Brevet FR3044349A1 — publié le 20170602

PALE POUR ÉOLIENNE COMPRENANT UNE COUCHE DE MÉTALLISATION AYANT UN GRAMMAGE OPTIMISÉ DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des éoliennes et plus particulièrement à la protection contre la foudre des pales d'éoliennes. Elle concerne en particulier un longeron pour pale d'éolienne, une pale munie de ce longeron, et une éolienne comportant des pales de ce type. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les pales des éoliennes de dimensions dites moyennes, c'est à dire présentant une longueur comprise entre 10 mètres à 60 mètres environ, sont en général réalisées à partir d'une structure en matériau composite à base de fibres de verre. La protection d'une pale d'une éolienne de ce type contre la foudre repose conventionnellement sur un système comportant des récepteurs de foudre métalliques affleurant la surface externe de la pale et répartis le long de celle-ci en étant reliés à un câble de descente électriquement conducteur s'étendant à l'intérieur de la pale le long du longeron interne de celle-ci et raccordé à des moyens de liaison à la Terre intégrés au moyeu du rotor de l'éolienne. 2 0 Ainsi, la foudre s'attache préférentiellement sur les récepteurs de foudre et est canalisée par le câble de descente jusqu'aux moyens de liaison à la Terre. Toutefois, les progrès techniques en matière d'éolienne tendent à favoriser l'utilisation d'éoliennes de grandes dimensions, dont la longueur des pales peut dépasser 80 mètres. 25 Ces éoliennes constituent des édifices de grande hauteur, dépassant typiquement 150 mètres, pour lesquels il est connu que la foudre se manifeste essentiellement de manière ascendante, c'est à dire à partir de précurseurs circulant depuis l'édifice vers le nuage. 3044349 2 De plus, pour garantir la tenue mécanique des pales de telles éoliennes, la structure de ces pales intègre des matériaux composites à base de fibres de carbone, appréciées pour leurs propriétés mécaniques plus avantageuses que les fibres de verre. Or, les fibres de carbone présentent notamment une conductivité 5 électrique considérablement supérieure à celle des fibres de verre. La conductivité électrique d'un matériau composite à base de fibres de carbone demeure néanmoins considérablement inférieure à celle d'un matériau métallique, et en tout état de cause trop faible pour être en mesure de disperser le courant électrique induit par un impact de foudre sans que la structure ne soit endommagée au-delà d'un niveau acceptable. 10 Il en résulte un risque de compétition entre les récepteurs de foudre et les régions de la pale comprenant des fibres de carbone, ainsi qu'un risque d'arc électrique à l'intérieur de la pale entre les régions comprenant des fibres de carbone et le câble de descente. Un tel arc électrique à l'intérieur de la pale est susceptible de provoquer l'explosion de la pale. 15 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ce problème. Elle propose à cet effet une pale pour éolienne, comprenant une coque aérodynamique délimitant un volume intérieur de la pale. Selon l'invention, la coque aérodynamique comprend au moins une structure stratifiée composite comportant au moins une couche de métallisation qui présente un grammage compris entre 400 g/m2 et 1600 g/m2. La structure stratifiée composite proposée permet de minimiser l'étendue surfacique de la zone éventuellement endommagée par la foudre. Le demandeur a en effet constaté, à l'issue de campagnes d'essais de grande envergure, qu'un grammage compris dans la plage précité offrait des performances remarquables en termes de tenue à la foudre. L'invention permet ainsi de réduire au mieux les coûts de maintenance relatifs aux impacts de foudre pouvant affecter une pale d'éolienne. 3044349 3 De préférence, le grammage de la couche de métallisation est supérieur à 800 g/m2. De préférence, la structure stratifiée composite comporte au moins une couche réalisée en un matériau composite comprenant des fibres de carbone noyées 5 dans une résine durcie. Par ailleurs, la couche de métallisation est avantageusement formée d'une feuille de métal expansé. En variante, la couche de métallisation peut être formée d'un tissu métallique. 