Sforzo del vento su una turbina eolica domestica: comprendere le sollecitazioni sul palo e i fissaggi

Quando si installa un'eolica domestica, si pensa spesso alla potenza, al diametro del rotore, al rumore, al rendimento o al collegamento elettrico. Tuttavia, un altro punto è essenziale: lo sforzo meccanico del vento sull'eolica, il mât e i fissaggi.

Un'eolica di 20, 30 o 50 kg può sembrare relativamente leggera. Ma una volta posizionata in cima a un mât, non è solo il suo peso a contare. Con vento forte, lo sforzo orizzontale del vento può diventare molto più importante del peso reale della macchina.

Questo articolo fornisce ordini di grandezza per comprendere meglio le sollecitazioni meccaniche. Non sostituisce uno studio strutturale, poiché lo sforzo reale dipende dal modello esatto, dal diametro, dal tipo di rotore, dall'altezza del mât, dal supporto, dal fissaggio, dal terreno e dalla velocità del vento considerata.

Turbina eolica domestica su palo indipendente esposta al vento

Perché è impossibile fornire un valore certificato senza uno studio

Si può fornire un ordine di grandezza, ma non un valore certificato senza conoscere precisamente l'installazione.

Gli sforzi dipendono in particolare da:

dal modello esatto dell'eolica;
dal diametro del rotore;
dalla superficie esposta al vento;
dal tipo di eolica: orizzontale, verticale o AeroSpiral;
della velocità del vento presa come riferimento;
dell'altezza del palo;
del tipo di palo: strallato, inclinabile, tubolare o altro;
della presenza o meno di stralli;
della natura dell'ancoraggio;
del fissaggio al suolo, su lastra o su struttura;
della resistenza del supporto;
dell'ambiente intorno all'eolico;
della presenza di alberi, muri, tetti o edifici vicini;
del comportamento dell'eolico in raffiche;
del sistema di frenatura o di messa in sicurezza.

Un'eolica installata su un palo indipendente in terreno aperto non funziona come un'eolica posizionata vicino a un muro, a un tetto o a un frontone.

Da leggere anche:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

Il peso dell'eolica non è l'unico problema

Il peso agisce verticalmente.

Il vento agisce orizzontalmente.

È questa spinta orizzontale che crea le sollecitazioni più importanti su:

la parte superiore del palo;
la piastra;
gli stralli;
i tasselli o ancoraggi;
gli ancoraggi;
la base del palo;
la struttura che riceve l'installazione.

Una turbina eolica di 30 kg può quindi generare sforzi molto più importanti del suo peso reale quando è esposta a un vento forte.

Il buon ragionamento non è quindi solo:

“Il supporto può sostenere 30 kg?”

Ma piuttosto:

“Il supporto può resistere agli sforzi del vento, alle raffiche, alle vibrazioni e all'effetto leva?”

Esempio semplice: una turbina eolica di 2,20 m di diametro

Per una turbina eolica orizzontale di circa 2,20 m di diametro:

il raggio è di circa 1,10 m;
la superficie spazzata è di circa 3,8 m²;
questa superficie riceve direttamente l'energia del vento;
più il vento aumenta, più la spinta aumenta fortemente.

Con vento forte, si possono considerare i seguenti ordini di grandezza:

a 100 km/h di vento: circa 200 a 250 kg di sforzo orizzontale;
a 130 km/h di vento: circa 350 a 400 kg di sforzo orizzontale;
a 150 km/h di vento: circa 450 a 550 kg di sforzo orizzontale.

Questi valori restano indicativi. Dipendono fortemente dal profilo della turbina eolica, dalla frenatura, dalle pale, dall'orientamento, dalla turbolenza e dalla reazione della macchina in vento forte.

Schema dello sforzo orizzontale del vento su una turbina eolica domestica

Perché l'effetto leva è determinante

Lo sforzo orizzontale non si applica al suolo. Si applica in altezza, al livello dell'eolico.

È lì che appare l'effetto leva.

Esempio:

eolico posizionato su un palo di 4 m;
sforzo orizzontale stimato: 300 kg;
altezza del punto di sforzo: 4 m;
effetto alla base del palo: 300 × 4 = 1 200 kg·m.

In linguaggio semplice, uno sforzo orizzontale di 300 kg in cima a un palo di 4 m può rappresentare più di una tonnellata equivalente di effetto leva alla base del palo, a seconda della geometria di fissaggio.

È per questo motivo che un palo, una piastra o un fissaggio devono essere scelti con attenzione.

