Esforço do vento em uma turbina eólica doméstica: entender as restrições no mastro e nas fixações

Ao instalar uma turbina eólica doméstica, muitas vezes pensamos na potência, no diâmetro do rotor, no ruído, no rendimento ou na conexão elétrica. No entanto, outro ponto é essencial: o esforço mecânico do vento na turbina, no mastro e nas fixações.

Uma turbina eólica de 20, 30 ou 50 kg pode parecer relativamente leve. Mas uma vez colocada no topo de um mastro, não é apenas seu peso que conta. Em ventos fortes, o esforço horizontal do vento pode se tornar muito mais importante do que o peso real da máquina.

Este artigo fornece ordens de grandeza para melhor entender as restrições mecânicas. Ele não substitui um estudo de estrutura, pois o esforço real depende do modelo exato, do diâmetro, do tipo de rotor, da altura do mastro, do suporte, da fixação, do terreno e da velocidade do vento considerada.

Turbina eólica doméstica em mastro independente exposta ao vento

Por que é impossível fornecer um valor certificado sem estudo

Pode-se fornecer uma ordem de grandeza, mas não um valor certificado sem conhecer precisamente a instalação.

Os esforços dependem notadamente de:

do modelo exato da turbina eólica;
do diâmetro do rotor;
da superfície exposta ao vento;
do tipo de turbina eólica: horizontal, vertical ou AeroSpiral;
da velocidade do vento tomada como referência ;
da altura do mastro ;
do tipo de mastro: estaiado, basculante, tubular ou outro ;
da presença ou não de estais ;
da natureza da ancoragem ;
da fixação no solo, sobre laje ou sobre estrutura ;
da resistência do suporte ;
do ambiente ao redor da turbina eólica ;
da presença de árvores, muros, telhados ou edifícios próximos ;
do comportamento da turbina eólica em rajadas ;
do sistema de frenagem ou de segurança.

Uma turbina eólica instalada em um mastro independente em terreno aberto não funciona como uma turbina colocada perto de um muro, de um telhado ou de um frontão.

O peso da turbina eólica não é o único problema

O peso atua verticalmente.

O vento atua horizontalmente.

É essa pressão horizontal que cria as maiores tensões sobre:

o topo do mastro ;
a placa de base ;
os estais ;
as buchas ou fixações ;
as ancoragens ;
a base do mastro ;
a estrutura que recebe a instalação.

Uma turbina eólica de 30 kg pode, portanto, gerar esforços muito maiores do que seu peso real quando exposta a um vento forte.

O raciocínio correto não é apenas:

“O suporte pode suportar 30 kg?”

Mas sim:

“O suporte pode resistir aos esforços do vento, às rajadas, às vibrações e ao efeito de alavanca?”

Exemplo simples: uma turbina eólica de 2,20 m de diâmetro

Para uma turbina eólica horizontal de aproximadamente 2,20 m de diâmetro:

o raio é de aproximadamente 1,10 m ;
a área varrida é de aproximadamente 3,8 m² ;
essa área recebe diretamente a energia do vento ;
quanto mais o vento aumenta, mais a pressão aumenta fortemente.

Em vento forte, podemos considerar as seguintes ordens de grandeza:

a 100 km/h de vento: cerca de 200 a 250 kg de esforço horizontal ;
a 130 km/h de vento: cerca de 350 a 400 kg de esforço horizontal ;
a 150 km/h de vento: cerca de 450 a 550 kg de esforço horizontal.

Esses valores são indicativos. Eles dependem fortemente do perfil da turbina eólica, da frenagem, das pás, da orientação, da turbulência e da reação da máquina em vento forte.

Esquema do esforço horizontal do vento em uma turbina eólica doméstica

Por que o efeito de alavanca é determinante

O esforço horizontal não se aplica ao solo. Aplica-se em altura, ao nível da turbina eólica.

É aí que o efeito de alavanca aparece.

Exemplo:

turbina eólica colocada em um mastro de 4 m;
esforço horizontal estimado: 300 kg;
altura do ponto de esforço: 4 m;
efeito na base do mastro: 300 × 4 = 1 200 kg·m.

Em linguagem simples, um esforço horizontal de 300 kg no topo de um mastro de 4 m pode representar mais de uma tonelada equivalente de efeito de alavanca na base do mastro, dependendo da geometria de fixação.

É por essa razão que um mastro, uma placa ou uma fixação devem ser escolhidos seriamente.