10 De préférence, la couche de métallisation définit une surface extérieure de la structure stratifiée composite. D'une manière générale, la couche de métallisation est préférentiellement réalisée en cuivre. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la structure 15 stratifiée composite comporte successivement, dans la direction allant de l'intérieur vers l'extérieur de la pale : - une première couche réalisée en un matériau composite comprenant des fibres de verre noyées dans une résine durcie ; - une deuxième couche réalisée en un matériau composite comprenant des fibres 20 de carbone noyées dans une résine durcie ; une troisième couche réalisée en un matériau composite comprenant des fibres de verre noyées dans une résine durcie ; - ladite couche de métallisation. De plus, la structure stratifiée composite est avantageusement revêtue 25 de peinture recouvrant la couche de métallisation. La pale comprend de préférence un longeron interne comportant au moins une âme de cisaillement ainsi qu'au moins une semelle intégrée à la coque aérodynamique de la pale et raccordée à une extrémité latérale de l'âme de cisaillement, et ladite structure composite stratifiée forme de préférence au moins partiellement ladite semelle. 3044349 4 L'invention concerne également une éolienne, comprenant une nacelle logeant un moyeu de rotor, et des pales portées par le moyeu de rotor, dans laquelle lesdites pales sont du type décrit ci-dessus, et ladite couche de métallisation de ladite structure stratifiée composite de chaque pale est raccordée électriquement à un 5 dispositif de liaison à la Terre intégré au moyeu du rotor. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 10 la figure 1 est une vue schématique d'une éolienne selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'une pale de l'éolienne de la figure 1; la figure 3 est une vue schématique en perspective de la pale de la figure 2 ; 15 la figure 4 est une vue schématique partielle en coupe d'une structure stratifiée composite appartenant à une coque aérodynamique de la pale de la figure 2 ; la figure 5 est une vue analogue à la figure 3 d'une variante de la pale de la figure 2. Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. 20 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS La figure 1 illustre une éolienne 10 comprenant de manière générale un mât 12, une nacelle 14 portée par le mât et logeant un moyeu de rotor 16 supportant des pales 18 et monté à rotation autour d'un axe de rotor 19. Chaque pale 18 comporte une base 17, par exemple de forme cylindrique, raccordée au moyeu de rotor 16, et se 25 prolongeant en un profil aérodynamique effilé, d'une manière bien connue. Les figures 2 et 3 illustrent grossièrement une pale 18 de l'éolienne 10. La pale 18 est globalement formée d'un longeron 20 et d'une coque aérodynamique 22 solidaire du longeron 20 et délimitant un volume intérieur de la pale (figure 2). Le 3044349 5 longeron 20 peut bien entendu être réalisé d'une seule pièce ou être formé de plusieurs sections assemblées bout-à-bout. De plus, l'invention n'est pas limitée à une pale comportant un unique longeron. Ainsi, la pale 18 peut comporter plusieurs longerons parallèles, par exemple deux longerons. 5 Le longeron 20 comporte une âme de cisaillement 24 ainsi que deux semelles 26 intégrées à la coque aérodynamique 22 de la pale et raccordées respectivement aux extrémités latérales de l'âme de cisaillement 24. Les deux semelles 26 prennent de manière générale la forme de structures stratifiées composites monolithiques. 10 La coque aérodynamique 22 comporte en outre des structures stratifiées composites sandwich 28 disposées de part et d'autre des semelles 26, et comportant typiquement des âmes 29A respectives réalisées en une mousse synthétique ou en balsa interposées entre une peau extérieure 29B et une peau intérieure 29C. Selon une particularité de l'invention, la coque aérodynamique 22 15 comprend au moins une structure stratifiée composite 30 comportant au moins une couche de métallisation 32, raccordée électriquement à un dispositif de liaison à la Terre intégré au moyeu de rotor 16, et présentant un grammage compris entre 400 g/m2 et 1600 g/m2, de préférence supérieur à 800 g/m2. La couche de métallisation 32 est préférentiellement réalisée en cuivre. 