Vedi i pali e accessori:
https://www.comptoireolien.fr/mats-et-accessoires-pour-eoliennes.html

Effetto leva di una turbina eolica sulla base del palo

Le raffiche contano più del vento medio

Per stimare la produzione, si guarda il vento medio.

Per verificare la sicurezza meccanica, bisogna soprattutto guardare:

le raffiche;
i venti di tempesta;
le turbolenze;
i cambiamenti rapidi di direzione;
le frenate;
le vibrazioni;
gli sforzi ripetuti nel tempo.

Una turbina eolica può funzionare molto bene con un vento medio corretto, ma subire occasionalmente forti sollecitazioni durante una raffica.

È per questo che non bisogna dimensionare un fissaggio solo sul peso della turbina eolica.

Gli effetti dinamici da non dimenticare

Un calcolo semplice dà un'idea, ma non mostra tutto.

In condizioni reali, bisogna anche prevedere:

le vibrazioni del rotore;
le variazioni di velocità;
le raffiche;
le turbolenze vicino al suolo;
le turbolenze vicino agli edifici;
gli sforzi trasmessi al palo;
gli sforzi di strappo sugli ancoraggi;
la fatica meccanica nel tempo;
la frenata automatica o elettromagnetica;
le reazioni della turbina eolica durante la messa in sicurezza.

Questi effetti possono aumentare le sollecitazioni reali rispetto a un calcolo statico semplificato.

Caso di una turbina eolica orizzontale

Una turbina eolica orizzontale presenta un rotore rivolto verso il vento.

È spesso interessante in una zona aperta, poiché il suo rendimento è generalmente migliore di una verticale a potenza dichiarata comparabile. Ma richiede anche una vera vigilanza meccanica.

I punti da ricordare:

più grande è il rotore, maggiore può essere la spinta;
più alto è l'albero, maggiore è l'effetto leva;
più turbolento è il sito, maggiori possono essere le vibrazioni;
più alta è la potenza, più seri devono essere l'albero e gli ancoraggi;
un aerogeneratore orizzontale dovrebbe idealmente essere posizionato in un vento pulito e regolare.

Vedi gli aerogeneratori orizzontali:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-horizontales.html

Turbina eolica orizzontale domestica con rotore esposto al vento

Caso di un aerogeneratore verticale

Un aerogeneratore verticale non funziona esattamente come un'elica orizzontale.

Può essere interessante per:

il design;
la discrezione;
alcuni venti variabili;
una priorità data al silenzio;
alcuni usi su batterie.

Ma trasmette anche sforzi al supporto:

spinta laterale;
vibrazioni;
sforzi ciclici;
vincoli sull'asse;
sforzi alla base dell'albero;
necessità di un supporto rigido;
necessità di un ancoraggio adeguato.

Non bisogna quindi considerare un'eolica verticale come "senza vincoli". È diversa, ma deve essere installata anche su un supporto serio.

Vedi le turbine eoliche verticali:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-verticales.html

Turbina eolica verticale domestica installata su un palo

Caso di una turbina eolica AeroSpiral

Un'AeroSpiral ha una geometria più compatta di una grande elica orizzontale.

Questo cambia il modo in cui il vento agisce sulla macchina, ma non elimina gli sforzi meccanici.

Bisogna sempre verificare:

il peso del modello;
le dimensioni;
l'altezza di installazione;
il fissaggio;
il supporto;
l'esposizione alle raffiche;
le vibrazioni;
l'ancoraggio;
la compatibilità con l'albero.

Un'AeroSpiral può essere interessante quando il design, il silenzio e l'integrazione sono prioritari. Ma come ogni turbina eolica, deve essere installata su una struttura in grado di sopportare gli sforzi del vento.

Vedi la gamma AeroSpiral:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-aerospiral-ultra-silencieuse-design.html

Perché l'installazione su timpano, tetto o facciata è spesso sconsigliata

Un fissaggio su edificio può sembrare pratico, ma presenta diversi rischi.

I principali problemi sono:

il vento è spesso turbolento vicino a un tetto o a un muro;
le turbolenze riducono la produzione;
le vibrazioni possono essere trasmesse alla struttura;
gli sforzi possono affaticare le fissazioni;
gli sforzi di strappo possono essere significativi;
l'edificio non è sempre stato progettato per ospitare una turbina eolica;
una fissazione che regge il peso non regge necessariamente le raffiche.

Un supporto può sembrare solido a riposo, ma il vero test è la resistenza agli sforzi ripetuti nel tempo.

Il nostro consiglio rimane di privilegiare un palo indipendente, installato in una zona libera, con ancoraggio adeguato.

