Windbelastung auf eine häusliche Windkraftanlage: Verständnis der Belastungen auf Mast und Befestigungen

Bei der Installation einer Hauswindkraftanlage denkt man oft an die Leistung, den Rotordurchmesser, den Lärm, den Wirkungsgrad oder den elektrischen Anschluss. Doch ein weiterer Punkt ist entscheidend: die mechanische Belastung des Windes auf die Windkraftanlage, den Mast und die Befestigungen.

Eine Windkraftanlage von 20, 30 oder 50 kg kann relativ leicht erscheinen. Aber einmal auf einem Mast platziert, zählt nicht nur ihr Gewicht. Bei starkem Wind kann die horizontale Windbelastung viel wichtiger werden als das tatsächliche Gewicht der Maschine.

Dieser Artikel gibt Größenordnungen an, um die mechanischen Belastungen besser zu verstehen. Er ersetzt keine Strukturstudie, da die tatsächliche Belastung vom genauen Modell, dem Durchmesser, dem Rotortyp, der Masthöhe, der Unterstützung, der Befestigung, dem Gelände und der gewählten Windgeschwindigkeit abhängt.

Kleine Windkraftanlage auf einem freistehenden Mast dem Wind ausgesetzt

Warum es ohne Studie unmöglich ist, einen zertifizierten Wert anzugeben

Man kann eine Größenordnung angeben, aber keinen zertifizierten Wert, ohne die Installation genau zu kennen.

Die Belastungen hängen insbesondere ab von:

dem genauen Modell der Windkraftanlage;
dem Rotordurchmesser;
der dem Wind ausgesetzten Fläche;
dem Typ der Windkraftanlage: horizontal, vertikal oder AeroSpiral;
der als Referenz genommenen Windgeschwindigkeit;
der Höhe des Masts;
der Art des Masts: abgespannt, kippbar, röhrenförmig oder andere;
der Anwesenheit von Abspannungen oder nicht;
der Art der Verankerung;
der Befestigung am Boden, auf Platte oder auf Struktur;
der Widerstandsfähigkeit der Unterstützung;
der Umgebung um die Windkraftanlage;
der Anwesenheit von Bäumen, Mauern, Dächern oder nahegelegenen Gebäuden;
dem Verhalten der Windkraftanlage bei Böen;
dem Bremssystem oder der Sicherheitsvorrichtung.

Eine Windkraftanlage, die auf einem unabhängigen Mast in offenem Gelände installiert ist, arbeitet nicht wie eine Windkraftanlage, die in der Nähe einer Mauer, eines Dachs oder eines Giebels platziert ist.

Auch zu lesen:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

Das Gewicht der Windkraftanlage ist nicht das einzige Problem

Das Gewicht wirkt vertikal.

Der Wind wirkt horizontal.

Es ist dieser horizontale Druck, der die größten Belastungen auf:

die Spitze des Masts;
die Platte;
die Abspannungen;
die Dübel oder Verankerungen ;
die Anker ;
der Mastfuß ;
die Struktur, die die Installation aufnimmt.

Eine Windturbine von 30 kg kann also viel größere Kräfte erzeugen als ihr tatsächliches Gewicht, wenn sie starkem Wind ausgesetzt ist.

Das richtige Denken ist also nicht nur:

Kann die Halterung 30 kg tragen?

Sondern eher:

Kann die Halterung den Kräften des Windes, den Böen, den Vibrationen und dem Hebeleffekt standhalten?

Ein einfaches Beispiel: eine Windturbine mit 2,20 m Durchmesser

Für eine horizontale Windturbine mit einem Durchmesser von etwa 2,20 m:

der Radius beträgt etwa 1,10 m ;
die überstrichene Fläche beträgt etwa 3,8 m² ;
diese Fläche empfängt direkt die Energie des Windes ;
je stärker der Wind, desto stärker nimmt der Schub zu.

Bei starkem Wind kann man folgende Größenordnungen annehmen:

bei 100 km/h Wind: etwa 200 bis 250 kg horizontale Kraft ;
bei 130 km/h Wind: etwa 350 bis 400 kg horizontale Kraft ;
bei 150 km/h Wind: etwa 450 bis 550 kg horizontale Kraft.

Diese Werte sind indikativ. Sie hängen stark vom Profil der Windturbine, der Bremsung, den Rotorblättern, der Ausrichtung, der Turbulenz und der Reaktion der Maschine bei starkem Wind ab.

