Schnelllaufzahl
Verhältnis der Blattspitzengeschwindigkeit eines Rotors zur ungestörten Windgeschwindigkeit; dreiblättrige Großanlagen sind auf Werte von etwa 7 bis 10 ausgelegt.
Die Schnelllaufzahl (englisch tip-speed ratio, TSR, Formelzeichen λ) ist die zentrale dimensionslose Betriebsgröße eines Rotors:
Dabei ist ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors (rad/s), R die Blattlänge und v die ungestörte Windgeschwindigkeit. Jedes Rotordesign hat eine Schnelllaufzahl, bei der der Leistungsbeiwert Cp sein Maximum erreicht. Dreht der Rotor zu langsam, strömt der Wind ungenutzt durch die Lücken; dreht er zu schnell, wirken die Blätter wie eine geschlossene Scheibe, und die Strömung weicht seitlich aus.
Typische Bestwerte:
- Dreiblättrige Großanlagen: λ ≈ 7–10
- Zweiblattrotoren: λ ≈ 9–12
- Vielblättrige Windpumpen: λ ≈ 1–2, hohes Drehmoment, aber niedriges Cp
- Gezeitenströmungsturbinen: λ ≈ 4–6, begrenzt durch Kavitation
Drehzahlvariable Anlagen halten unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit die beste Schnelllaufzahl, indem sie das Generatormoment anpassen. Oberhalb davon weicht die Regelung mit der Pitchregelung bewusst davon ab.
In der Praxis setzt die Blattspitzengeschwindigkeit selbst die Obergrenze. An Land liegt sie meist bei 75–90 m/s, weil das aerodynamische Geräusch mit der Spitzengeschwindigkeit steil ansteigt. Offshore-Anlagen laufen mit 90–105 m/s, hier begrenzt vor allem die Erosion der Vorderkante durch Regentropfen. Ein Offshore-Rotor mit 230 m Durchmesser dreht bei 100 m/s Spitzengeschwindigkeit nur mit etwa 8 U/min.
Verwandte Begriffe
Alle Begriffe →- Betz-Grenze
Der theoretisch höchste Anteil der Bewegungsenergie, den ein frei umströmter Rotor dem Wind entziehen kann: 16/27, also etwa 59,3 %.
- Leistungskurve
Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit auf Nabenhöhe und elektrischer Leistung einer Windkraftanlage; zusammen mit der Windgeschwindigkeitsverteilung ergibt sie den Jahresenergieertrag.
- Pitchregelung (Blattverstellung)
Drehen der Rotorblätter einer Windkraftanlage um ihre Längsachse, um den Anstellwinkel zu ändern; damit wird die Leistung oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit begrenzt und der Rotor angefahren und gestoppt.
- Nennwindgeschwindigkeit
Die niedrigste Windgeschwindigkeit, bei der eine Windkraftanlage ihre Nennleistung erreicht; bei modernen Großanlagen typischerweise 10 bis 13 m/s.
- Rotorfläche (überstrichene Fläche)
Die Kreisfläche, die die Rotorblätter einer Windkraftanlage überstreichen; die Leistung ist ihr direkt proportional und wächst mit dem Quadrat des Rotordurchmessers.