Projet collaboratif de Recherche et

Innovation

CMS10012 WindBlade

CMS ECOTECHNOLOGY, 39 Boulevard Charles Moretti, A6 - 13014 Marseille - France

Tél : 04 91 21 67 27 Mob : 06 95 25 17 46 Email : postmaster@cmsecotechnology.eu

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APPEL A SPONSORS POUR LE PROJET WINDBLADE

Project Acronym: WindBlade

Project Title: INNOVATIVE AND SUSTAINABLE DESIGN OF WIND TURBINE BLADES

Titre du Project: CONCEPTION INNOVANTE ET DURABLE DES PALES D’EOLIENNES

Name of Coordinator: Dr. Brahim Attaf, CMS Ecotechnology, France

Website: www.cmsecotechnology.eu

Pour toutes informations complémentaires sur ce projet, veuillez contacter Mr Brahim Attaf via l’adresse électronique : b.attaf@wanadoo.fr

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1. Introduction

Dans le cadre du plan mondial de lutte contre le changement climatique qui prend en compte le

développement des énergies renouvelables et particulièrement de l’énergie éolienne, nous avons élaboré

un projet de recherche et développement en technologies innovantes. Ce projet permet d’améliorer les

processus de conception, de qualification et de certification des pales d’éoliennes, ouvrant ainsi de

grandes perspectives au développement d’une production propre d’électricité et à l’assurance d’une

sécurité nouvelle d’approvisionnement. Sont également pris en compte les impacts environnementaux et

le respect des exigences en matière de santé, sécurité et qualité, tout en restant en phase avec une

logique de maîtrise des coûts.

2. Objectifs

A partir de besoins exprimés, nous ciblerons les principaux objectifs suivants :

Dynamiser le programme portant sur les énergies renouvelables (énergie éolienne) ;

Développer des procédés de fabrication propres en réduisant les émissions ;

Développer de nouveaux matériaux de haute performance à coûts maîtrisés ;

Créer des normes spécifiques à la qualification, la réparation et la gestion de la fin de vie des pales

d’éoliennes ;

Contribuer à la formation des jeunes chercheurs et ingénieurs actifs dans la filière éolienne (transfert

de technologie) ;

Etablir une activité bénéfique entre l’université, les centres de recherche et l’industrie.

3. Thèmes de recherche et d’innovation

Les principaux sujets de recherche scientifique, de développement technologique et industriel sont

récapitulés par les 18 thèmes suivants :

3.1 Développement du procédé de fabrication et automatisation de l’opération de

drappage

Dans la technologie de moulage par transfert de résine RTM, le problème de simulation du

comportement de l’écoulement dans un milieu fibreux anisotrope doit faire l’objet d’une étude

approfondie, où la modélisation des coefficients de perméabilité et du champ de pression restent des

paramètres à définir avec précision. L’intégration de ces paramètres dans de futurs logiciels de calculs

de simulation de l’injection permet de donner une représentation plus conforme à la réalité du

comportement de l’écoulement de la résine et du champ de pression, où les courbes représentatives

peuvent être visualisées pli par pli. Par ailleurs, cette approche analytique sera validée par des essais

d’expérimentation.

D’autre part, des recherches sur l’automatisation de la dépose des fibres par procédé d’enroulement

filamentaire seront entreprises après avoir optimisé numériquement le processus d’écoulement de la

résine par injection séquentielle.

3.2 Eco-Caractérisation mécanique des matériaux et nano-matériaux

Le nombre d’éprouvettes réalisées lors de la caractérisation expérimentale des composites sélectionnés

est généralement très élevé. Une caractérisation par un calcul analytique permet un gain de temps

considérable sur la réduction du nombre d’éprouvettes à tester et sur l’obtention de résultats rapides

pour différentes valeurs paramétriques. Cependant, le développement d’un programme informatique

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dans ce contexte reste une tâche à accomplir. Les caractéristiques mécaniques obtenues analytiquement

seront comparées avec celles déduites par essais.

3.3 Identification et calcul des différents types de chargements

En outre des charges aérodynamiques complexes, les conditions d’environnement auxquelles seront

soumises les pales peuvent engendrer des variations non négligeables de déformations et de contraintes.

Cependant, une étude sera menée afin de définir le chargement aérodynamique approprié et de savoir

de quelle manière seront modifiées les contraintes et les déformations, dans le cas où l’effet des charges

environnementales (variations de la température et de humidité) est pris en compte, dans les différentes

couches constituant les stratifiés extrados et intrados.

