Windturbinen wechselwirken mit der atmosphärischen Grenzschicht. Der Wind unterliegt einem Tagesgang. Am Tag heizt die Sonne den Boden auf und Turbulenz entsteht. Es bildet sich eine gut durchmischte Schicht aus. Die Rotorblätter einer Windturbine sind so in jeder möglichen Blattposition der gleichen Windgeschwindigkeit und Windrichtung ausgesetzt. In der Nacht kühlt der Boden aus und eine stabile Schichtung stellt sich ein. Die Wechselwirkung von Corioliskraft und Bodenreibung (Vegetation, Gebäude) führt zu einer Winddrehung und einer Geschwindigkeitszunahme mit der Höhe. So rotiert der Wind in der nördlichen Hemisphäre im Uhrzeigersinn und in der südlichen Hemisphäre entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Rotorblätter einer Windturbine wechselwirken jetzt nicht mehr mit einem höhenunabhängigen Windfeld. Stattdessen nehmen die Rechtsdrehung des Windes und seine Geschwindigkeit mit der Höhe zu.
Während alte Windmühlen (durch die Herstellung von rechtshändigen Müllern) entgegen des Uhrzeigersinns drehten, rotieren alle modernen Windturbinen im Uhrzeigersinn. Diese Rotationsrichtung wurde jedoch rein zufällig gewählt.
Auf eine einzelne Windturbine hat die Rotationsrichtung ihrer Blätter keinen Einfluss. Am Tage ist die Rotationsrichtung auch für nachfolgende Windturbinen nicht von Bedeutung. Nachts jedoch gibt es einen hemisphärenabhängigen Einfluss für jede nachfolgende Windturbine.
Im Allgemeinen bewegt die Strömung die Blätter einer Windturbine in eine Richtung und wird in die entgegengesetzte abgelenkt. Eine im Uhrzeigersinn rotierende Windturbine hat somit ein entgegen des Uhrzeigersinns rotierendes Strömungsfeld zur Folge. Nachts in der nördlichen Hemisphäre (Abb. 1a) steht dieses entgegen des Uhrzeigersinns rotierende Strömungsfeld dem rechtsdrehenden Wind gegenüber, was eine Abbremsung der Nachlaufströmung bis hin zu einer Änderung seiner Rotationsrichtung im Nachlauf zur Folge hat.
Wird stattdessen eine entgegen des Uhrzeigersinns rotierende Windturbine nachts in der nördlichen Hemisphäre betrachtet, rotiert die von den Blättern abgelenkte Strömung im Uhrzeigersinn. Diese Rotationsrichtung stimmt mit dem rechtsdrehenden Wind in der atmosphärischen Grenzschicht überein und wird von diesem verstärkt (Abb. 1d) (Englberger et al., 2020a).
Mit Large Eddy Simulationen haben wir häufig in der Atmosphäre auftretende Bedingungen simuliert. In dem hier betrachteten Beispiel erholt sich der Nachlauf schneller im Falle eines entgegen des Uhrzeigersinns rotierenden Rotors (Abb. 1c) im Vergleich zu einem im Uhrzeigersinn rotierenden Rotor (Abb. 1b). Dies hat einen Einfluss auf die im Wind enthaltene Leistung an einer nachfolgenden Windturbine (Englberger et al., 2020b).
Schematische Darstellung des Strömungsfeldes und Geschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung für eine im Uhrzeigersinn rotierende Windturbine (oberer Teil, V_CCW) und eine entgegen des Uhrzeigersinns rotierende Windturbine (unterer Teil, V_CW). (Bild: ©DLR)
Englberger, A., Dörnbrack, A., & Lundquist, J. K. (2020a). Does the rotational direction of a wind turbine impact the wake in a stably stratified atmospheric boundary layer? Wind Energy Science, 5(4), 1359-1374.
Englberger, A., Lundquist, J. K. & Dörnbrack, A. (2020b). Changing the rotational direction of a wind turbine under veering inflow: a parameter study. Wind Energy Science, 5(4), 1623-1644.