Unabhängig davon, ob wir eine Windkraftanlage oder einen Hubschrauber bauen, müssen wir die Belastbarkeit, das dynamische Verhalten und das Ermüdungsverhalten der verwendeten Materialien und des gesamten Aufbaus untersuchen.

Windkraftanlagen sollen die kinetische Energie (Bewegungsenergie) des Windes auffangen. Sie werden sich vielleicht fragen, warum moderne Anlagen so wenige Rotorblätter haben, viel weniger als z.B. die alten amerikanischen Windmühlen aus den Westernfilmen.

Windkraftanlagen mit sehr vielen oder sehr breiten Blättern, (d.h. mit einem recht massiven Rotor) müssen bei einem Orkan extreme Kräfte überstehen. (Erinnern wir uns, daß der Energiegehalt des Windes mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit steigt).

Die Hersteller von Windkraftanlagen müssen beweisen, daß ihre Anlagen extremen Winden standhalten können. Das sind Winde, die z.B. nur 10 Minuten alle 50 Jahre auftreten.

Um diese extremen Belastungen zu verringern, bevorzugen die Anlagenbauer im allgemeinen Rotoren mit ein paar langen, schlanken Blättern.

Die Anlagen rotieren dafür relativ schneller und machen so die Schlankheit der Rotorblätter im Wind wett.

Windkraftanlagen sind schwankenden Winden und damit schwankenden Kräften ausgesetzt. Das gilt besonders dann, wenn sie in Gegenden mit sehr turbulentem Wind stehen.

Teile, die einer ständig wiederholten Biegebelastung ausgesetzt sind, wie z.B. Rotorblätter, können nach und nach Risse ausbilden, bis sie der Belastung nicht mehr standhalten und brechen. Ein historisches Beispiel dafür ist die gewaltige deutsche Growian-Anlage, die nach dreiwöchigem Betrieb stillgelegt werden mußte. Materialermüdung bei Metallen ist ein wohlbekanntes Problem in der Industrie. Daher ist Metall kein besonders geeigneter Werkstoff für Rotorblätter.

Beim Design von Windkraftanlagen ist es extrem wichtig, die Vibrationen der einzelnen Teile im voraus zu berechnen, sowohl einzeln als auch im Verband. Außerdem ist es notwendig, die Kräfte zufolge Biegung und Dehnung der einzelnen Komponenten zu berechnen.

Mit diesem Problemkreis beschäftigt sich die Strukturdynamik. Physiker haben mathematische Computermodelle entwickelt, die das Verhalten einer gesamten Windkraftanlage analysieren.

Diese Modelle werden von den Anlagenbauern verwendet, um ihre Maschinen sicher zu konstruieren.

Der 50 m hoher Turm einer Windkraftanlage schwingt ungefähr alle 3 Sekunden hin und her. Die Frequenz, mit der unser Turm oszilliert, wird auch als Eigenfrequenz des Turmes bezeichent. Diese Eigenfrequenz hängt sowohl von der Höhe des Turmes als auch von der Wandstärke, der Art des Stahles und dem Gewicht von Gondel und Rotor ab.

Immer wenn der Rotor den Turm passiert, wird er aufgrund des geringeren Winddrucks etwas weniger stark gegen den Turm gedrückt.

Wenn nun der Rotor genau so dreht, daß ein Blatt immer dann den Turm passiert, wenn sich dieser gerade auf einer Maximalposition seiner Schwingung befindet, kann das Rotorblatt diese Schwingung entweder dämpfen oder verstärken.

Die Rotorblätter selbst sind auch flexibel und können z.B. einmal pro Sekunde vibrieren. Es ist also sehr wichtig, die Eigenfrequenzen jeder Komponente zu kennen, um eine möglichst schwingungsarme Anlage zu bauen.