3.4 Optimisation du nombre de longerons et leur position

En gardant la masse de la pale constante, les déformations (statiques et dynamiques) en flexion et

torsion peuvent être réduites et minimisées par le renforcement de la section interne de la pale par un,

deux ou voire trois raidisseurs longitudinaux (longerons). La technique de cette optimisation par

renforcement doit faire l’objet d’une étude numérique suivi par une étude expérimentale afin de

déterminer le nombre adéquat des raidisseurs ainsi que leurs positions par rapport au bord d’attaque.

3.5 Etude sur la zone de transition

Les zones présentant un changement géométrique irrégulier, caractérisé par un passage d’une section

circulaire creuse (pied de pale) à un profil aérodynamique, présente une concentration de contraintes au

niveau des zones de transition. Cependant, une attention particulière doit être portée sur la zone de

transition, où le critère de non-rupture de l’un quelconque des plis constituant le stratifié doit faire l’objet

d’une étude de vérification de la résistance.

3.6 Amélioration de la loi de vrillage et réduction de bruit

L’évolution de la loi de vrillage le long de l’envergure (rotation du profil par rapport à un axe

d’articulation) peut être améliorée pour bénéficier d’une meilleure performance énergétique. Toutefois,

la terminologie entre la position du centre élastique et le centre de gravité doit faire l’objet d’une

distinction claire. Vient ensuite, la taille de la pale qui doit répondre à un cahier de charges précis. Le

bruit généré originellement de l’extrémité de la pale peut être réduit par des choix adéquats du profil et

de la géométrie de la pale. Des recherches dans ce domaine devront être réalisées.

3.7 Développement d’une loi d’évolution de l’épaisseur le long de l’envergure et

optimisation du stratifié

Cette étude consiste à déterminer avec précision la loi d’évolution de l’épaisseur du stratifié (extrados et

intrados) le long de l’envergure, ainsi que les épaisseurs des raidisseurs de renforcement. Cette loi peut

être définie en fonction de la contrainte maximale en traction le long de l’envergure et de la vitesse

périphérique. Elle évolue d’une manière dégressive du pied de la pale vers l’extrémité libre. Par ailleurs,

les optimisations de l’orientation des fibres et de la séquence d’empilement feront l’objet d’autres

études avancées.

3.8 Normalisation des procédures de qualification

Pour effectuer une vérification de la compatibilité entre le dimensionnement et les charges

aérodynamiques auxquelles la pale peut être soumise au cours de service, il est indispensable

d’entreprendre une mesure préventive qui consiste à analyser, d’une part, le comportement statique par

l’identification des zones critiques pouvant provoquer une rupture de l’un quelconque des plis

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constituant le stratifié de la pale et, d’autre part, le comportement dynamique afin de dégager l’ordre de

grandeur des paramètres modaux (fréquences propres et déformées modales) nécessaires pour mettre

en évidence d’éventuels problèmes de résonance.

3.9 Etude sur le phénomène de flambage local (dynamique)

Au cours de la rotation de la pale, les faces extrados et intrados sont sollicitées par des charges

répétées et variables, engendrant ainsi des contraintes alternées en traction et en compression. La face

soumise aux contraintes de compression est susceptible au phénomène de flambage local. Cependant,

l’étude sera effectuée sur le tronçon critique, sollicité en compression. L'évolution des fréquences

propres en fonction de la charge axiale de compression, variable entre zéro et la première charge

critique, doit être établie et discutée.

3.10 Etude sur le phénomène de délaminage

Le problème de délaminage doit faire l’objet d’une étude approfondie, car lors de la fabrication, le

mauvais étalement de la résine utilisée entre les plis et/ou les défauts de compactage (porosités) sont les

causes principales susceptibles de provoquer ce phénomène, qui peut modifier considérablement la

rigidité totale de la pale et par conséquent engendrer un endommagement de la structure-pale.

Les causes pouvant réduire la croissance de délaminage et la charge critique seront particulièrement

identifiés et analysés.

3.11 Développement d’une procédure de calcul de la durée de vie de la pale (fatigue

mécanique)

La détermination de la durée de vie d’une pale, caractérisée généralement par le phénomène de fatigue

mécanique, doit faire l’objet d’un certain nombre d’essais expérimentaux permettant de chiffrer la durée

de vie de la pale avec un degré de confiance suffisamment admissible.