Articolo dedicato:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

Turbolenze intorno a un tetto che possono ostacolare una turbina eolica domestica

Cosa verificare prima di installare una turbina eolica

Prima dell'installazione, è necessario verificare:

il peso della turbina eolica;
il diametro del rotore;
la superficie esposta al vento;
l'altezza del palo;
la resistenza del palo;
la qualità della piastra;
gli ancoraggi;
i tiranti se necessari;
la natura del suolo ;
la distanza dagli ostacoli ;
la presenza di turbolenze ;
la velocità del vento locale ;
le raffiche possibili ;
l'accesso per la manutenzione ;
le norme locali di urbanistica.

Per la regolamentazione :
https://www.comptoireolien.fr/demarches-administratives-pour-linstallation-dune-eolienne.html

Come limitare le sollecitazioni meccaniche

Per limitare i rischi, è preferibile:

scegliere un'eolica adatta al sito ;
evitare di sovradimensionare inutilmente la macchina ;
installare l'eolica in una zona aperta ;
evitare le zone turbolente ;
scegliere un palo compatibile ;
prevedere un tirante se necessario ;
utilizzare un fissaggio solido ;
controllare gli ancoraggi ;
verificare regolarmente la bulloneria ;
controllare le pale ;
ispezionare l'albero dopo episodi di vento forte;
evitare fissaggi improvvisati sull'edificio.

Palo controventato per turbina eolica domestica con ancoraggi a terra

Perché misurare il vento prima di scegliere

La misurazione del vento aiuta a evitare due errori frequenti:

scegliere una turbina eolica troppo debole per il sito;
scegliere una turbina eolica troppo grande quando il supporto non è adatto.

Un anemometro permette di conoscere meglio:

il vento medio;
le raffiche;
la regolarità del vento;
i periodi ventosi;
le zone turbolente.

Vedi gli strumenti di misura:
https://www.comptoireolien.fr/outils-de-mesure.html

Anemometro compatto:
https://www.comptoireolien.fr/anemometre-17032024401480916.html

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

Anemometro utilizzato per misurare il vento prima dell'installazione di una turbina eolica

Da ricordare

I punti essenziali da ricordare:

il peso della turbina eolica non è l'unico criterio meccanico;
lo sforzo orizzontale del vento può diventare molto importante;
l'effetto leva aumenta notevolmente con l'altezza dell'albero;
una turbina eolica di 2,20 m di diametro può generare diverse centinaia di chili di sforzo in vento forte;
un albero di 4 m amplifica fortemente le sollecitazioni alla base;
le raffiche, le vibrazioni e le turbolenze devono essere prese in considerazione;
le installazioni su timpano, tetto o facciata sono spesso sconsigliate;
un albero indipendente in zona aperta rimane generalmente preferibile;
i valori forniti sono ordini di grandezza, non una certificazione;
in caso di dubbio, è necessario far convalidare la struttura da un professionista locale.

Link utili

Eoliche orizzontali:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-horizontales.html

Eoliche verticali:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-verticales.html

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

Alberi e accessori:
https://www.comptoireolien.fr/mats-et-accessoires-pour-eoliennes.html

Eoliche di timpano: attenzione:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

Strumenti di misura:
https://www.comptoireolien.fr/outils-de-mesure.html

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

Conclusione

Un'eolica domestica non deve essere vista come un semplice apparecchio di qualche decina di chili posato su un tubo. Con vento forte, diventa un insieme meccanico soggetto a sforzi orizzontali, vibrazioni, raffiche e un effetto leva importante.

Per un'eolica di circa 2,20 m di diametro, gli sforzi orizzontali possono raggiungere diverse centinaia di chili con vento forte. Con un albero di 4 m, questi sforzi possono rappresentare più di una tonnellata equivalente di effetto leva alla base dell'albero.

Il buon riflesso è quindi semplice:

scegliere un'eolica adatta al sito ;
evitare fissaggi improvvisati;
privilegiare un albero indipendente;
verificare l'ancoraggio ;
limitare le turbolenze ;
controllare regolarmente l'installazione ;
far convalidare la struttura in caso di dubbio.

Il Comptoir Éolien vende attrezzature online e fornisce consulenza a distanza. Non effettuiamo installazioni in loco. Per un montaggio su edificio, frontone, tetto, capannone o struttura esistente, la soluzione più semplice è far convalidare il montaggio da un elettricista locale o da un'azienda di energie rinnovabili della vostra regione.

Domande frequenti

Il peso di una turbina eolica è sufficiente per dimensionare un palo o un fissaggio?

No. Il peso della turbina eolica è solo uno dei criteri. Con vento forte, lo sforzo orizzontale del vento può diventare molto più importante del peso reale della macchina. Bisogna anche tenere conto dell'altezza del palo, dell'effetto leva, delle raffiche, delle vibrazioni, del tipo di fissaggio e della resistenza del supporto.

