Elke windgenerator moet zo hoog mogelijk geplaatst worden: op grote hoogte wordt de wind minder tegengehouden door allerlei aardse obstakels waardoor de effectieve windsnelheid hoger is naarmate de mast hoger is.
Zelf bouwen
Een goede mast bouwen is net zo’n uitdaging als het bouwen van de windgenerator zelf. Een mast moet zo hoog mogelijk zijn. Hij moet sterk zijn want hij moet alle krachten die op de windgenerator werken, op kunnen vangen. Hij moet op de één of andere manier opgericht kunnen worden, en bij voorkeur ook weer neergehaald kunnen worden. Als neerhalen niet eenvoudig is, is het zaak om te zorgen dat je in de mast kunt klimmen om voor onderhoud bij de windgenerator te kunnen komen. Wanneer de materialen voor de mast nieuw gekocht moeten worden, spelen de kosten ook een rol. Een mast zelf bouwen scheelt in de kosten, maar gereedschap en vaardigheid kunnen een beperkende factor spelen: niet iedereen kan bijv. pijpen lassen. Dat beperkt soms de mogelijkheden.
Plaats
De plaats waar de molen – en daarmee de mast – komt te staan is vaak een puzzel. Hierbij spelen verschillende aspecten een rol: de plaats moet zo gekozen worden dat er weinig of geen obstakels zijn in de richting waar de wind meestal vandaan komt (zuid-west in Nederland). Een mast is zelf ook een obstakel (maar dan anders ;-) en het oog wil ook wat waardoor niet elke plek wenselijk is. En als tuidraden gebruikt worden, moet gekeken worden waar die stevig verankerd kunnen worden.
Vaak speelt de mening van de omgeving (buren) ook een rol. Sterker nog: er is al snel een gemeentelijke vergunning vereist voor dit soort bouwwerken. Informeer hier vooraf naar bij de plaatselijke gemeente.
Een mast van hout
In dit artikel wordt een mast beschreven die voornamelijk bestaat uit een driepoot van hout met daar bovenop een metalen pijp waarop de molen geplaatst wordt, zoals te zien is op de foto hiernaast.
Om een idee te krijgen van de afmetingen: de diameter van de rotor van dit molentje is 1 meter. De houten constructie is – gerekend vanaf de grond – ongeveer 4m hoog en de pijp steekt daar ruim een meter boven uit.
Ontwerpeisen
- Gezien de lokale omstandigheden (vooral schuttingen) wilde ik een ashoogte van 5 meter hebben.
- De mast moest beklimbaar zijn, maar dat heb ik later laten varen omdat de fundering niet zoveel gewicht kan verdragen.
- De mast moet neergelaten kunnen worden.
- Omdat het een experimentele constructie is, wil ik een basisvorm hebben die aanpasbaar/uitbreidbaar is.
- Een constructie van hout heeft de voorkeur omdat dat makkelijk verkrijgbaar is en makkelijk te bewerken.
- Een slanke top van de mast is een vereiste vanwege de benodigde bewegingsruimte van de rotor.
Ontwerp
Een driehoekige torenconstructie van hout kan aan alle ontwerpeisen voldoen. De toren wordt gevormd door een grondvlak van drie balken. Op de punten daarvan worden drie staanders geplaatst. De staanders komen bovenaan bij elkaar. Ze worden daar onderling gekoppeld middels drie korte klampen. Bovenop deze klampen wordt een ronde plaat gemonteerd met in het midden een gat voor een pijp. Tevens fixeert deze plaat de klampen die de staanders bijeen houden.
(Lijkt smaller door gekozen gezichtspunt.)
De metalen pijp wordt door de ronde plaat geschoven en moet dan nog aan de onderkant gefixeerd worden. Hiervoor wordt ongeveer op 2/3 van de hoogte van de staanders een latten-constructie gemaakt. Drie latjes vormen samen een ster waarvan het middelpunt aan de onderkant van de buis gekoppeld wordt. Hiervoor wordt een ring ge-3D-print die om de buis past en waaraan aan de buitenkant drie beugels geprint zijn om latjes in te monteren. Deze latjes gaan elk naar een staander waar ook een speciaal geprint beugeltje zit om lat en staander te verbinden. Behalve ondersteuning van de pijp, geeft deze constructie ook extra stijfheid aan de lange staanders; die worden minder ‘wiebelig’.
Driehoek
Een driehoek is vormvast en is daarom een veel gebruikt concept om constructies vorm te geven en stijf te maken. Het is dan wel zaak dat de hoekverbindingen geen speling hebben. En daar zitten dan ook de uitdagingen als je met hout werkt. Aan de onderkant is dit prima gelukt, zie foto’s verderop. Aan de bovenkant vallen de hoekpunten niet allemaal samen, maar de drie driehoeken elimineren met elkaar de speling effectief.
De staanders staan dus schuin. Ze hebben een hoek van ~11 graden ten opzichte van de verticaal.
De top
De top van de mast moet smal zijn zodat de rotor de mast niet kan raken. Een metalen pijp ligt dan voor de hand want een slanke houten constructie is niet makkelijk sterkt genoeg te maken.
Een metalen pijp aan de top leek me ook het makkelijkst om het molenhuis draaibaar te bevestigen. Bovendien had ik al een horizontaal lager én een pijp die exact in elkaar pasten.