Schema der horizontalen Windkraft auf eine kleine Windkraftanlage

Warum der Hebeleffekt entscheidend ist

Die horizontale Kraft wird nicht auf den Boden angewendet. Sie wird in der Höhe auf der Ebene der Windkraftanlage angewendet.

Dort tritt der Hebeleffekt auf.

Beispiel:

Windkraftanlage auf einem 4 m hohen Mast platziert;
geschätzte horizontale Kraft: 300 kg;
Höhe des Angriffspunktes: 4 m;
Wirkung am Fuß des Mastes: 300 × 4 = 1 200 kg·m.

In einfachen Worten kann eine horizontale Kraft von 300 kg oben auf einem 4 m hohen Mast mehr als eine Tonne Hebeleffekt am Fuß des Mastes darstellen, je nach Befestigungsgeometrie.

Aus diesem Grund müssen ein Mast, eine Platte oder eine Befestigung sorgfältig ausgewählt werden.

Siehe Masten und Zubehör:
https://www.comptoireolien.fr/mats-et-accessoires-pour-eoliennes.html

Hebelwirkung einer Windkraftanlage auf den Mastfuß

Böen zählen mehr als der Durchschnittswind

Um die Produktion abzuschätzen, betrachtet man den Durchschnittswind.

Um die mechanische Sicherheit zu überprüfen, muss man vor allem Folgendes betrachten:

die Böen;
die Sturmwinde;
die Turbulenzen;
die schnellen Richtungsänderungen;
die Bremsungen;
die Vibrationen;
die wiederholten Anstrengungen über die Zeit.

Eine Windkraftanlage kann bei einem durchschnittlichen, korrekten Wind sehr gut funktionieren, aber gelegentlich starken Belastungen bei einer Böe ausgesetzt sein.

Deshalb sollte eine Befestigung nicht nur auf das Gewicht der Windkraftanlage dimensioniert werden.

Die dynamischen Effekte, die nicht vergessen werden sollten

Eine einfache Berechnung gibt eine Vorstellung, zeigt aber nicht alles.

Unter realen Bedingungen muss auch Folgendes berücksichtigt werden:

die Vibrationen des Rotors;
die Geschwindigkeitsvariationen;
die Böen;
die Turbulenzen in Bodennähe;
die Turbulenzen in der Nähe von Gebäuden;
die auf den Mast übertragenen Kräfte;
die Ausreißkräfte an den Verankerungen;
die mechanische Ermüdung über die Zeit;
die automatische oder elektromagnetische Bremsung;
die Reaktionen der Windkraftanlage bei der Sicherheitsabschaltung.

Diese Effekte können die tatsächlichen Belastungen im Vergleich zu einer vereinfachten statischen Berechnung erhöhen.

Fall einer horizontalen Windkraftanlage

Eine horizontale Windkraftanlage hat einen Rotor, der dem Wind zugewandt ist.

Sie ist oft in offenen Gebieten interessant, da ihr Wirkungsgrad in der Regel besser ist als der einer vertikalen Anlage mit vergleichbarer Nennleistung. Aber sie erfordert auch eine echte mechanische Wachsamkeit.

Die zu beachtenden Punkte:

Je größer der Rotor ist, desto höher kann der Schub sein;
Je höher der Mast ist, desto mehr nimmt der Hebeleffekt zu;
Je turbulenter der Standort ist, desto stärker können die Vibrationen sein;
Je höher die Leistung ist, desto ernsthafter müssen Mast und Verankerungen sein;
Eine horizontale Windturbine sollte idealerweise in einem gleichmäßigen und sauberen Wind platziert werden.

Siehe horizontale Windturbinen:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-horizontales.html

Horizontale kleine Windkraftanlage mit dem Wind ausgesetztem Rotor

Fall einer vertikalen Windturbine

Eine vertikale Windturbine arbeitet nicht genau wie ein horizontales Propeller.

Sie kann interessant sein für:

das Design;
die Diskretion;
bestimmte wechselnde Winde;
eine Priorität auf die Stille;
bestimmte Anwendungen mit Batterien.

Aber sie überträgt auch Kräfte auf die Halterung:

seitlicher Schub;
Vibrationen;
zyklische Belastungen;
Belastungen auf der Achse;
Kräfte am Fuß des Mastes;
Bedarf eines festen Trägers;
Bedarf einer geeigneten Verankerung.

Man sollte daher eine vertikale Windkraftanlage nicht als „ohne Einschränkungen“ betrachten. Sie ist anders, muss aber auch auf einem soliden Träger installiert werden.

