Matériaux de construction des

pales et des tours des éoliennes

Pr Rachid BENCHRIFA
Faculté des Sciences - Rabat
Master 2018/2019

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Matériaux des pales ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
Matériaux en bois
Le bois est réservé pour des pales assez
petites, 2 à 3 m au maximum, Matériau
léger - facile à travailler - résiste bien à la
Familles de matériaux
fatigue, Inconvénients : sensible à
l’érosion et faible résistance à la
déformation

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Matériaux en bois
Le bois est réservé pour des pales assez
petites, 2 à 3 m au maximum, Matériau
léger - facile à travailler - résiste bien à la
Familles de matériaux
fatigue, Inconvénients : sensible à
l’érosion et faible résistance à la
déformation

Matériaux métalliques
(bons conducteurs électriques et
thermiques, dureté et rigidité élevées,
déformation plastique importante)

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Matériaux en bois
Le bois est réservé pour des pales assez
petites, 2 à 3 m au maximum, Matériau
léger - facile à travailler - résiste bien à la
Familles de matériaux
fatigue, Inconvénients : sensible à
l’érosion et faible résistance à la
déformation

Matériaux métalliques
(bons conducteurs électriques et
thermiques, dureté et rigidité élevées,
déformation plastique importante)

Alliage d’aluminium
matériau léger, résistant à la fatigue et à la
corrosion, réalisation de pâles jusqu'à 20
mètres. Le procédé utilisé est le moulage.

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Matériaux en bois
Le bois est réservé pour des pales assez
petites, 2 à 3 m au maximum, Matériau
léger - facile à travailler - résiste bien à la
Familles de matériaux
fatigue, Inconvénients : sensible à
l’érosion et faible résistance à la
déformation

Matériaux métalliques
(bons conducteurs électriques et
thermiques, dureté et rigidité élevées,
déformation plastique importante)

Alliage d’aluminium
matériau léger, résistant à la fatigue et à la
corrosion, réalisation de pâles jusqu'à 20
mètres. Le procédé utilisé est le moulage.

Matériaux polymères
Deux catégories : thermoplastiques et
thermodurcissables. Isolants électriques et
thermiques. Légers et très faciles à mettre
en œuvre. Peu rigides et utilisés à des
températures < 200°C

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Matériaux en bois
Le bois est réservé pour des pales assez
petites, 2 à 3 m au maximum, Matériau
léger - facile à travailler - résiste bien à la
Familles de matériaux
fatigue, Inconvénients : sensible à
l’érosion et faible résistance à la
déformation

Matériaux métalliques
(bons conducteurs électriques et
thermiques, dureté et rigidité élevées,
déformation plastique importante)

Alliage d’aluminium
matériau léger, résistant à la fatigue et à la
corrosion, réalisation de pâles jusqu'à 20
mètres. Le procédé utilisé est le moulage.

Matériaux polymères Matériaux composites

Deux catégories : thermoplastiques et Combinaison de matériaux de classes
thermodurcissables. Isolants électriques et différentes. Constitution = matrice + renfort.
thermiques. Légers et très faciles à mettre Propriétés améliorées par apport des
en œuvre. Peu rigides et utilisés à des propriétés spécifiques de chaque matériau,
températures < 200°C Composite c’est le matériau « sur mesure »

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 Construction des pales

Techniques de construction et matériaux utilisés pour les pales :

La plupart des pales sont construites à partir de matériaux composites,

avec un mode de fabrication similaire à celui des nacelles et bateaux et
autres. Les matériaux les plus utilisés sont des mélanges de fibre de
verre, de fibre de carbone, de résines polyester ou de résines d’époxy.

Petites éoliennes :
Bois, Aluminium et acier

Grandes et Moyennes éoliennes :

Matériaux plastiques + fibre de verre

Lamellé-collé : empilement de lamelles de bois. Pales < 5 m de longueur

Alliages d’aluminium. Pales < 20 m
Matériaux composites : adaptable à toutes les formes.

