La conception structurale d’une pale est étroitement liée à la méthode de fabrication car ces deux facteurs doivent être pris en compte pour créer une pale rentable et fiable. Il existe deux approches pour fabriquer une pale d’éolienne : l’infusion et la préimprégnation. Bien que ces deux méthodes de fabrication puissent être employées pour fabriquer les deux conceptions structurales habituelles, la préimprégnation est presque exclusivement utilisée de nos jours pour construire le longeron caisson.
Coût de fabrication
Le choix du procédé de fabrication pour obtenir la meilleure performance globale au meilleur prix fait l’objet de nombreux débats au sein de l’industrie éolienne. Le procédé par infusion est couramment perçu comme moins cher grâce au faible coût de la nomenclature . Toutefois, la préimprégnation permet de mieux exploiter les propriétés de la résine, d’augmenter l’automatisation et d’obtenir un procédé plus uniforme, permettant ainsi de réduire le poids de la pale. Une diminution du poids de la pale réduit les charges à la fois sur la pale mais également sur le générateur, permettant de réduire les coûts et l’usure sur les autres composants de l’aérogénérateur. En conséquence, les discussions sur la performance et le coût d’une pale doivent prendre en compte de nombreux facteurs secondaires, qui vont bien au-delà de la nomenclature.
Procédés de fabrication des pales d’éoliennes
(i) Technologie d’infusion de résine
Le principe général de l’infusion consiste à « aspirer » sous vide une résine dans les fibres et les tissus de renfort. Le vide réduit la pression à une extrémité de l’empilement, permettant à la pression atmosphérique de forcer la résine à l’intérieur de l’empilement. La vitesse et la distance auxquelles une pile de pièces peut être infusée dépondront des paramètres suivants :
- La viscosité de la résine
- La perméabilité de l’empilement
- Le gradient de pression agissant sur la résine infusée
Schéma de la technologie d’infusion de résine
Infusion pour une pale d’éolienne
La pale d’éolienne s'adapte bien au procédé par infusion car la géométrie des coques de la pale ne comprend aucun détail structurel complexe. Toutefois, la grande taille de la coque, l’intégration d’une âme dans certaines zones pour former des structures sandwich, la difficulté inhérente de l’infusion dans les fibres unidirectionnelles de la semelle du longeron, et les exigences de production du moule posent des problèmes supplémentaires.
(ii) Technologie de la préimprégnation
Le terme « prepreg » est l’abréviation de préimprégnation, technologie dans laquelle une couche de fibre ou un tissu est imprégné d’une résine pour former un précurseur homogène qui est employé par la suite pour fabriquer des composites. Les résines employées pour fabriquer des préimprégnés présentent par nature une viscosité élevée et sont donc solides à température ambiante, facilitant la manutention, le découpage et la stratification dans le moule sans aucun transfert ni contamination de la résine. Une fois dans le moule, les préimprégnés peuvent alors être traités sous vide à des températures élevées, en général entre 80°C et 120°C pour les applications industrielles.
Schéma de la technologie de préimprégnation
Résines hautes performances
Les préimprégnés sont souvent fournis en rouleaux et présentent l’avantage d’un contrôle supérieur de la teneur en résine, d’une performance plus élevée des résines employées par rapport à l’infusion ou aux systèmes par voie humide, d’un contrôle de l’alignement des fibres dans les produits unidirectionnels, d’une vitesse de dépôt plus rapide et de la possibilité d’utiliser l’automatisation. Toutefois, l’utilisation de résines à hautes performances qui requiert un stockage et une expédition à froid, ainsi que l’étape supplémentaire de préimprégnation, les préimprégnés demeurent plus chers (au kg) en comparaison avec les résines et les renforts équivalents du procédé d’infusion. De plus, les températures de traitement plus élevées nécessaires aux préimprégnés peuvent également augmenter les coûts d’usinage.
(iii) Technologie SPRINT®
SPRINT® est un groupe de produits préimprégnés, développé spécifiquement pour les grandes structures. Alors que l’épaisseur des stratifiés commençait à augmenter avec la taille des composants, la difficulté d’éliminer l’air piégé entre les plis de préimprégnés a pris de l’ampleur.
La méthode de combinaison des fibres et de la résine de la technologie SPRINT® est différente de celle de la technologie de préimprégnation conventionnelle. Dans une préimprégnation conventionnelle, la fibre est entièrement imprégnée par la résine. Avec la technologie SPRINT®, les fibres restent aussi sèches que possible, en particulier sur les surfaces extérieures. La technologie SPRINT® est proposée dans différents formats, mais les plus courants sont le « double face » (deux tissus secs de chaque côté d’un film de résine) et le « simple face » (un tissu sec associé à un film de résine).
Le concept SPRINT®
SPRINT® est un groupe de produits qui associe les avantages des technologies d'infusion et de préimprégnation. Le procédé par infusion permet de produire des stratifiés (sans air) de haute qualité et très épais en une seule opération. Toutefois, la variabilité du procédé peut poser un problème majeur pour les grandes structures car la résine doit être étalée sur des distances considérables. Le procédé de préimprégnation utilise des résines hautes performances, permet un alignement précis des fibres, et assure une teneur en résine précise dans le composant final. Cependant, sa capacité à éliminer l’air présent dans les stratifiés épais est limitée. SPRINT® est l’abréviation de SP Resin INfusion Technology (technologie d’infusion de résine de SP) car une technologie avancée de l’imprégnation de la résine est employée pour imprégner les structures stratifiées.