Siehe vertikale Windkraftanlagen:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-verticales.html

Vertikale kleine Windkraftanlage auf einem Mast installiert

Fall einer AeroSpiral-Windkraftanlage

Eine AeroSpiral hat eine kompaktere Geometrie als ein großer horizontaler Propeller.

Das ändert die Art und Weise, wie der Wind auf die Maschine wirkt, beseitigt aber nicht die mechanischen Belastungen.

Es muss immer überprüft werden:

das Gewicht des Modells;
die Abmessungen;
die Installationshöhe;
die Befestigung;
der Träger;
die Exposition gegenüber Böen;
die Vibrationen;
die Verankerung;
die Kompatibilität mit dem Mast.

Eine AeroSpiral kann interessant sein, wenn Design, Ruhe und Integration Priorität haben. Aber wie jede Windkraftanlage muss sie auf einer Struktur installiert werden, die in der Lage ist, die Windkräfte aufzunehmen.

Siehe die AeroSpiral-Reihe:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-aerospiral-ultra-silencieuse-design.html

Warum die Montage an Giebel, Dach oder Fassade oft nicht empfohlen wird

Eine Befestigung am Gebäude mag praktisch erscheinen, birgt jedoch mehrere Risiken.

Die Hauptprobleme sind:

der Wind ist oft turbulent in der Nähe eines Daches oder einer Wand;
die Turbulenzen verringern die Produktion;
die Vibrationen können auf die Struktur übertragen werden;
die Belastungen können die Befestigungen ermüden;
die Ausreißkräfte können erheblich sein;
das Gebäude wurde nicht immer für die Aufnahme einer Windkraftanlage entworfen;
eine Befestigung, die das Gewicht hält, hält nicht unbedingt die Böen.

Eine Halterung kann im Stillstand solide erscheinen, aber der wahre Test ist die Beständigkeit gegen wiederholte Belastungen über die Zeit.

Unser Rat bleibt, einen unabhängigen Mast zu bevorzugen, der in einem freien Bereich installiert wird, mit geeigneter Verankerung.

Gewidmeter Artikel:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

Turbulenzen um ein Dach, die eine kleine Windkraftanlage stören können

Was vor der Installation einer Windkraftanlage zu überprüfen ist

Vor der Installation muss überprüft werden:

das Gewicht der Windkraftanlage;
der Durchmesser des Rotors;
die dem Wind ausgesetzte Fläche;
die Höhe des Mastes;
die Widerstandsfähigkeit des Mastes;
die Qualität der Platte;
die Anker ;
die Abspannseile, falls erforderlich;
die Beschaffenheit des Bodens ;
die Entfernung zu Hindernissen ;
das Vorhandensein von Turbulenzen ;
die lokale Windgeschwindigkeit ;
mögliche Böen ;
der Zugang für die Wartung ;
die lokalen Bauvorschriften.

Für die Vorschriften:
https://www.comptoireolien.fr/demarches-administratives-pour-linstallation-dune-eolienne.html

Wie man mechanische Belastungen begrenzt

Um die Risiken zu begrenzen, ist es vorzuziehen:

eine an den Standort angepasste Windkraftanlage zu wählen ;
die Maschine nicht unnötig zu überdimensionieren ;
die Windkraftanlage in einem freien Bereich zu installieren ;
turbulente Zonen zu vermeiden ;
einen kompatiblen Mast zu wählen ;
eine Abspannung vorzusehen, wenn nötig ;
eine feste Verankerung zu verwenden ;
die Verankerungen zu kontrollieren ;
die Schrauben regelmäßig zu überprüfen ;
die Rotorblätter zu kontrollieren ;
den Mast nach starken Windereignissen inspizieren;
improvisierte Befestigungen am Gebäude vermeiden.

Abgespannter Mast für kleine Windkraftanlage mit Bodenverankerungen

Warum den Wind messen, bevor man wählt

Die Messung des Windes hilft, zwei häufige Fehler zu vermeiden:

eine zu schwache Windturbine für den Standort wählen;
eine zu große Windturbine wählen, wenn die Halterung nicht geeignet ist.

Ein Anemometer ermöglicht ein besseres Verständnis von:

dem durchschnittlichen Wind;
die Böen;
der Regelmäßigkeit des Windes;
den windigen Perioden;
den turbulenten Zonen.