3.12 Développement d’une procédure d’équilibrage des pales

Une procédure d’équilibrage doit être développée et doit faire l’objet de deux cas d’études :

1. Equilibrage statique : garantissant que toutes les pales auront le même moment statique.

2. Equilibrage dynamique (pale en rotation) : garantissant que toutes les pales produiront les

mêmes efforts en rotation et pourront effectivement être interchangeables.

3.13 Etude sur le comportement du revêtement (gel-coat)

Le choix inapproprié des caractéristiques physico-chimiques (composition et propriétés) du gel-coat

peut engendrer la formation de cloques, l’apparition de craquelures et bulle-délaminages, conduisant à

une rupture prématurée de la pale. Il est cependant important d’entreprendre une étude particulière sur

le comportement de cette couche protectrice quand elle est exposée à des agents agressifs et/ou

soumise à des chargements de type hygrothermomécanique.

3.14 Développement d’une technique de surveillance en ligne de la santé de la

structure-pale

Afin de suivre en ligne l’état de la santé (interne et/ou externe) de la structure-pale et de localiser

suffisamment tôt les zones critiques sujettes à des dommages potentielles, une technique innovante de

contrôle non destructif (CND) sera développée offrant ainsi une fonction contrôle santé en continue, ce

qui ne peut être obtenue par les autres techniques classiques telles que la thermographie, la

shearographie, l’ultrason, le courant de Foucault, etc. Cette technique consiste en fait à intégrer dans le

stratifié composite constituant la structure-pale des capteurs à fibres en nanotubes de carbone

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permettant d’identifier et d’évaluer les divers défauts pouvant apparaître et/ou se manifester lors de

différents stades de fabrication, test et service.

3.15 Développement des procédures de réparation et de maintenance

Les consignes de réparation des pales d’éoliennes doivent faire l’objet d’un développement d’une

normalisation qui sera exploitée par les diverses sociétés de l’éolien. Ces consignes seront de même

niveau d’exigence que celles fournies par la DGAC (Direction Générale de l’Aviation Civile).

3.16 Environnement et éco-conception

En aval des nouveaux procédés industriels qui devront être définis par les différents thèmes du projet,

l’impact de l’activité de fabrication de pales d’éoliennes doit être mesuré, quantifié et maîtrisé. Les coûts

de recyclage des déchets industriels de toute catégorie de fabrication et de réparation doivent être

évalués, intégrés dans une approche économique circulaire et ce, en phase d’investissement comme

d’exploitation des équipements éoliens.

3.17 Etude sur la certification des pales d’éoliennes

Le certificat de conformité de la pale d’éolienne est délivré selon la procédure IEC 61400-1 par un

organisme tiers reconnu. Un cahier des charges respectant les exigences posées par les règles de

conception doit être constitué. Ceci correspond aux évaluations :

des documents et rapports de conception,

du site et de ses procédés de fabrication,

des équipements destinés aux essais statiques, dynamiques, fatigue, …

des résultats numériques et expérimentaux associés aux pales prototypes,

de la qualification du personnel et des opérateurs intervenant dans le processus de conception,

des systèmes de management de la qualité.

3.18 Formation et management des compétences

Les sociétés exerçant cette activité doivent faire appel à de fortes compétences dans le domaine des

matériaux et nano-matériaux composites afin de :

renforcer les normes de sécurité vis-à-vis de l’environnement, du personnel de production et

d’entretien des installations ;

former des jeunes chercheurs actifs dans ce domaine ;

mettre à jour l’état de l’art (veille et base bibliographique) ;

créer les conditions de transferts de compétences.

4. Conclusion

Le projet présenté à travers ce document permet de rapprocher les scientifiques, les chercheurs et les

industriels dans une relation dynamique et active. Cette relation favorise la R&D et l’innovation, le

transfert technologique ainsi que la formation et répond efficacement aux exigences du développement

durable dans le domaine d’éco-conception, qualification/certification et analyse de cycle de vie des

pales d’éoliennes. Ainsi, cela ouvre de larges activités de recherche et innovation sur la modernisation

du procédé de fabrication et aussi, sur le développement et l’amélioration des procédures de réparation

et recyclage de ces pales. En outre, cette étude répond adéquatement aux programmes-cibles de

recherche et innovation de l’UE (Horizon 2020).