20 Le cuivre présente notamment l'avantage d'une absence de couplage galvanique avec les fibres de carbone. De plus, le choix du cuivre est particulièrement pertinent en relation avec les valeurs de grammage précitées. Le dispositif de liaison à la Terre peut être d'un type analogue aux dispositifs utilisés conventionnellement pour raccorder à la Terre les câbles de descente 25 qui équipent l'intérieur des pales de types connus. La structure stratifiée composite 30 comporte de préférence au moins une couche réalisée en un matériau composite comprenant des fibres de carbone noyées dans une résine durcie, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. La couche comprenant les fibres de carbone permet de conférer une 30 résistance mécanique élevée à la structure stratifiée composite 30. 3044349 6 La présence de fibres de carbone au sein de la structure stratifiée composite 30 rend celle-ci plus vulnérable aux impacts de foudre et rend d'autant plus avantageuse la présence de la couche de métallisation 32. Dans l'exemple illustré, les structures stratifiées composites 30 sont au 5 nombre de deux et forment respectivement les deux semelles 26 du longeron 20. Dans le mode de réalisation de l'invention préféré illustré sur les figures, comme le montre la figure 4, chaque structure stratifiée composite 30 comporte successivement, dans la direction F allant de l'intérieur vers l'extérieur de la pale : une première couche 34 réalisée en un matériau composite comprenant des fibres 10 de verre noyées dans une résine durcie, d'épaisseur de préférence comprise entre 1 mm et 3 mm ; une deuxième couche 36 réalisée en un matériau composite comprenant des fibres de carbone noyées dans une résine durcie, d'épaisseur de préférence comprise entre 5 mm et 70 mm ; 15 - une troisième couche 38 réalisée en un matériau composite comprenant des fibres de verre noyées dans une résine durcie, d'épaisseur de préférence comprise entre 1 mm et 3 mm ; et ladite couche de métallisation 32. La couche de métallisation 32 définit ainsi une surface extérieure de la 20 structure stratifiée composite 30. Bien entendu, il faut comprendre que les couches 32, 34, 36, et 38 sont empilées les unes au-dessus des autres de sorte que deux couches consécutives soient directement en contact l'une avec l'autre. Dans l'exemple illustré, la structure stratifiée composite 30 est revêtue 25 de peinture 40 recouvrant la couche de métallisation 32. De plus, dans l'exemple illustré, la couche de métallisation 32 est formée d'une feuille de métal expansé. Une telle couche de métallisation présente l'avantage d'être réalisée d'un seul tenant, d'où il résulte une continuité électrique optimale. 3044349 7 En variante, la couche de métallisation 32 peut être formée d'un tissu métallique. Dans les deux cas, la structure composite 30 peut ainsi être réalisée par drapage de fibres sèches destinées à former les couches 34, 36 et 38 en matériau 5 composite, puis par infusion de la résine au travers de la couche de métallisation 32 et des fibres sèches préalablement drapées. La fabrication de la structure composite 30 peut ainsi être simplifiée. De plus, la résine permet ainsi l'adhésion de la couche de métallisation au reste de la structure composite 30. Il est à noter que la peau extérieure 29B des structures stratifiées 10 composites sandwich 28 peut également être, en tout ou partie, formée d'une structure stratifiée composite semblable aux structures stratifiées composites 30 décrites ci-dessus, sans sortir du cadre de la présente invention. D'une manière générale, les structures composites stratifiées 30 comprenant la couche de métallisation 32 offrent une protection optimale aux impacts de 15 foudre. Plus précisément, en cas d'impact de foudre, il est apparu que la couche de métallisation 32 proposée par l'invention permet de minimiser l'étendue surfacique de la zone éventuellement endommagée par la foudre. L'invention permet ainsi de réduire au mieux les coûts de maintenance relatifs aux impacts de foudre pouvant affecter une pale d'éolienne. 