Siehe die Messwerkzeuge:
https://www.comptoireolien.fr/outils-de-mesure.html

Kompaktanemometer:
https://www.comptoireolien.fr/anemometre-17032024401480916.html

Professionelles Anemometer:
https://www.comptoireolien.fr/anemometre-professionnel-mesure-du-vent-temperature-humidite-15728.html

Anemometer zur Messung des Windes vor der Installation einer Windkraftanlage

Zu beachten

Die wesentlichen Punkte zu beachten:

das Gewicht der Windturbine ist nicht das einzige mechanische Kriterium;
die horizontale Windkraft kann sehr wichtig werden;
der Hebeleffekt nimmt mit der Höhe des Mastes stark zu;
eine Windturbine mit einem Durchmesser von 2,20 m kann bei starkem Wind mehrere hundert Kilo Kraft erzeugen;
ein 4 m hoher Mast verstärkt die Belastungen am Fuß erheblich;
Böen, Vibrationen und Turbulenzen müssen berücksichtigt werden;
Installationen an Giebel, Dach oder Fassade werden oft abgeraten;
ein unabhängiger Mast in freiem Gelände ist in der Regel vorzuziehen;
die angegebenen Werte sind Richtwerte, keine Zertifizierung;
im Zweifelsfall sollte die Struktur von einem lokalen Fachmann validiert werden.

Nützliche Links

Horizontale Windkraftanlagen:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-horizontales.html

Vertikale Windkraftanlagen:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-verticales.html

AeroSpiral Windkraftanlagen:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-aerospiral-ultra-silencieuse-design.html

Masten und Zubehör:
https://www.comptoireolien.fr/mats-et-accessoires-pour-eoliennes.html

Giebel-Windkraftanlagen: Achtung:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

Messwerkzeuge:
https://www.comptoireolien.fr/outils-de-mesure.html

Verwaltungsverfahren:
https://www.comptoireolien.fr/demarches-administratives-pour-linstallation-dune-eolienne.html

Fazit

Eine häusliche Windkraftanlage sollte nicht als einfaches Gerät von einigen Dutzend Kilo auf einem Rohr gesehen werden. Bei starkem Wind wird sie zu einem mechanischen System, das horizontalen Kräften, Vibrationen, Böen und einem erheblichen Hebeleffekt ausgesetzt ist.

Für eine Windkraftanlage mit einem Durchmesser von etwa 2,20 m können die horizontalen Kräfte bei starkem Wind mehrere hundert Kilo erreichen. Mit einem 4 m hohen Mast können diese Kräfte mehr als eine Tonne Hebeleffekt am Fuß des Mastes darstellen.

Der richtige Reflex ist also einfach:

eine an den Standort angepasste Windkraftanlage zu wählen ;
improvisierte Befestigungen vermeiden;
einen unabhängigen Mast bevorzugen;
Verankerung überprüfen ;
Turbulenzen begrenzen ;
Installation regelmäßig kontrollieren ;
Struktur im Zweifelsfall validieren lassen.

Le Comptoir Éolien verkauft online Material und berät aus der Ferne. Wir führen keine Installationen vor Ort durch. Für eine Montage an einem Gebäude, Giebel, Dach, Schuppen oder bestehender Struktur ist es am einfachsten, die Montage von einem lokalen Elektriker oder einem Unternehmen für erneuerbare Energien in Ihrer Region validieren zu lassen.

Häufig gestellte Fragen

Reicht das Gewicht einer Windkraftanlage aus, um einen Mast oder eine Befestigung zu dimensionieren?

Nein. Das Gewicht der Windkraftanlage ist nur ein Kriterium unter anderen. Bei starkem Wind kann die horizontale Windkraft viel bedeutender werden als das tatsächliche Gewicht der Maschine. Man muss auch die Höhe des Mastes, die Hebelwirkung, Böen, Vibrationen, die Art der Befestigung und die Widerstandsfähigkeit des Trägers berücksichtigen.

Welche Kraft kann der Wind auf eine kleine Windkraftanlage ausüben?

Die Kraft hängt vom genauen Modell, dem Rotordurchmesser, dem Typ der Windkraftanlage, der Windgeschwindigkeit und der Installation ab. Für eine Windkraftanlage mit einem Durchmesser von etwa 2,20 m kann man vorsichtige Größenordnungen annehmen: etwa 200 bis 250 kg horizontale Kraft bei 100 km/h Wind, 350 bis 400 kg bei 130 km/h und 450 bis 550 kg bei 150 km/h. Diese Werte sind indikativ und ersetzen keine mechanische Studie.

Warum ist die Hebelwirkung auf einem Windkraftanlagenmast wichtig?