Ver mastros e acessórios:
https://www.comptoireolien.fr/mats-et-accessoires-pour-eoliennes.html

Efeito de alavanca de uma turbina eólica na base do mastro

As rajadas contam mais do que o vento médio

Para estimar a produção, observa-se o vento médio.

Para verificar a segurança mecânica, é preciso principalmente observar:

as rajadas;
os ventos de tempestade;
as turbulências;
as mudanças rápidas de direção;
as frenagens;
as vibrações;
os esforços repetidos ao longo do tempo.

Uma turbina eólica pode funcionar muito bem com um vento médio adequado, mas sofrer pontualmente fortes tensões durante uma rajada.

É por isso que não se deve dimensionar uma fixação apenas com base no peso da turbina eólica.

Os efeitos dinâmicos a não esquecer

Um cálculo simples dá uma ideia, mas não mostra tudo.

Em condições reais, é preciso também prever:

as vibrações do rotor;
as variações de velocidade;
as rajadas;
as turbulências perto do solo;
as turbulências perto dos edifícios;
os esforços transmitidos ao mastro;
os esforços de arrancamento nos ancoragens;
a fadiga mecânica ao longo do tempo;
a frenagem automática ou eletromagnética;
as reações da turbina eólica durante a ativação da segurança.

Esses efeitos podem aumentar as tensões reais em comparação com um cálculo estático simplificado.

Caso de uma turbina eólica horizontal

Uma turbina eólica horizontal apresenta um rotor voltado para o vento.

Ela é frequentemente interessante em áreas abertas, pois seu rendimento é geralmente melhor do que uma vertical com potência anunciada comparável. Mas também exige uma verdadeira vigilância mecânica.

Os pontos a reter:

quanto maior o rotor, maior pode ser o empuxo;
quanto mais alto o mastro, maior o efeito de alavanca;
quanto mais turbulento o local, mais significativas podem ser as vibrações;
quanto maior a potência, mais robustos devem ser o mastro e as ancoragens;
uma turbina eólica horizontal deve idealmente ser colocada em um vento limpo e regular.

Ver as turbinas eólicas horizontais:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-horizontales.html

Turbina eólica horizontal doméstica com rotor exposto ao vento

Caso de uma turbina eólica vertical

Uma turbina eólica vertical não funciona exatamente como uma hélice horizontal.

Ela pode ser interessante para:

o design;
a discrição;
certos ventos variáveis;
uma prioridade dada ao silêncio;
certos usos com baterias.

Mas ela também transmite esforços ao suporte:

empuxo lateral;
vibrações;
esforços cíclicos;
tensões no eixo;
esforços na base do mastro;
necessidade de um suporte rígido;
necessidade de uma ancoragem adequada.

Portanto, não se deve considerar uma turbina eólica vertical como "sem restrições". Ela é diferente, mas também deve ser instalada em um suporte sólido.

Ver as turbinas eólicas verticais:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-verticales.html

Turbina eólica vertical doméstica instalada em um mastro

Caso de uma turbina eólica AeroSpiral

Uma AeroSpiral tem uma geometria mais compacta do que uma grande hélice horizontal.

Isso muda a maneira como o vento age sobre a máquina, mas não elimina os esforços mecânicos.

É sempre necessário verificar:

o peso do modelo;
as dimensões;
a altura de instalação;
a fixação;
o suporte;
a exposição às rajadas;
as vibrações;
a ancoragem;
a compatibilidade com o mastro.

Uma AeroSpiral pode ser interessante quando o design, o silêncio e a integração são prioritários. Mas, como qualquer turbina eólica, deve ser instalada em uma estrutura capaz de suportar os esforços do vento.

Ver a linha AeroSpiral:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-aerospiral-ultra-silencieuse-design.html

Por que a instalação em empena, telhado ou fachada é frequentemente desaconselhada

Uma fixação em edifício pode parecer prática, mas apresenta vários riscos.

Os principais problemas são:

o vento é frequentemente turbulento perto de um telhado ou de uma parede;
as turbulências reduzem a produção;
as vibrações podem ser transmitidas à estrutura;
os esforços podem cansar as fixações;
os esforços de arranque podem ser importantes;
o edifício nem sempre foi projetado para receber uma turbina eólica;
uma fixação que suporta o peso não necessariamente suporta as rajadas.

Um suporte pode parecer sólido quando parado, mas o verdadeiro teste é a resistência aos esforços repetidos ao longo do tempo.

Nosso conselho continua sendo priorizar um mastro independente, instalado em uma área aberta, com ancoragem adequada.

