Windbelasting op een huishoudelijke windturbine: de belasting op de mast en bevestigingen begrijpen

Wanneer men een huishoudelijke windturbine installeert, denkt men vaak aan het vermogen, de rotordiameter, het geluid, het rendement of de elektrische aansluiting. Toch is een ander punt essentieel: de mechanische belasting van de wind op de windturbine, de mast en de bevestigingen.

Een windturbine van 20, 30 of 50 kg kan relatief licht lijken. Maar eenmaal bovenop een mast geplaatst, telt niet alleen het gewicht. Bij sterke wind kan de horizontale windbelasting veel belangrijker worden dan het werkelijke gewicht van de machine.

Dit artikel geeft orde van grootte om de mechanische beperkingen beter te begrijpen. Het vervangt geen structurele studie, want de werkelijke belasting hangt af van het exacte model, de diameter, het type rotor, de hoogte van de mast, de ondersteuning, de bevestiging, het terrein en de gekozen windsnelheid.

Huishoudelijke windturbine op een onafhankelijke mast blootgesteld aan de wind

Waarom het onmogelijk is om zonder studie een gecertificeerde waarde te geven

Men kan een orde van grootte geven, maar geen gecertificeerde waarde zonder de installatie precies te kennen.

De belastingen zijn met name afhankelijk van:

het exacte model van de windturbine;
de diameter van de rotor;
het oppervlak blootgesteld aan de wind;
het type windturbine: horizontaal, verticaal of AeroSpiral;
van de windsnelheid die als referentie wordt genomen;
van de hoogte van de mast;
van het type mast: verankerd, kantelbaar, buisvormig of anders;
van de aanwezigheid van tuidraden of niet;
van de aard van de verankering;
van de bevestiging op de grond, op een plaat of op een structuur;
van de sterkte van de ondersteuning;
van de omgeving rond de windturbine;
van de aanwezigheid van bomen, muren, daken of nabijgelegen gebouwen;
van het gedrag van de windturbine bij windvlagen;
van het remsysteem of de beveiliging.

Een windturbine die op een onafhankelijke mast in open terrein is geïnstalleerd, werkt niet zoals een windturbine die dicht bij een muur, een dak of een gevel is geplaatst.

Ook te lezen:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

Het gewicht van de windturbine is niet het enige probleem

Het gewicht werkt verticaal.

De wind werkt horizontaal.

Het is deze horizontale druk die de belangrijkste spanningen veroorzaakt op:

de top van de mast;
de plaat;
de tuidraden;
de pluggen of verankeringen ;
de ankers ;
de voet van de mast ;
de structuur die de installatie ontvangt.

Een windturbine van 30 kg kan dus veel grotere krachten genereren dan zijn werkelijke gewicht wanneer hij aan sterke wind wordt blootgesteld.

De juiste redenering is dus niet alleen:

“Kan de drager 30 kg dragen?”

Maar eerder:

“Kan de drager de krachten van de wind, de rukwinden, de trillingen en het hefboomeffect weerstaan?”

Eenvoudig voorbeeld: een windturbine met een diameter van 2,20 m

Voor een horizontale windturbine met een diameter van ongeveer 2,20 m:

de straal is ongeveer 1,10 m ;
het geveegde oppervlak is ongeveer 3,8 m² ;
dit oppervlak ontvangt direct de energie van de wind ;
hoe meer de wind toeneemt, hoe sterker de stuwkracht toeneemt.

Bij sterke wind kunnen de volgende ordes van grootte worden aangehouden:

bij 100 km/u wind: ongeveer 200 tot 250 kg horizontale kracht ;
bij 130 km/u wind: ongeveer 350 tot 400 kg horizontale kracht ;
bij 150 km/u wind: ongeveer 450 tot 550 kg horizontale kracht.