Quale sforzo può esercitare il vento su una turbina eolica domestica?

Lo sforzo dipende dal modello esatto, dal diametro del rotore, dal tipo di turbina eolica, dalla velocità del vento e dall'installazione. Per una turbina eolica di circa 2,20 m di diametro, si possono considerare ordini di grandezza prudenti: circa 200 a 250 kg di sforzo orizzontale a 100 km/h di vento, 350 a 400 kg a 130 km/h e 450 a 550 kg a 150 km/h. Questi valori rimangono indicativi e non sostituiscono uno studio meccanico.

Perché l'effetto leva è importante su un palo di turbina eolica?

Lo sforzo del vento si applica in altezza, a livello della turbina eolica. Più il palo è alto, più l'effetto leva alla base del palo è importante. Ad esempio, uno sforzo orizzontale di 300 kg in cima a un palo di 4 m può rappresentare circa 1 200 kg·m di momento meccanico alla base del palo, a seconda della geometria di fissaggio.

Una turbina eolica di 30 kg è facile da fissare su qualsiasi supporto?

No. Anche se un aerogeneratore di 30 kg può sembrare leggero, può trasmettere sforzi significativi quando è esposto al vento. Il supporto deve resistere al peso, ma soprattutto agli sforzi orizzontali, alle raffiche, alle vibrazioni e all'effetto leva del palo.

È possibile installare un aerogeneratore su un tetto, un muro o un timpano?

È a volte possibile meccanicamente, ma è spesso sconsigliato. I tetti, i muri e i timpani creano turbolenze, possono trasmettere vibrazioni all'edificio e impongono sforzi significativi sulle fissazioni. Un palo indipendente in una zona aperta è generalmente preferibile, fatte salve le restrizioni del terreno e le normative locali.

Perché le turbolenze sono problematiche per un aerogeneratore domestico?

Le turbolenze riducono la qualità del vento ricevuto dall'aerogeneratore. Possono diminuire la produzione, aumentare le vibrazioni, affaticare le fissazioni e provocare sforzi irregolari sul palo e sugli ancoraggi. Sono frequenti vicino agli edifici, ai tetti, agli alberi, ai muri e agli ostacoli.

Un aerogeneratore verticale subisce meno sforzi meccanici di uno orizzontale?

Un aerogeneratore verticale non lavora nello stesso modo di uno orizzontale, ma trasmette comunque sforzi al supporto. Può generare una spinta laterale, vibrazioni, sforzi ciclici e tensioni sul palo. Deve quindi essere installato su un supporto rigido e correttamente ancorato.

Un aerogeneratore AeroSpiral richiede anche una fissazione solida?

Sì. Un aerogeneratore AeroSpiral ha una geometria più compatta di una grande elica orizzontale, ma rimane esposto al vento. È necessario verificare il peso, le dimensioni, l'altezza di installazione, il supporto, l'ancoraggio, le vibrazioni e la compatibilità con il palo.

Bisogna tenere conto delle raffiche per installare un aerogeneratore?

Sì. Per la produzione, il vento medio è importante. Per la sicurezza meccanica, le raffiche, i venti di tempesta, le turbolenze, le frenate, le vibrazioni e gli sforzi ripetuti nel tempo sono essenziali. Una fissazione non deve essere dimensionata solo sul peso dell'aerogeneratore.

Cosa bisogna verificare prima di installare un aerogeneratore domestico?

Prima dell'installazione, bisogna verificare il peso dell'aerogeneratore, il diametro del rotore, la superficie esposta al vento, l'altezza del palo, la resistenza del palo, la qualità della piastra, gli ancoraggi, i tiranti se necessari, la natura del suolo, la distanza dagli ostacoli, le turbolenze, le possibili raffiche e le normative locali di urbanistica.

Come limitare le tensioni meccaniche su un aerogeneratore domestico?

Si consiglia di scegliere un aerogeneratore adatto al sito, evitare il sovradimensionamento inutile, installare l'aerogeneratore in una zona aperta, evitare le turbolenze, utilizzare un palo compatibile, prevedere un tirantaggio se necessario, controllare gli ancoraggi e ispezionare regolarmente la bulloneria, le pale, il palo e le fissazioni.

Bisogna misurare il vento prima di installare un aerogeneratore?

Sì, è fortemente consigliato. Un anemometro permette di misurare il vento reale sul sito, osservare le raffiche, individuare le zone turbolente e scegliere un aerogeneratore, un'altezza del palo e una posizione più adatti.