Windturbine-aerodynamica
Windturbine-aerodynamica is aerodynamica toegepast op windturbines. Moderne windturbines hebben 2 of 3 smalle wieken of vleugels. Amerikaanse windmolens, met veel meer wieken, lijken meer geschikt om de kracht van de wind op te vangen maar schijn bedriegt: door de helft van de wieken eruit te knippen deden ze het juist beter, wat te verklaren is door de stroming en de windkrachten te berekenen.

Betzlimiet 
De stromingsenergie wordt door een windmolen niet volledig omgezet in nuttig vermogen. De luchtstroom wordt bij de molen opgestuwd en stroomt er gedeeltelijk omheen. Als de molen weinig wind doorlaat kan ook weinig energie gewonnen worden. Te veel wind doorlaten is ook niet optimaal. Stel dat de windsnelheid vóór de molen  is en er achter , met . Uit behoudswetten volgt dan dat van de energiestroom een deel

gewonnen kan worden.  is maximaal 16/27, dat is 59%, als , de Wet van Betz. Iets meer wind doorlaten is niet erg; voor  is , dat is 56%. De molen hoeft er dus niet "amerikaans" uit te zien.

Liftkracht 

Beschouw nu van een turbinevleugel met lengte  een stuk ter lengte  op afstand  van de turbineas; . De vleugelkoorde  is een functie van . De hoeksnelheid van de vleugel is  rad/s (1 radiaal= graden, het toerental is  omwentelingen per minuut). De luchtstroom langs het stuk heeft een snelheid  in het draaivlak en  loodrecht daarop. Het vleugelstuk ondervindt een liftkracht afhankelijk van de hoek die het maakt met het draaivlak. Bij een bepaalde hoek  is de lift 0; als de hoek nog  groter is is de liftkracht
 newton
volgens de theorie van dun vleugelprofiel. De lifthoek  heeft een optimale waarde bij 0,2-0,3 rad, voor grotere waarden neemt de lift sterk af (overtrek).

Vleugelvorm 
De kracht  heeft een component  in de draairichting. Deze aandrijvende kracht vermenigvuldigd met de draaisnelheid  levert een vermogen  watt. Dit vermogen  vermenigvuldigd met het aantal vleugels , moet gelijk zijn aan het vermogensverlies van de windstroom door een ringvormig oppervlak  dat door het draaiende stuk beschreven wordt:

dus

De formules voor de koorde  en de torsiehoek 

als functie van de straal  bepalen de vleugelvorm. In de berekening is verondersteld dat de vleugeltipsnelheid veel groter is dan de windsnelheid, dus . Dan is  voor de vleugel behalve dicht bij de as. Daar worden de koorde en de torsiehoek kleiner gemaakt dan de formule aangeeft. Met een paar smalle vleugels en een hoge tipsnelheid, bijvoorbeeld , kan dus de kracht van de wind optimaal benut worden.

Overtrek 
Als de windsnelheid verandert moet het toerental meegaan zodat  gelijk blijft. Dan verandert er niets in bovenstaande theorie. In de praktijk kan dat niet steeds. Variabel toerental combineert niet makkelijk met de vaste 50 Hz frequentie van het lichtnet. In elk geval moet het toerental bij een bepaalde windsnelheid  begrensd worden zodat de turbine niet op hol slaat.

De klassieke Deense windturbine, rond 1980, dreef via een versnellingsbak met vaste toerentalverhouding een asynchrone draaistroomgenerator (kooianker) aan en was direct netgekoppeld. Dit dwong een keuze voor enkele constante snelheden af, vaak was dat 1000 en 1500 toeren per minuut. Aerodynamisch was dat niet optimaal.

Moderne windturbines hebben wel een variabel toerental voor . Bij de Deense turbine werd het vermogen bij hoge windsnelheid  begrensd door overtrek. Dit is een eenvoudig en betrouwbaar middel tegen overbelasting dat nog steeds toegepast wordt in minder geavanceerde windturbines. Zie ook Windturbinevermogen.

Windturbine
Windmolen