Artigo dedicado:
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

Turbulências ao redor de um telhado que podem atrapalhar uma turbina eólica doméstica

O que verificar antes de instalar uma turbina eólica

Antes da instalação, é preciso verificar:

o peso da turbina eólica;
o diâmetro do rotor;
a superfície exposta ao vento;
a altura do mastro;
a resistência do mastro;
a qualidade da placa;
as ancoragens ;
os estais, se necessários;
a natureza do solo ;
a distância aos obstáculos ;
a presença de turbulências ;
a velocidade do vento local ;
as rajadas possíveis ;
o acesso para a manutenção ;
as regras locais de urbanismo.

Para a regulamentação :
https://www.comptoireolien.fr/demarches-administratives-pour-linstallation-dune-eolienne.html

Como limitar as restrições mecânicas

Para limitar os riscos, é preferível:

escolher uma turbina eólica adaptada ao local ;
evitar sobredimensionar desnecessariamente a máquina ;
instalar a turbina eólica em uma área aberta ;
evitar as zonas turbulentas ;
escolher um mastro compatível ;
prever um estaiamento se necessário ;
utilizar uma fixação sólida ;
controlar as ancoragens ;
verificar regularmente a parafusaria ;
controlar as pás ;
inspecionar o mastro após episódios de vento forte;
evitar fixações improvisadas em edifícios.

Mastro estaiado para turbina eólica doméstica com ancoragens no solo

Por que medir o vento antes de escolher

A medição do vento ajuda a evitar dois erros frequentes:

escolher uma turbina eólica muito fraca para o local;
escolher uma turbina eólica muito grande quando o suporte não é adequado.

Um anemômetro permite conhecer melhor:

o vento médio;
as rajadas;
a regularidade do vento;
os períodos ventosos;
as zonas turbulentas.

Ver as ferramentas de medição:
https://www.comptoireolien.fr/outils-de-mesure.html

Anemômetro compacto:
https://www.comptoireolien.fr/anemometre-17032024401480916.html

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

Anemômetro usado para medir o vento antes da instalação de uma turbina eólica

Para lembrar

Os pontos essenciais a lembrar:

o peso da turbina eólica não é o único critério mecânico;
o esforço horizontal do vento pode se tornar muito importante;
o efeito de alavanca aumenta fortemente com a altura do mastro;
uma turbina eólica de 2,20 m de diâmetro pode gerar várias centenas de quilos de esforço em vento forte;
um mastro de 4 m amplifica fortemente as tensões na base;
as rajadas, vibrações e turbulências devem ser levadas em conta;
as instalações em empena, telhado ou fachada são frequentemente desaconselhadas;
um mastro independente em área aberta é geralmente preferível;
os valores dados são ordens de grandeza, não uma certificação;
em caso de dúvida, é necessário validar a estrutura com um profissional local.

Links úteis

Aerogeradores horizontais :
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-horizontales.html

Aerogeradores verticais :
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-verticales.html

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

Mastros e acessórios :
https://www.comptoireolien.fr/mats-et-accessoires-pour-eoliennes.html

Aerogeradores de empena : atenção :
https://www.comptoireolien.fr/eoliennes-de-pignon-attention.html

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

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

Conclusão

Um aerogerador doméstico não deve ser visto como um simples aparelho de algumas dezenas de quilos colocado sobre um tubo. Em vento forte, ele se torna um conjunto mecânico sujeito a esforços horizontais, vibrações, rajadas e um efeito de alavanca significativo.

Para um aerogerador de aproximadamente 2,20 m de diâmetro, os esforços horizontais podem atingir várias centenas de quilos em vento forte. Com um mastro de 4 m, esses esforços podem representar mais de uma tonelada equivalente de efeito de alavanca na base do mastro.

O bom reflexo é simples:

escolher uma turbina eólica adaptada ao local ;
evitar fixações improvisadas;
priorizar um mastro independente;
verificar a ancoragem ;
limitar as turbulências ;
controlar regularmente a instalação ;
fazer validar a estrutura em caso de dúvida.

O Comptoir Éolien vende material online e aconselha à distância. Não realizamos instalações no local. Para uma montagem em edifício, empena, telhado, hangar ou estrutura existente, o mais simples é fazer validar a montagem por um eletricista local ou uma empresa de energias renováveis da sua região.

Perguntas frequentes

O peso de uma turbina eólica é suficiente para dimensionar um mastro ou uma fixação?

