Les éoliennes sont des dispositifs qui extraient l’énergie cinétique du vent et la convertissent en énergie mécanique, qui est ensuite convertie sous la forme plus utilisable de l’énergie électrique.
L’énergie exploitée par le vent fournit actuellement environ 10 % de l’approvisionnement énergétique mondial, et sa présence dans le secteur des énergies renouvelables ne devrait que s’accroître à mesure que son potentiel est davantage exploité. Afin de rester compétitif par rapport aux technologies existantes, l’optimisation du rendement des éoliennes est cruciale et dictée par une conception technique complétée par un choix judicieux des matériaux. De plus, les matériaux doivent être durables, idéalement recyclables et peu coûteux en termes de fabrication afin de ne pas annuler l’impact environnemental positif et les avantages économiques de l’énergie éolienne.
Une éolienne se compose de trois éléments principaux : la tour, la nacelle et les pales du rotor.
Fig 1. Le Danemark est un fervent partisan de l’énergie éolienne, des éoliennes ayant même fait leur apparition sur les îles Féroé.
Tour
La tour fournit un support structurel sur lequel reposent la nacelle et les pales de rotor et est faite d’acier tubulaire, de béton ou de treillis métallique. Naturellement, les matériaux doivent être de nature solide et robuste pour résister aux conditions environnementales difficiles et aux vents forts.
- AS 1302 Grade 230S laminé (barre d’armature pour béton) bar
Nacelle
La nacelle abrite la machinerie interne, y compris le générateur, qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Comme la nacelle contient principalement des parties mécaniques du fonctionnement de l’éolienne, les matériaux ne sont pas particulièrement soumis à de nombreux écarts et variations.
Fig 2. Composants mécaniques intérieurs de la nacelle d’une éolienne.
Pale du rotor
Le rotor génère un couple aérodynamique à partir du vent avec son mouvement de rotation lorsque les pales tournent. L’optimisation de la forme et du matériau des pales doit permettre à la pale de tourner plus vite et de capturer le vent à des vitesses plus faibles pour augmenter le rendement de l’éolienne. La forme de la pale du rotor doit être aérodynamique, comme les ailes d’un avion. Le matériau des pales doit améliorer leur aérodynamisme plutôt que de l’entraver et répondre aux critères suivants : une grande rigidité pour un aérodynamisme optimal, une faible densité pour réduire les forces gravitationnelles et une longue durée de vie en fatigue pour réduire la dégradation du matériau. Une durée de vie de 20 ans est généralement la norme industrielle pour une longue durée de vie en fatigue, qui soutient 108-109 cycles de contrainte que le matériau peut supporter avant la rupture.
En évaluant les grandes catégories de matériaux disponibles, les mousses, les polymères et les caoutchoucs sont éliminés en raison de leur rigidité et de leur densité inadéquates pour une poutre en porte-à-faux servant de modèle à la pale de rotor. Les céramiques ne résistent pas bien aux charges de fatigue à long terme, ce qui signifie qu’elles peuvent se fracturer facilement. Il ne reste donc que le bois et les composites pour répondre à ces exigences. Le bois est une option écologique qui présente l’avantage d’avoir une faible densité. Toutefois, sa faible rigidité rend le matériau sensible aux flexions et aux déviations dans le vent, ce qui compromet gravement l’efficacité globale de l’éolienne. Les matériaux composites restent le choix le plus pratique et le plus répandu. Dans cette famille de matériaux, une riche variété de possibilités innovantes est explorée.
Fig 3. Pales de rotor se préparant à être assemblées.
Fibres
Les matériaux fibreux se caractérisent par le fait qu’ils sont significativement plus longs que larges. La résistance et la rigidité exceptionnelles des fibres en font d’excellents candidats pour les matériaux des aubes de turbine, où les longues fibres fournissent une rigidité longitudinale lorsqu’elles sont alignées parallèlement sur la longueur de l’aube. Les fibres sont souvent fragiles et peuvent se casser facilement, elles ne sont donc pas utilisées seules comme matériau mais plutôt comme renforts additifs.
