Etats-Unis – 10/08/2021 – energiesdelamer.eu. Une équipe de chercheurs dirigée par Robynne Murray du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont mis au point un système de protection contre la foudre pour les pales d’éoliennes en utilisant un nouveau composite et un procédé innovant de soudage thermique.
Créé en partenariat avec General Electric et LM Wind Power et financé par le Fonds de commercialisation des technologies du ministère américain de l’énergie, le « bouclier contre la foudre » pour éolienne peut détourner environ 80 % du courant de la foudre des éléments chauffants en métal, selon le NREL.
Il existe des systèmes de protection contre la foudre pour les pales d’éoliennes classiques. Mais une protection était nécessaire pour les pales fabriquées à partir d’un nouveau type de matériau – les composites de résine thermoplastique – et fabriquées à l’aide d’un processus de soudage thermique innovant (basé sur la chaleur) développé par les scientifiques du NREL.
Les matériaux thermoplastiques, comme les bouteilles en plastique, peuvent être plus facilement recyclés que les matériaux thermodurcis couramment utilisés pour fabriquer les pales d’éoliennes aujourd’hui. Alors que les matériaux thermodurcissables doivent être chauffés pour durcir, les thermoplastiques durcissent à température ambiante, ce qui réduit à la fois les délais et les coûts de fabrication des pales.
Le procédé de soudage thermique en instance de brevet du NREL pour les pales thermoplastiques permet de bénéficier de ces avantages et même de les renforcer en remplaçant les adhésifs actuellement utilisés pour coller les composants des pales. Selon le NREL, l’utilisation du soudage au lieu des adhésifs élimine les inconvénients du poids supplémentaire et du risque de fissuration.
Si le soudage thermique présente des avantages, il nécessite également l’ajout à l’intérieur de la pale d’un élément chauffant métallique – ce qui peut attirer la foudre.
En 2018, Robynne Murray, une ingénieure du NREL spécialisée dans les méthodes et les matériaux de fabrication avancés pour les pales d’éoliennes, a reçu une bourse de recherche et développement dirigée par le laboratoire du NREL d’une durée de deux ans pour effectuer des recherches sur le soudage thermique des pales d’éoliennes thermoplastiques.
Pour fabriquer l’une de ces nouvelles pales, un vide aspire la résine thermoplastique liquide dans le matériau en fibre de verre qui est placé dans un moule pour chaque moitié de pale. Pour souder les moitiés de pale ensemble, les scientifiques prennent en sandwich un matériau conducteur – comme une feuille de métal déployé ou une fibre de carbone – entre les deux composants de la pale et attachent un fil à une source d’énergie. Cela crée l’élément chauffant. Lorsque le courant passe dans cet élément, les matériaux thermoplastiques fondent. Une fois qu’ils sont fondus, le courant est coupé et la liaison se refroidit sous pression.
Un défi clé à surmonter
Les recherches de Mme Murray ont démontré que le soudage thermique permet de coller efficacement des segments de pale d’éolienne en thermoplastique. Elle a déposé une demande de brevet sur ce procédé en 2018.
« Le soudage thermique est une étape importante dans la progression de la commercialisation des matériaux thermoplastiques pour les pales d’éoliennes, mais que se passe-t-il lorsque la foudre frappe une pale soudée thermiquement ? C’était une question sans réponse et une grande préoccupation », a déclaré Murray.
« Pour que le soudage thermique des pales thermoplastiques devienne commercialement viable, il est essentiel que les lignes de liaison conductrices soient protégées d’un coup de foudre. »
L’équipe a introduit une feuille d’aluminium expansé dans le revêtement de la pale pour détourner le courant de la foudre des éléments chauffants métalliques. Ils ont ensuite réalisé des expériences à l’aide d’une simulation qui a montré qu’un coup de foudre ne provoquerait pas de défaillance de la pale avec le système de protection contre la foudre en place.
Les tests de dommages physiques – qui soumettent les pales à de forts courants électriques – ont démontré qu’environ 80 % du courant électrique est passé dans la couche de feuille d’aluminium expansée pour la protection contre la foudre et non dans le revêtement de la pale. La fibre de carbone située sous la zone endommagée de l’extrémité n’a pas été touchée non plus.
La recherche a confirmé que la conception peut protéger les pales d’éoliennes contre les défaillances causées par la foudre, a déclaré le NREL.
En partenariat avec GE et LM Wind Power, Murray a soumis une proposition de recherche au Technology Commercialization Fund (TCF) du DOE. Les prix du TCF sont conçus pour faire progresser la technologie développée dans les laboratoires nationaux vers la commercialisation tout en encourageant les partenariats entre les laboratoires et l’industrie.
« Avec notre partenariat avec GE, une entreprise qui peut amener le processus de soudage thermique à la commercialisation, notre TCF était une proposition solide », a déclaré Robine Murray.
« Ensemble, nous voulions déterminer si nous pouvons protéger ces pales de la foudre et éliminer une raison importante qui nous empêche d’utiliser cette technologie. »
POINTS DE REPÈRE
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