Deze waarden blijven indicatief. Ze zijn sterk afhankelijk van het profiel van de windturbine, de remming, de bladen, de oriëntatie, de turbulentie en de reactie van de machine bij sterke wind.

Schema van de horizontale windkracht op een huishoudelijke windturbine

Waarom de hefboomwerking bepalend is

De horizontale kracht wordt niet op de grond toegepast. Hij wordt op hoogte toegepast, ter hoogte van de windturbine.

Daar verschijnt de hefboomwerking.

Voorbeeld:

windturbine geplaatst op een mast van 4 m;
geschatte horizontale kracht: 300 kg;
hoogte van het krachtpunt: 4 m;
effect aan de voet van de mast: 300 × 4 = 1 200 kg·m.

In eenvoudige taal kan een horizontale kracht van 300 kg bovenaan een mast van 4 m meer dan een ton aan hefboomeffect aan de voet van de mast vertegenwoordigen, afhankelijk van de bevestigingsgeometrie.

Om deze reden moeten een mast, een plaat of een bevestiging serieus worden gekozen.

Zie de masten en accessoires:
https://www.comptoireolien.fr/mats-et-accessoires-pour-eoliennes.html

Hevelwerking van een windturbine op de voet van de mast

Windvlagen tellen meer dan de gemiddelde wind

Om de productie te schatten, kijkt men naar de gemiddelde wind.

Om de mechanische veiligheid te controleren, moet men vooral letten op:

de windvlagen;
de stormwinden;
de turbulenties;
de snelle richtingsveranderingen;
de remmingen;
de trillingen;
de herhaalde inspanningen in de tijd.

Een windturbine kan goed functioneren bij een gemiddelde correcte wind, maar kan af en toe zware belastingen ondervinden tijdens een windstoot.

Daarom moet een bevestiging niet alleen op het gewicht van de windturbine worden gedimensioneerd.

De dynamische effecten die niet vergeten mogen worden

Een eenvoudige berekening geeft een idee, maar toont niet alles.

Onder reële omstandigheden moet ook rekening worden gehouden met:

de trillingen van de rotor;
de snelheidsvariaties;
de windvlagen;
de turbulenties dicht bij de grond;
de turbulenties dicht bij de gebouwen;
de krachten die op de mast worden overgebracht;
de afschuifkrachten op de ankers;
de mechanische vermoeidheid in de tijd;
de automatische of elektromagnetische remming;
de reacties van de windturbine bij het inschakelen van de beveiliging.

Deze effecten kunnen de werkelijke belastingen verhogen ten opzichte van een vereenvoudigde statische berekening.

Geval van een horizontale windturbine

Een horizontale windturbine heeft een rotor die naar de wind gericht is.

Ze is vaak interessant in een open gebied, omdat haar rendement over het algemeen beter is dan dat van een verticale met vergelijkbaar opgegeven vermogen. Maar ze vereist ook echte mechanische waakzaamheid.

De aandachtspunten:

hoe groter de rotor, hoe groter de stuwkracht kan zijn;
hoe hoger de mast, hoe groter het hefboomeffect;
hoe turbulenter de locatie, hoe groter de trillingen kunnen zijn;
hoe hoger het vermogen, hoe steviger de mast en de verankeringen moeten zijn;
een horizontale windturbine moet idealiter in een schone en regelmatige wind worden geplaatst.

Zie de horizontale windturbines:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-horizontales.html

Horizontale huishoudelijke windturbine met rotor blootgesteld aan de wind

Geval van een verticale windturbine

Een verticale windturbine werkt niet precies zoals een horizontale propeller.

Ze kan interessant zijn voor:

het ontwerp;
de discretie;
bepaalde veranderlijke winden;
een prioriteit voor stilte;
bepaalde toepassingen op batterijen.

Maar ze brengt ook krachten over op de steun:

laterale stuwkracht;
trillingen;
cyclische krachten;
spanningen op de as;
krachten aan de voet van de mast;
behoefte aan een stevige ondersteuning;
behoefte aan een geschikte verankering.

