Die Nutzung der Windkraft ist seit Jahrhunderten bekannt. Üblich war früher die Nutzung der mechanischen Energie (Windmühlen), heute steht die Erzeugung elektrischer Energie im Vordergrund. Moderne Windkraftanlagen arbeiten weit überwiegend nach dem Auftriebsprinzip, wobei aerodynamisch geformte Rotorblätter, wie sie auch im Flugzeugbau Verwendung finden, eingesetzt werden. Gegenüber diesen Auftriebsrotoren erreichen Widerstandsrotoren maximal einen Leistungsbeiwert von ca. 35%, da die Rotorflächen auf dem Rückweg gegen den Wind geführt werden müssen. Mit diesem Prinzip einhergehend werden die heutigen Windkraftanlagen zumeist mit Horizontalachsenrotoren ausgestattet, die der Windrichtung nachgeführt werden müssen. Sie erfordern die Installation des Generators in der Turmspitze. Vertikalachsenrotoren ermöglichen demgegenüber eine ebenerdige Aufstellung des Generators und benötigen keine Windnachführung. Sie weisen jedoch geringere Wirkungsgrade auf und benötigen teils eine Anlaufhilfe. Bekannt als Vertikalsysteme sind der Savonius-Rotor und der Darrieus-Rotor.
Am gebräuchlichsten ist die Einteilung von Windkraftanlagen nach ihrer installierten Leistung, wobei bislang in Kleinanlagen (<70 kW, ca. 25 m hoch), mittlere Anlagen (70-750 kW, ca. 40-65 m hoch) und Grossanlagen (>750 kW, ca. 60-100 m hoch) unterschieden wurde. Es ist nicht auszuschliessen, dass diese Einteilung zukünftig überholt wird, bereits heute hat sich unter Neuanlagen die Megawatt-Klasse etabliert, und ein Ende dieser Entwicklung ist, insbesondere im Zusammenhang mit Offshore-Anlagen, nicht definierbar. Für die Leistungsregelung stehen verschiedene Systeme zur Verfügung. Das einfachste Verfahren ist das Herausdrehen aus dem Wind, welches als Grobregelung für hohe Windgeschwindigkeiten eingesetzt werden kann. Die Stallregelung stellt ebenfalls eine relativ grobe Regelung nach dem Prinzip des Strömungsabrisses dar, energetisch günstiger ist die Blattwinkelregelung, die durch stufenlose Regelung des Anstellwinkels der Rotorblätter vorgenommen wird. Zur Reduzierung von Momentenstössen beim Durchgang des Windes durch den Turmschatten wird die Horizontalachse des Rotors üblicherweise leicht geneigt, um den Abstand zwischen unteren Rotorblättern und Turm zu vergrössern.
Energiepotenzial
Die Bewegungsenergie der Luftmassen der Erde umfasst eine Leistung von ca. 3000 TW. Nur ein Bruchteil von dieser Energie ist als Windkraft nutzbar, da der Hauptanteil in höheren, für Windkraftanlagen (Windenergiekonverter) nicht zu erreichenden Luftschichten oder über den Ozeanen anfällt. Von dem über dem Land existierenden Windenergiepotenzial ist ein weiterer Anteil aufgrund zu geringer Windgeschwindigkeit nicht nutzbar. Charakteristisch für die Windenergie ist ihre unregelmässige Schwankung. Dies sowohl zeitlich (Jahreszeiten, Wetterlage, böiger Wind, Dauer annähernd gleicher Geschwindigkeit) als auch örtlich (global, regional, lokal, Windrichtung). Als Grenze für eine wirtschaftliche Windenergienutzung gilt gemeinhin eine Geschwindigkeit von 4 m/s im Jahresmittel in 10 m Höhe über dem Boden. In Deutschland wird dieser Wert regelmässig in den Küstengebieten (Gürtelbreite ca. 100 km) und auf Kuppen und begünstigten Lagen von Mittelgebirgen und Alpen erreicht. Die Leistung, die mit Windenergie zu erzielen ist, ist proportional der Luftdichte r , der durchströmten Fläche A (gemessen senkrecht zur Windrichtung) und der Windgeschwindigkeit v in der dritten Potenz.
P = r / 2 * A * v3 (P)
Daraus folgt, dass, insbesondere bei wechselhaften Windverhältnissen (Böen) enorme Leistungsschwankungen an der Windkraftanlage auftreten (z.B. entsprechen 4 m/s Windgeschwindigkeit ca. 40 W/m2 durchströmte Fläche, 8 m/s ca. 310 W/m2). Neue Windkraftanlagen in der Grössenordnung von 1 MW installierter Leistung können je nach Standort einen jährlichen Stromertrag von ca. 1`800`000 bis 2`500`000 kWh erbringen. Die wirksame vom Wind durchströmte Fläche A wird einerseits begrenzt durch den Rotordurchmesser und andererseits durch den meist vorhandenen Innenkreis um die Rotorachse, in welchem die Rotorblätter zur Nabe hin enden. Die theoretisch ermittelte im Wind enthaltene Leistung ist der Tabelle der Windstärkenskala zu entnehmen. Die unteren und oberen Windgeschwindigkeiten stehen für eine Nutzung derzeit aus wirtschaftlichen bzw. technischen Gründen nicht zur Verfügung. Die Leistung kann nur zum Teil umgewandelt werden. Neben der Leistungshöhe der Windenergie und ihrer zeitlichen Verteilung ist auch die Zeit ohne nutzbare Windenergie von wirtschaftlicher Bedeutung. Die Zeiten unterhalb einer Mindestwindgeschwindigkeit werden als mittlere Flautendauer ermittelt. Diese liegt in Küstenregionen bei ca. 5 Std. und im Binnenland bei bis zu 40 Std. Im Gegensatz zu anderen Energiequellen, die konstant zur Verfügung stehen und bei denen die Leistung mit der Nutzungs- bzw. Betriebsdauer multipliziert den Energieertrag ergibt, muss bei der Windenergie die Leistung, die mit der Geschwindigkeit stark schwankt, über die Zeit integriert werden. ?úblicherweise wird dies über die Häufigkeitsverteilung bestimmter Geschwindigkeitsklassen und deren Aufsummierung erreicht. Anstelle empirisch ermittelter Histogramme wird häufig auch ein aus der jeweiligen durchschnittlichen Windgeschwindigkeit theoretisch ermitteltes Histogramm verwendet (Rayleigh-Verteilung).
Auftriebsprinzip
Die Rotorblätter einer Windkraftanlage nutzen zur Konversion der Bewegungsenergie in mechanische Energie das Auftriebsprinzip. Dieses Prinzip, welches seine Kraft aufgrund von Druckunterschieden in Luv- und Leeseite beim Umströmen von Körpern entfaltet, wird seit je in der Segelschifffahrt und seit langem in der Luftfahrt genutzt. Der Unterschied bei der Windkraftnutzung besteht darin, dass die Rotorblätter als im Zentrum befestigte Hebelarme sich um die eigene Achse drehen und somit ein Drehmoment ausüben, dessen Kraft auf einen Generator übertragen werden kann. Der Auftrieb ist die Resultierende aus zwei Kräften, der Auftriebskraft und der Widerstandskraft. Beide Kräfte hängen massgeblich vom Winkel des Rotorblattes zur Windrichtung ab. Es lässt sich insofern für jeden Anstellwinkel (Mittellinie des Profils zur Windrichtung) der Quotient von Auftriebskraft zu Widerstandskraft bilden. Diese so genannte Gleitzahl ist ein Mass für den erreichbaren Energieertrag.