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LE LAMELLE-COLLE
Matériau composite constitué d’un empilement de lamelles de bois collées ensemble
soit d’essences différentes, soit de même nature. Colles utilisées : à base de résine
époxy. Réalisation de pales jusqu’à 5 à 6 m de longueur ayant une bonne tenue en
fatigue

LES ALLIAGES D’ALUMINIUM

Matériaux légers, résistants à la corrosion et à la fatigue, techniques de fabrication
semblables à celles de l’aéronautique, Utilisation pour la réalisation de pales allant
jusqu'à 20 m de longueur

LES MATERIAUX COMPOSITES

Intérêt : permettre la réalisation de toutes les formes et dimensions (au-delà de 30 m)
Obtention de caractéristiques mécaniques exactes recherchées: pale vrillée, corde
évolutive, changement de profil Possibilité de faire varier la quantité de matière le
long de la pale, Faible masse, résistance à la corrosion, bonne tenue en fatigue

Renforts : tissus en fibres de verre, de carbone ou de Kevlar (fibres d'aramide)

Tissus composés : verre - carbone, verre - Kevlar, carbone - Kevlar
Matrices : en général résines époxydes ou polyesters (thermodurcissables)
Tissus pré-imprégnés de résine : obtention de pales ayant une masse
volumique quasi-uniforme et des propriétés reproductibles

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 Construction des pales

Matériaux de construction des pales

des éoliennes

Les pales doivent être légers, résistants à la fatigue mécanique, à l’érosion et à la

corrosion, usinage simple et doivent répondre aux exigences :

 légèreté
 non déformables
 homogènes
 résistantes
 fatigue mécanique, vibrations
 corrosion et érosion
 mise en œuvre et usinage simple
 faible coût

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Matériaux des pales ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
 Construction des pales
Rotor blade connection to the hub in the Vestas V-39 rotor blade

GFK (from German: Glasfaserverstärkter) (engl. GFRP = glass-fibre reinforced plastic)

Composite epoxy materials (CEM) are a group of composite materials

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Profils de pales d'éolienne ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
 Construction des pales
Rotor blade connection to the hub in the Vestas V-39 rotor blade

GFK (from German: Glasfaserverstärkter) (engl. GFRP = glass-fibre reinforced plastic)

Composite epoxy materials (CEM) are a group of composite materials

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Profils de pales d'éolienne ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
 Construction des pales
Matériaux pour la fabrication des pales des éoliennes

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Construction des pales

Vacuum Bending Veneers

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 Construction des pales
Procédé de fabrication des pales

Infusion sous vide (VIP)

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 Construction des pales
Procédé de fabrication des pales

Infusion sous vide (VIP)

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 Construction des pales
Procédé de fabrication des pales

Infusion sous vide (VIP)

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 Construction des pales
Procédé de fabrication des pales

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 Construction des pales
Procédé de fabrication des pales

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 Construction des pales
Procédé de fabrication des pales

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 Construction des pales
Procédé de fabrication des pales

Pale de grande taille

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 Construction des pales
Procédé de fabrication des pales

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 Construction des pales
Procédé de fabrication des pales

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 Construction des pales

Assemblage par collage

Innovation d’un nouveau adhésif à base de polyuréthane :

Macroplast UK 1340

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 Recyclage pour composite thermodurcissable

Fibres
Broyage Séparation
Recyclage Polymère
mécanique grains

Recyclage
thermique Pyrolyse

Matrice brûlée et
Énergie
transformé en gaz
Four rotatif
500°C Fibres
Séparation
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Métal
 Construction des pales

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Profils de pales d'éolienne ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
 Construction des pales

Mass of single blade and rotor diameter

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : L'éolien et ses impacts sur l'environnement ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
 Construction des pales

Strength and stiffness parameters of materials in principle available for rotor blades

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Matériaux des pales ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
 Construction des pales