Berekeningen
Die zijn er niet ;-) Alles is op het ‘gevoel’ gedimensioneerd. Ik ben er vrij zeker van dat de houten toren veel meer kan verdragen dan er nu gevergd wordt.
De metalen pijp lijkt me het meest zwakke punt. Potentieel breekpunt is het punt waar de buis de toren in gaat. De huidige buis is van verzinkt staal met een buitendiameter van 38mm. De wanddikte is ongeveer 1mm. Voor een rotor van 1.5m lijkt me dit te zwak, maar voor een diameter van 1m moet het voldoende zijn.
Opbouw
De staanders van de toren zijn van tuinhout, geimpregneerd vuren. De palen hebben een kopmaat van ongeveer 70 x 70mm en ze zijn bijna 4m lang. Onderaan zijn ze voorzien van een sleuf waarin een plank (eveneens tuinhout) gemonteerd is die de verbinding vormt met het grondvlak. Aan de bovenkant worden de 3 palen samen geklemd met 3 houten klampen die onderling gefixeerd worden door een ronde plaat. Hierdoor ontstaat een zeer stijve constructie.
Het grondvlak is gevormd door 3 stukken paal (toevallig wat restanten tuinhout, maar hardhout zou hier beter zijn) waarvan de uiteinden afgeschuind zijn. Daardoor sluiten ze op de drie hoeken naadloos op elkaar aan, ook als de plank die onderaan de staanders zit, er tussen geklemd zit.
De verbindingen tussen de palen zijn gemaakt met draadeinden.
Die ronde plaat bovenop de toren is gemaakt van watervast multiplex. Deze is gelakt met een buitenbeits.
Fundering
Het grondvlak rust op 3 palen die in de grond gestampt zijn. Twee palen zijn met een scharnier bevestigt aan één zijde van het grondvlak. Daardoor kan de hele constructie kantelen waarbij die zijde de draai-as is. De tegengestelde hoek is iets anders uitgevoerd dan de andere hoeken: de plank waarmee de staander aan het grondvlak zit, is in die hoek langer en loopt dus door onder het grondvlak. Hij valt daar in een gleuf die in de derde funderingspaal is gezaagd. Middels een draadeind wordt de plank in die gleuf geklemd. Doordat de gaten voor dat draadeind langwerpig zijn, is er wat speelruimte om het grondvlak precies horizontaal te stellen – waarmee de toren precies verticaal staat. Zie foto’s verderop.
Duurzaamheid
Mijn verwachting is dat deze mast zeker 20 jaar in goede conditie blijft. Mocht er eerder iets kapot gaan, dan is elk onderdeel vrij eenvoudig opnieuw te vervaardigen en te vervangen.
Door de keuze voor tuinhout en hardhout is onderhoud nauwelijks aan de orde. Ook verven is niet nodig. Mocht het nodig zijn, dan zijn de onderdelen van tuinhout vrij eenvoudig te vervangen.
Alle metalen verbindingen zijn geheel in RVS uitgevoerd. Ook dat is een duurzame oplossing: Het gaat jarenlang mee en staal is prima te recylen.
Alleen de plastic verbindingsstukken zijn niet echt duurzaam. Het gebruikte PLA is welliswaar biologisch afbreekbaar, maar dat geldt slechts onder heel specifieke omstandigheden…
Het werkt
Nadat alle onderdelen op maat gezaagd waren, bleek alles netjes in elkaar te passen en ontstond er inderdaad een solide constructie. Het plaatsen van de lattenconstructie om de pijp aan de onderkant vast te zetten, was een kwestie van proberen omdat het niet praktisch is om de positie vooraf helemaal te berekenen. Een kleine tolerantie in de dikte van de staanders kan centimeters schelen qua hoogte. Daarom is dit onderdeel als laatste geplaatst, zodanig dat hij bij alle staanders op dezelfde hoogte zit, en spanningsvrij gemonteerd kan worden. De extra driehoek van latjes maakte de lattenconstructie tot een zelfstandig stijf geheel, dat vereenvoudigde de positionering.
Na montage was de grote vraag: is alles ‘recht’? Dat is een wat vreemde vraag bij een driehoekige constructie en hij kan daarom beter anders gesteld worden: staat de pijp precies verticaal wanneer het grondvlak precies horizontaal wordt gesteld? Of weer anders: is de constructie helemaal symmetrisch?
De eerste vraag kon pas beantwoord worden nadat de toren geheel geplaatst was. Met een waterpas werd aangetoond dat er geen relevante afwijking is.
De tweede vraag werd beantwoord toen de toren nog niet was opgericht. Ik heb drie draadjes gespannen over het grondvlak van het midden van elke ligger naar de tegenoverliggende hoek. Die drie draadjes horen elkaar precies in het midden van de driehoek te snijden. Dat klopte behoorlijk. Vervolgens kijk je door de pijp die bovenin de toren zit, naar beneden. Als je dan precies het snijpunt van die draadjes in beeld krijgt, is de toren symmetrisch. Ook dat klopte behoorlijk.
Nauwkeurig werken loont!
NB: zie de ingefreesde moeren.
Het kan altijd beter…
Hoewel deze mast voldoet aan mijn verwachtingen, bleken er na verloop van tijd wel wat verbeterpunten te zijn.
Te koop
Niet iedereen die een mast nodig heeft, heeft de motivatie, de gereedschappen of de vaardigheden om er zelf één te bouwen. Dat hoeft ook niet: dit type mast is te koop! Interesse? Ga naar de webwinkel.