Een verticale windturbine moet dus niet als 'zonder beperkingen' worden beschouwd. Ze is anders, maar moet ook op een degelijke ondersteuning worden geïnstalleerd.

Zie de verticale windturbines:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-verticales.html

Verticale huishoudelijke windturbine geïnstalleerd op een mast

Geval van een AeroSpiral windturbine

Een AeroSpiral heeft een compactere geometrie dan een grote horizontale rotor.

Dit verandert de manier waarop de wind op de machine inwerkt, maar elimineert de mechanische krachten niet.

Het is altijd noodzakelijk om te controleren:

het gewicht van het model;
de afmetingen;
de installatiehoogte;
de bevestiging;
de ondersteuning;
de blootstelling aan windstoten;
de trillingen;
de verankering;
de compatibiliteit met de mast.

Een AeroSpiral kan interessant zijn wanneer design, stilte en integratie prioriteit hebben. Maar zoals elke windturbine moet ze worden geïnstalleerd op een structuur die de windkrachten kan opvangen.

Zie het AeroSpiral assortiment:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-aerospiral-ultra-silencieuse-design.html

Waarom installatie op een gevel, dak of muur vaak wordt afgeraden

Een bevestiging op een gebouw kan praktisch lijken, maar brengt verschillende risico's met zich mee.

De belangrijkste problemen zijn:

de wind is vaak turbulent dicht bij een dak of een muur;
de turbulentie vermindert de productie;
de trillingen kunnen worden overgedragen op de structuur;
de krachten kunnen de bevestigingen vermoeien;
de trekkrachten kunnen aanzienlijk zijn;
het gebouw is niet altijd ontworpen om een windturbine te ontvangen;
een bevestiging die het gewicht houdt, houdt niet noodzakelijk de windstoten.

Een steun kan stevig lijken als hij stilstaat, maar de echte test is de weerstand tegen herhaalde krachten in de tijd.

Ons advies blijft om de voorkeur te geven aan een onafhankelijke mast, geïnstalleerd in een open gebied, met een geschikte verankering.

Toegewijd artikel:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

Turbulentie rond een dak die een huishoudelijke windturbine kan hinderen

Wat te controleren voordat u een windturbine installeert

Voor de installatie moet u controleren:

het gewicht van de windturbine;
de diameter van de rotor;
het oppervlak blootgesteld aan de wind;
de hoogte van de mast;
de weerstand van de mast;
de kwaliteit van de plaat;
de ankers ;
de tuidraden indien nodig;
de aard van de bodem ;
de afstand tot obstakels ;
de aanwezigheid van turbulenties ;
de lokale windsnelheid ;
mogelijke windstoten ;
de toegang voor onderhoud ;
de lokale stedenbouwkundige regels.

Voor de regelgeving:
https://www.comptoireolien.fr/demarches-administratives-pour-linstallation-dune-eolienne.html

Hoe de mechanische beperkingen te beperken

Om de risico's te beperken, is het beter om :

een windturbine te kiezen die geschikt is voor de locatie ;
onnodige overdimensionering van de machine te vermijden ;
de windturbine in een open gebied te installeren ;
turbulente zones te vermijden ;
een compatibele mast te kiezen ;
voor guying te zorgen indien nodig ;
een stevige bevestiging te gebruiken ;
de verankeringen te controleren ;
de schroeven regelmatig te controleren ;
de bladen te controleren ;
inspecteer de mast na periodes van harde wind;
vermijd geïmproviseerde bevestigingen op gebouwen.

Geguyde mast voor huishoudelijke windturbine met verankeringen in de grond

Waarom de wind meten voordat u kiest

Het meten van de wind helpt om twee veelvoorkomende fouten te vermijden:

een te zwakke windturbine voor de locatie kiezen;
een te grote windturbine kiezen terwijl de ondersteuning niet geschikt is.