Les fibres de carbone ont des propriétés mécaniques supérieures avec une grande rigidité, une grande résistance et une faible densité, mais avec des coûts plus élevés. Elles sont composées d’atomes de carbone purs en tant qu’unités répétitives hexagonales dans un réseau cristallographique disposé les uns sur les autres dans des plans, avec des forces fortes dans le plan et des forces faibles entre. Cela donne lieu à une forte anisotropie avec des propriétés de rigidité et de dilatation thermique élevées. La faible densité des aubes en fibre de carbone permet d’augmenter la longueur sans le poids, ce qui accroît le rendement de la turbine. En outre, les pales plus légères réduisent le poids global et la contrainte que porte la nacelle.
Les fibres de verre sont disponibles à un coût moindre par rapport à leurs homologues en carbone, et sont donc plus répandues dans l’industrie. Elles sont composées principalement de SiO2 et d’Al2O3, d’autres oxydes étant présents en petites quantités. En l’absence d’ordre cristallographique, le matériau présente une structure amorphe aux propriétés isotropes. Cela signifie que ses propriétés, telles que la rigidité et la dilatation thermique, sont constantes le long et à travers de la fibre. Les fibres de verre ont un diamètre de 10 à 20 μm et présentent une rigidité modérée, une résistance élevée et une densité modérée. Pour en savoir plus sur le verre d’aluminosilicate, cliquez ici.
- Verre E, ou verre électrique en alumino-borosilicate caractérisé par sa résistance électrique élevée.
- Verre S, ou verre à haute résistance en aluminosilicate de magnésium mais avec des coûts plus élevés.
Les fibres d’aramide sont des fibres synthétiques très résistantes à la chaleur, ce qui les rend adaptées aux éoliennes qui fonctionnent dans des températures extrêmes. Les fibres sont composées de chaînes de polyamide aromatique maintenues ensemble par de fortes liaisons hydrogène qui contribuent à la ténacité de la fibre.
Matrice polymère
La matrice polymère fournit un support structurel en liant les fibres ensemble et se compose de deux classes principales : les thermodurcissables et les thermoplastiques. La principale différence physique entre eux est leur comportement à différentes températures. Vous pouvez en savoir plus sur ces différences ici.
Les thermodurcissables contiennent des polymères fortement réticulés entre eux par des liaisons chimiques irréversibles. Cela les rend résistants aux hautes températures et restent dans un état solide permanent une fois refroidis. Cela peut éventuellement donner lieu à des contraintes internes dans la structure composite. Des exemples de polymères thermodurcis sont les suivants :
- Polyesters insaturés : Général Polyéthylène téréphtalate, amorphe
- Vinylesthers : Général Esters vinyliques (VE)
- Epoxies : Général Epoxyde ; Epoxy (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Les thermoplastiques contiennent des polymères dépourvus de ces liaisons chimiques fortes, de sorte que les interactions sont réversibles. Ils se ramollissent lorsqu’ils sont réchauffés, ce qui permet d’envisager des remodelages et des réparations si nécessaire. Cependant, cette propriété les fait également fondre à haute température, ce qui les rend peu pratiques pour certaines des conditions difficiles que doivent endurer les éoliennes.
- Général Acrylnitrile-butadiène-styrène + Polycarbonate (ASA+PC)
Lorsqu’ils sont combinés ensemble, les fibres et la matrice polymère constituent un matériau composite aux propriétés chimiques et physiques différentes de celles de leurs constituants individuels. Le matériau résultant est renforcé par des propriétés complémentaires compensant les déficits de l’autre. Les matériaux composites contenant des fibres couramment utilisés dans les aubes de turbine sont en verre et en carbone. Les fibres longues assurent la rigidité et la résistance tandis que la matrice polymère soutient les fibres en assurant la résistance hors plan, la flexibilité, la résistance à la rupture et une rigidité accrue. Dans une composition et une combinaison optimisées, les pales résultantes sont légères avec d’excellentes propriétés mécaniques.
- Polyamide général 4T (PA4T+GF30), matériau composite renforcé avec 30% de fibre de verre
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