20 La figure 5 illustre une variante de réalisation de la pale 18, dans laquelle la couche de métallisation 32 ne s'étend pas sur toute la longueur de la structure stratifiée 30 mais seulement sur une portion longitudinale de cette dernière, de préférence à partir de l'extrémité de la structure stratifiée 30 située du côté du bout de la pale 18, par exemple sur une étendue longitudinale environ égale au tiers de l'étendue 25 longitudinale de la structure stratifiée 30. Dans ce cas, la pale 18 intègre un câble de descente 50 relié d'une part au dispositif de liaison à la Terre intégré au moyeu de rotor 16, et d'autre part à la couche de métallisation 32, de préférence au niveau d'une extrémité de cette dernière située du côté de la base 17 de la pale. Le câble de descente 50 ne se prolonge ainsi pas sous la 30 couche de métallisation 32. 3044349 8 La liaison entre le câble de descente 50 et la couche de métallisation 32 est par exemple réalisée au moyen de plots métalliques (non visibles sur la figure 5) traversant au moins partiellement la structure stratifiée 30 à proximité de l'extrémité de cette dernière. 5 Les risques d'arc électrique mentionnés ci-dessus en ce qui concerne les pales de type connu concernent principalement la partie de la pale proche du bout de cette pale. Ainsi, l'agencement de la couche de métallisation 32 dans une portion de la pale proche du bout de cette dernière, en association avec le câble de descente 50 agencé au-delà de la couche de métallisation, peut se révéler suffisant pour prévenir les 10 risques d'arcs électriques. REVENDICATIONS1. Pale (18) pour éolienne (10), comprenant une coque aérodynamique (22) délimitant un volume intérieur de la pale, la coque aérodynamique comprenant au moins une structure stratifiée composite (30) comportant au moins une couche de métallisation (32), caractérisée en ce que la couche de métallisation (32) présente un grammage compris entre 400 g/m2 et 1600 g/m2. 2. Pale selon la revendication 1, dans laquelle la structure stratifiée composite (30) comporte au moins une couche (36) réalisée en un matériau composite comprenant des fibres de carbone noyées dans une résine durcie. 3. Pale selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la couche de métallisation (32) est formée d'une feuille de métal expansé. 4. Pale selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la couche de métallisation (32) est formée d'un tissu métallique. 5. Pale selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la couche de métallisation (32) définit une surface extérieure de la structure stratifiée composite (30). 6. Pale selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la couche de métallisation (32) est réalisée en cuivre. 25 7. Pale selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la structure stratifiée composite (30) comporte successivement, dans la direction (F) allant de l'intérieur vers l'extérieur de la pale (18) : - une première couche (34) réalisée en un matériau composite comprenant des fibres 30 de verre noyées dans une résine durcie ; 3044349 10 - une deuxième couche (36) réalisée en un matériau composite comprenant des fibres de carbone noyées dans une résine durcie ; - une troisième couche (38) réalisée en un matériau composite comprenant des fibres de verre noyées dans une résine durcie ; 5 - ladite couche de métallisation (32). 8. Pale selon la revendication précédente, dans laquelle la structure stratifiée composite (30) est revêtue de peinture (40) recouvrant la couche de métallisation (32). 10 9. Pale selon l'une quelconque des revendications précédente, comprenant un longeron interne (20) comportant au moins une âme de cisaillement (24) ainsi qu'au moins une semelle (26) intégrée à la coque aérodynamique (22) de la pale (18) et raccordée à une extrémité latérale de l'âme de cisaillement (24), ladite structure 15 composite stratifiée (30) formant au moins partiellement ladite semelle (26). 10. Eolienne (10), comprenant une nacelle (14) logeant un moyeu de rotor (16), et des pales (18) portées par le moyeu de rotor (16), caractérisée en ce que lesdites pales (18) sont conformes à l'une quelconque des revendications précédentes, et 20 en ce que ladite couche de métallisation (32) de ladite au moins une structure stratifiée composite (30) de chaque pale (18) est raccordée électriquement à un dispositif de liaison à la Terre intégré au moyeu du rotor (16).