eine geringere Belastung aller Komponenten bewirkt. Das Moment bleibt annähernd konstant.

Schlussfolgerung

Die Forschungsanlagen der Multimegawatt-Klasse in den achtziger Jahren waren meist Windkraftanlagen mit zwei Blättern, um die Kosten und die Massen zu reduzieren. Mit der rasanten Entwicklung der letzten Jahre sind die Blätter leichter und die Windkraftanlagen größer geworden.
Dreiblatt-Anlagen sind laufruhig und haben gute Wirkungsgrade.
Fast alle Windkraftanlagenhersteller produzieren heute nur Dreiblattanlagen.