(CRP) carbon-reinforced plastic

Le marché de la fibre de carbone

Les fibres de carbone sont également utilisées dans les pales de rotor, car elles présentent une
série d'avantages par rapport aux fibres de verre, telles qu'une résistance supérieure et une
rigidité supérieure; l'inconvénient est qu'ils sont plus chers. l'une des principales applications de
la CRP (plastique renforcé de fibres de carbone) est la fabrication des pales pour éoliennes:
19% de la demande totale, 29% des applications de la CRP sont utilisées par l'industrie
aérospatiale. Les 2 secteurs représentent la moitié de la demande, l'autre moitié étant utilisée
par les transports, l'industrie, la médecine, le sport et autres. 28
 Construction des pales

Specific mass of rotor blades of different design concepts

with respect to rotor-swept area
Empiriquement, l'augmentation de la masse de la pale avec le diamètre du rotor peut être décrite avec une bonne approximation
par l'exposant 2,6. L'augmentation de la masse spécifique de la pale par zone balayée par le rotor est alors l'exposant 0,6.
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 Construction des pales

Lightning protection of a rotor blade

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Matériaux des pales ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
 Construction des pales

Electrical heating system for rotor blade de-icing (LM)

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Matériaux des pales ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
 THEME DE RECHERCHE

Conception et réalisation de pale pour petite éolienne

Prise en compte des différents types de sollicitations

Sollicitations en statique

Sollicitations en fatigue

Vieillissement (rayons UV) Dimensionnement de la pale

Comportement dynamique

Usure érosive, corrosion

Optimisation du profil aérodynamique de la pale

Choix de matériaux et du procédé de fabrication de la pale
Augmentation de la portance
Diminution de la turbulence au niveau du bord de fuite
Vrillage, variation de la corde

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 Fondations
et les tours des éoliennes

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 Fondations et les tours des éoliennes

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Fondations et les tours des éoliennes ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
 L’importance du mât dans la
production d’énergie
La vitesse du vent augmente avec la hauteur

D’où la loi de variation de puissance en fonction de la hauteur

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Fondations et les tours des éoliennes ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
Les mâts des l’éoliennes :

Treillis : ( profilés en acier soudés)

Tours des éoliennes modernes : tubulaires et coniques, fabriquées en acier par soudage de plusieurs
petites sections coniques, coupées et laminées. Fixation des tours par boulons aux fondations. Protection
contre la corrosion : revêtement en époxy

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 Tours en treillis

Tours en treillis sont les moins chères mais souvent

mal acceptées.
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 Tours en treillis

Tours en treillis sont les moins chères mais souvent mal acceptées.

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 The Dutch companies MECAL
Engineering and HURKS BETON have
developed a unique concept for very
tall hybrid wind towers.

The Advanced Tower Systems (ATS) Hybrid

Tower consists of two parts. The lower part -
approximately 74m high - consists of precast
concrete elements, and the upper part -
approx. 55m high - is a steel tower.

Both parts are jointed together by means of

an adaptor ring. The rotor axis is situated
133m above ground, and the tip of the rotor
reaches a maximum height of 180m. The
tower is one of the highest wind towers in
the world: Usually, conventional steel towers
do not exceed heights of 100m.

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 Comparison of steel and concrete tower designs for the WKA-60 experimental
wind turbine

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Fondations et les tours des éoliennes ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
Masse spécifique de la tour

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 Dimension-determining loads and dimensions of the
foundations of a large wind turbine

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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Fondations et les tours des éoliennes ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
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Pr Rachid Benchrifa ; Cours : Fondations et les tours des éoliennes ; Master 2018/2019 ; Faculté des Sciences - Rabat
Hélicoptères pour la maintenance des éoliennes

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Hélicoptères pour la maintenance des éoliennes

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Hélicoptères pour la maintenance des éoliennes

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Hélicoptères pour la maintenance des éoliennes

Nettoyage des éoliennes