NREL explore une nouvelle approche de fabrication pour les pales d'éoliennes de nouvelle génération

Une équipe de chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL, Golden, Colorado, États-Unis), dirigée par l'ingénieur principal en technologie éolienne du NREL, Derek Berry, continue de faire progresser ses nouvelles techniques pour fabriquer des pales d'éoliennes avancées en approfondissant leur combinaison de thermoplastiques recyclables et fabrication additive (FA). Cette avancée a été rendue possible grâce au financement de l'Advanced Manufacturing Office du département américain de l'Énergie, des récompenses conçues pour stimuler l'innovation technologique, améliorer la productivité énergétique de la fabrication américaine et permettre la fabrication de produits de pointe.

Aujourd'hui, la plupart des pales d'éoliennes à grande échelle ont la même conception de coquille :deux peaux de pale en fibre de verre sont collées ensemble avec un adhésif et utilisent un ou plusieurs composants de renforcement composites appelés voiles de cisaillement, un processus optimisé pour l'efficacité au cours des 25 dernières années. Cependant, pour rendre les pales d'éoliennes plus légères, plus longues, moins chères et plus efficaces pour capter l'énergie éolienne - des améliorations essentielles à l'objectif de réduire les émissions de gaz à effet de serre en partie en augmentant la production d'énergie éolienne - les chercheurs doivent repenser entièrement la benne preneuse conventionnelle, quelque chose qui est l'objectif principal de l'équipe NREL.

Pour commencer, l'équipe du NREL se concentre sur le matériau de la matrice résine. Les conceptions actuelles reposent sur des systèmes de résine thermodurcissable comme les époxydes, les polyesters et les esters vinyliques, des polymères qui, une fois durcis, se réticulent comme les ronces.

"Une fois que vous produisez une lame avec un système de résine thermodurcissable, vous ne pouvez pas inverser le processus", explique Berry. « Cela rend [également] la lame difficile à recycler. »

En collaboration avec l'Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tenn., États-Unis) dans le laboratoire Composites Manufacturing Education and Technology (CoMET) de NREL, l'équipe multi-institutions a développé des systèmes qui utilisent des thermoplastiques qui, contrairement aux matériaux thermodurcissables, peuvent être chauffé pour séparer les polymères d'origine, permettant la recyclabilité en fin de vie (EOL).

Les pièces de lame en thermoplastique peuvent également être assemblées à l'aide d'un processus de soudage thermique qui pourrait éliminer le besoin d'adhésifs - souvent des matériaux lourds et coûteux - améliorant encore la recyclabilité de la lame.

"Avec deux composants de lames thermoplastiques, vous avez la possibilité de les réunir et, par l'application de chaleur et de pression, de les joindre", explique Berry. "Vous ne pouvez pas faire cela avec des matériaux thermodurcissables."

Pour aller de l'avant, NREL, avec les partenaires du projet TPI Composites (Scottsdale, Arizona, États-Unis), Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, États-Unis), Ingersoll Machine Tools (Rockford, Ill., États-Unis), Vanderbilt University (Knoxville) et IACMI , développera des structures de noyau d'aube innovantes pour permettre la production rentable d'aubes hautes performances et très longues - bien plus de 100 mètres de long - qui sont relativement légères.

En utilisant l'impression 3D, l'équipe de recherche affirme qu'elle peut produire les types de conceptions nécessaires pour moderniser les aubes de turbine avec des noyaux structuraux en forme de filet de haute technologie de densités et de géométries variables entre les peaux structurelles de l'aube de turbine. Les peaux de pale seront infusées à l'aide d'un système de résine thermoplastique.

S'ils réussissent, l'équipe réduira le poids et le coût des aubes de turbine de 10 % (ou plus) et la durée du cycle de production d'au moins 15 %.

En plus du premier prix AMO FOA pour les structures de pales d'éoliennes thermoplastiques AM, deux projets de sous-subvention exploreront également les techniques avancées de fabrication d'éoliennes. L'Université d'État du Colorado (Fort Collins) dirige un projet qui utilise également l'impression 3D pour fabriquer des composites renforcés de fibres pour de nouvelles structures de pales de vent internes, avec Owens Corning (Toledo, Ohio, États-Unis), NREL, Arkema Inc. (King of Prussa, Pennsylvanie, États-Unis) et Vestas Blades America (Brighton, Colorado, États-Unis) en tant que partenaires. Le deuxième projet, dirigé par GE Research (Niskayuna, N.Y., États-Unis), s'intitule AMERICA :Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Le laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, États-Unis), NREL, LM Wind Power (Kolding, Danemark) et GE Renewable Energy (Paris, France) sont partenaires de GE Research.