Não. O peso da turbina eólica é apenas um critério entre outros. Em vento forte, o esforço horizontal do vento pode se tornar muito mais importante que o peso real da máquina. É preciso também levar em conta a altura do mastro, o efeito de alavanca, as rajadas, as vibrações, o tipo de fixação e a resistência do suporte.

Que esforço o vento pode exercer sobre uma turbina eólica doméstica?

O esforço depende do modelo exato, do diâmetro do rotor, do tipo de turbina eólica, da velocidade do vento e da instalação. Para uma turbina eólica de cerca de 2,20 m de diâmetro, pode-se considerar ordens de grandeza prudentes: cerca de 200 a 250 kg de esforço horizontal a 100 km/h de vento, 350 a 400 kg a 130 km/h e 450 a 550 kg a 150 km/h. Esses valores são indicativos e não substituem um estudo mecânico.

Por que o efeito de alavanca é importante em um mastro de turbina eólica?

O esforço do vento aplica-se em altura, ao nível da turbina eólica. Quanto mais alto o mastro, mais importante é o efeito de alavanca na base do mastro. Por exemplo, um esforço horizontal de 300 kg no topo de um mastro de 4 m pode representar cerca de 1 200 kg·m de momento mecânico na base do mastro, dependendo da geometria de fixação.

Uma turbina eólica de 30 kg é fácil de fixar em qualquer suporte?

Não. Mesmo que uma turbina eólica de 30 kg possa parecer leve, ela pode transmitir esforços significativos quando exposta ao vento. O suporte deve resistir ao peso, mas principalmente aos esforços horizontais, às rajadas, às vibrações e ao efeito de alavanca do mastro.

É possível instalar uma turbina eólica em um telhado, uma parede ou um frontão?

Às vezes é possível mecanicamente, mas muitas vezes é desaconselhado. Telhados, paredes e frontões criam turbulências, podem transmitir vibrações ao edifício e impõem esforços significativos nas fixações. Um mastro independente em área aberta é geralmente preferível, sujeito às restrições do terreno e às regras locais.

Por que as turbulências são problemáticas para uma turbina eólica doméstica?

As turbulências reduzem a qualidade do vento recebido pela turbina eólica. Elas podem diminuir a produção, aumentar as vibrações, desgastar as fixações e provocar esforços irregulares no mastro e nos ancoramentos. Elas são frequentes perto de edifícios, telhados, árvores, paredes e obstáculos.

Uma turbina eólica vertical sofre menos esforços mecânicos do que uma turbina horizontal?

Uma turbina eólica vertical não funciona da mesma maneira que uma turbina horizontal, mas também transmite esforços ao suporte. Ela pode gerar um empuxo lateral, vibrações, esforços cíclicos e tensões no mastro. Portanto, deve ser instalada em um suporte rígido e corretamente ancorado.

Uma turbina eólica AeroSpiral também necessita de uma fixação sólida?

Sim. Uma turbina eólica AeroSpiral tem uma geometria mais compacta do que uma grande hélice horizontal, mas ainda está exposta ao vento. É necessário verificar o peso, as dimensões, a altura de instalação, o suporte, o ancoramento, as vibrações e a compatibilidade com o mastro.

É necessário levar em conta as rajadas para instalar uma turbina eólica?

Sim. Para a produção, o vento médio é importante. Para a segurança mecânica, as rajadas, os ventos de tempestade, as turbulências, as frenagens, as vibrações e os esforços repetidos ao longo do tempo são essenciais. Uma fixação não deve ser dimensionada apenas com base no peso da turbina eólica.

O que deve ser verificado antes de instalar uma turbina eólica doméstica?

Antes da instalação, é necessário verificar o peso da turbina eólica, o diâmetro do rotor, a área exposta ao vento, a altura do mastro, a resistência do mastro, a qualidade da base, os ancoramentos, os estais se necessários, a natureza do solo, a distância aos obstáculos, as turbulências, as possíveis rajadas e as regras locais de urbanismo.

Como limitar as tensões mecânicas em uma turbina eólica doméstica?

É aconselhável escolher uma turbina eólica adequada ao local, evitar o sobredimensionamento desnecessário, instalar a turbina em área aberta, evitar turbulências, usar um mastro compatível, prever estaiamento se necessário, controlar os ancoramentos e inspecionar regularmente a fixação, as pás, o mastro e as fixações.

É necessário medir o vento antes de instalar uma turbina eólica?

Sim, é fortemente aconselhado. Um anemômetro permite medir o vento real no local, observar as rajadas, identificar as zonas turbulentas e escolher uma turbina eólica, uma altura de mastro e um local mais adequados.