Een anemometer helpt om beter te begrijpen:

de gemiddelde wind;
de windvlagen;
de regelmaat van de wind;
de winderige periodes;
de turbulente zones.

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

Compacte anemometer:
https://www.comptoireolien.fr/anemometre-17032024401480916.html

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

Anemometer gebruikt om de wind te meten voor de installatie van een windturbine

Te onthouden

De essentiële punten om te onthouden:

het gewicht van de windturbine is niet het enige mechanische criterium;
de horizontale windkracht kan zeer belangrijk worden;
het hefboomeffect neemt sterk toe met de hoogte van de mast;
een windturbine met een diameter van 2,20 m kan honderden kilo's kracht genereren bij harde wind;
een mast van 4 m versterkt de spanningen aan de voet aanzienlijk;
windstoten, trillingen en turbulenties moeten in aanmerking worden genomen;
installaties op geveltop, dak of gevel worden vaak afgeraden;
een onafhankelijke mast in een open gebied is meestal te verkiezen;
de gegeven waarden zijn schattingen, geen certificering;
bij twijfel moet de structuur door een lokale professional worden gevalideerd.

Nuttige links

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

Verticale windturbines:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-verticales.html

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

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

Geveltop windturbines: let op:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

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

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

Conclusie

Een huishoudelijke windturbine moet niet worden gezien als een eenvoudig apparaat van enkele tientallen kilo's op een buis. Bij sterke wind wordt het een mechanisch geheel dat onderhevig is aan horizontale krachten, trillingen, windstoten en een aanzienlijke hefboomeffect.

Voor een windturbine met een diameter van ongeveer 2,20 m kunnen de horizontale krachten bij sterke wind enkele honderden kilo's bereiken. Met een mast van 4 m kunnen deze krachten meer dan een ton aan hefboomeffect aan de voet van de mast vertegenwoordigen.

De juiste reflex is dus eenvoudig:

een windturbine te kiezen die geschikt is voor de locatie ;
vermijd geïmproviseerde bevestigingen;
geef de voorkeur aan een onafhankelijke mast;
controleer de verankering ;
beperk de turbulentie ;
controleer regelmatig de installatie ;
laat de structuur valideren bij twijfel.

Le Comptoir Éolien verkoopt online materiaal en geeft op afstand advies. Wij voeren geen installaties ter plaatse uit. Voor montage op een gebouw, gevel, dak, schuur of bestaande structuur is het het eenvoudigst om de montage te laten valideren door een lokale elektricien of een bedrijf voor hernieuwbare energie in uw regio.

Veelgestelde vragen

Is het gewicht van een windturbine voldoende om een mast of bevestiging te dimensioneren?

Nee. Het gewicht van de windturbine is slechts een van de criteria. Bij sterke wind kan de horizontale windkracht veel belangrijker worden dan het werkelijke gewicht van de machine. Er moet ook rekening worden gehouden met de hoogte van de mast, de hevelwerking, de windvlagen, de trillingen, het type bevestiging en de sterkte van de ondersteuning.

Welke kracht kan de wind uitoefenen op een huishoudelijke windturbine?

De kracht hangt af van het exacte model, de diameter van de rotor, het type windturbine, de windsnelheid en de installatie. Voor een windturbine met een diameter van ongeveer 2,20 m kunnen voorzichtige schattingen worden aangehouden: ongeveer 200 tot 250 kg horizontale kracht bij 100 km/u wind, 350 tot 400 kg bij 130 km/u en 450 tot 550 kg bij 150 km/u. Deze waarden zijn indicatief en vervangen geen mechanische studie.

Waarom is de hevelwerking belangrijk op een windturbinemast?