Die Windkraft wirkt in der Höhe, auf Höhe der Windkraftanlage. Je höher der Mast, desto größer ist die Hebelwirkung am Mastfuß. Zum Beispiel kann eine horizontale Kraft von 300 kg oben auf einem 4 m hohen Mast etwa 1 200 kg·m mechanisches Moment am Mastfuß darstellen, je nach Befestigungsgeometrie.

Ist eine 30 kg schwere Windkraftanlage leicht auf jedem Träger zu befestigen?

Nein. Auch wenn eine 30 kg schwere Windkraftanlage leicht erscheinen mag, kann sie bei Wind erhebliche Kräfte übertragen. Die Halterung muss nicht nur das Gewicht, sondern vor allem die horizontalen Kräfte, Böen, Vibrationen und den Hebeleffekt des Mastes aushalten.

Kann man eine Windkraftanlage auf einem Dach, einer Wand oder einem Giebel installieren?

Mechanisch ist es manchmal möglich, aber oft wird davon abgeraten. Dächer, Wände und Giebel erzeugen Turbulenzen, können Vibrationen auf das Gebäude übertragen und erfordern erhebliche Kräfte auf die Befestigungen. Ein unabhängiger Mast in einem offenen Bereich ist in der Regel vorzuziehen, vorbehaltlich der Geländebedingungen und lokalen Vorschriften.

Warum sind Turbulenzen problematisch für eine häusliche Windkraftanlage?

Turbulenzen verringern die Qualität des von der Windkraftanlage empfangenen Windes. Sie können die Produktion mindern, die Vibrationen erhöhen, die Befestigungen ermüden und unregelmäßige Kräfte auf den Mast und die Verankerungen ausüben. Sie treten häufig in der Nähe von Gebäuden, Dächern, Bäumen, Wänden und Hindernissen auf.

Erleidet eine vertikale Windkraftanlage weniger mechanische Belastungen als eine horizontale?

Eine vertikale Windkraftanlage arbeitet anders als eine horizontale, überträgt aber auch Kräfte auf die Halterung. Sie kann seitlichen Druck, Vibrationen, zyklische Kräfte und Belastungen auf den Mast erzeugen. Sie muss daher auf einer starren und korrekt verankerten Halterung installiert werden.

Benötigt eine AeroSpiral-Windkraftanlage ebenfalls eine solide Befestigung?

Ja. Eine AeroSpiral-Windkraftanlage hat eine kompaktere Geometrie als ein großer horizontaler Rotor, ist aber dennoch dem Wind ausgesetzt. Es müssen das Gewicht, die Abmessungen, die Installationshöhe, die Halterung, die Verankerung, die Vibrationen und die Kompatibilität mit dem Mast überprüft werden.

Müssen Böen bei der Installation einer Windkraftanlage berücksichtigt werden?

Ja. Für die Produktion ist der durchschnittliche Wind wichtig. Für die mechanische Sicherheit sind Böen, Sturmwinde, Turbulenzen, Bremsungen, Vibrationen und wiederholte Belastungen im Laufe der Zeit entscheidend. Eine Befestigung darf nicht nur auf das Gewicht der Windkraftanlage ausgelegt sein.

Was muss vor der Installation einer häuslichen Windkraftanlage überprüft werden?

Vor der Installation müssen das Gewicht der Windkraftanlage, der Rotordurchmesser, die dem Wind ausgesetzte Fläche, die Masthöhe, die Mastfestigkeit, die Qualität der Platte, die Verankerungen, die Abspannungen, falls erforderlich, die Bodenbeschaffenheit, der Abstand zu Hindernissen, die Turbulenzen, mögliche Böen und die lokalen Bauvorschriften überprüft werden.

Wie können die mechanischen Belastungen auf eine häusliche Windkraftanlage begrenzt werden?

Es wird empfohlen, eine an den Standort angepasste Windkraftanlage zu wählen, eine unnötige Überdimensionierung zu vermeiden, die Windkraftanlage in einem offenen Bereich zu installieren, Turbulenzen zu vermeiden, einen kompatiblen Mast zu verwenden, bei Bedarf eine Abspannung vorzusehen, die Verankerungen zu kontrollieren und regelmäßig die Schrauben, Rotorblätter, den Mast und die Befestigungen zu inspizieren.

Muss der Wind vor der Installation einer Windkraftanlage gemessen werden?

Ja, das wird dringend empfohlen. Ein Anemometer ermöglicht es, den tatsächlichen Wind vor Ort zu messen, Böen zu beobachten, turbulente Zonen zu erkennen und eine geeignetere Windkraftanlage, Masthöhe und Standort auszuwählen.