De windkracht wordt op hoogte uitgeoefend, ter hoogte van de windturbine. Hoe hoger de mast, hoe belangrijker de hevelwerking aan de voet van de mast. Bijvoorbeeld, een horizontale kracht van 300 kg bovenaan een mast van 4 m kan ongeveer 1 200 kg·m mechanisch moment aan de voet van de mast vertegenwoordigen, afhankelijk van de bevestigingsgeometrie.

Is een windturbine van 30 kg gemakkelijk op elke ondersteuning te bevestigen?

Nee. Zelfs als een windturbine van 30 kg licht lijkt, kan deze aanzienlijke krachten overbrengen wanneer deze aan de wind wordt blootgesteld. De steun moet bestand zijn tegen het gewicht, maar vooral tegen horizontale krachten, windstoten, trillingen en het hefboomeffect van de mast.

Kan men een windturbine op een dak, muur of gevel installeren?

Het is soms mechanisch mogelijk, maar vaak wordt het afgeraden. Daken, muren en gevels veroorzaken turbulentie, kunnen trillingen naar het gebouw overbrengen en leggen aanzienlijke krachten op de bevestigingen. Een onafhankelijke mast in een open gebied is over het algemeen te verkiezen, afhankelijk van de terreinbeperkingen en lokale regels.

Waarom zijn turbulenties problematisch voor een huishoudelijke windturbine?

Turbulenties verminderen de kwaliteit van de wind die de windturbine ontvangt. Ze kunnen de productie verminderen, de trillingen verhogen, de bevestigingen vermoeien en onregelmatige krachten op de mast en de ankers veroorzaken. Ze komen vaak voor in de buurt van gebouwen, daken, bomen, muren en obstakels.

Ondergaat een verticale windturbine minder mechanische krachten dan een horizontale windturbine?

Een verticale windturbine werkt anders dan een horizontale windturbine, maar brengt ook krachten over op de steun. Ze kan een zijdelingse druk, trillingen, cyclische krachten en spanningen op de mast genereren. Ze moet daarom op een stijve en goed verankerde steun worden geïnstalleerd.

Heeft een AeroSpiral windturbine ook een stevige bevestiging nodig?

Ja. Een AeroSpiral windturbine heeft een compactere geometrie dan een grote horizontale rotor, maar blijft blootgesteld aan de wind. Het is belangrijk om het gewicht, de afmetingen, de installatietijd, de steun, de verankering, de trillingen en de compatibiliteit met de mast te controleren.

Moet men rekening houden met windstoten bij het installeren van een windturbine?

Ja. Voor de productie is de gemiddelde wind belangrijk. Voor de mechanische veiligheid zijn windstoten, stormwinden, turbulenties, remmingen, trillingen en herhaalde krachten in de tijd essentieel. Een bevestiging mag niet alleen op het gewicht van de windturbine worden gedimensioneerd.

Wat moet men controleren voordat men een huishoudelijke windturbine installeert?

Voor de installatie moet men het gewicht van de windturbine, de diameter van de rotor, het windbelaste oppervlak, de hoogte van de mast, de sterkte van de mast, de kwaliteit van de plaat, de ankers, de tuidraden indien nodig, de aard van de grond, de afstand tot obstakels, de turbulenties, mogelijke windstoten en de lokale bouwvoorschriften controleren.

Hoe kan men de mechanische spanningen op een huishoudelijke windturbine beperken?

Het is aan te raden om een windturbine te kiezen die geschikt is voor de locatie, onnodige overdimensionering te vermijden, de windturbine in een open gebied te installeren, turbulentie te vermijden, een compatibele mast te gebruiken, indien nodig tuidraden te voorzien, de ankers te controleren en regelmatig de schroeven, bladen, mast en bevestigingen te inspecteren.

Moet men de wind meten voordat men een windturbine installeert?

Ja, dat wordt sterk aangeraden. Een anemometer maakt het mogelijk om de werkelijke wind op de locatie te meten, de windstoten te observeren, turbulente zones te identificeren en een meer geschikte windturbine, masthoogte en locatie te kiezen.