Le treillis en cuivre expansé utilisé dans les pales de production d'électricité (généralement des pales d'éoliennes ou des structures en forme de pales de modules solaires photovoltaïques) joue un rôle essentiel pour assurer la conductivité électrique, améliorer la stabilité structurelle et optimiser le rendement de la production d'électricité. Ses fonctions doivent être analysées en détail selon le type d'équipement de production (éolien/photovoltaïque). Voici une interprétation spécifique à chaque scénario :
1. Pales d'éoliennes : principaux rôles du treillis déployé en cuivre – Protection contre la foudre et surveillance structurelle
Les pales d'éoliennes (principalement fabriquées en matériaux composites fibre de verre/fibre de carbone, d'une longueur pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres) sont des composants exposés à la foudre à haute altitude. Dans ce cas, le treillis déployé en cuivre assure principalement la double fonction de « protection contre la foudre » et de « surveillance de l'état de santé ». Ses rôles spécifiques sont les suivants :
1.1 Protection contre la foudre : créer un « chemin conducteur » à l’intérieur de la lame pour éviter les dommages causés par la foudre
1.1.1 Remplacement de la protection locale des paratonnerres métalliques traditionnels
La protection traditionnelle des lames contre la foudre repose sur un parafoudre métallique placé à l'extrémité de la lame. Cependant, le corps principal de la lame est constitué de matériaux composites isolants. En cas de coup de foudre, le courant est susceptible de former une tension de pointe à l'intérieur, susceptible de endommager la structure de la lame ou de brûler le circuit interne. Le treillis en cuivre expansé (généralement un fin treillis en cuivre tissé, fixé à la paroi intérieure de la lame ou intégré dans la couche de matériau composite) peut former un réseau conducteur continu à l'intérieur de la lame. Il conduit uniformément le courant de foudre reçu par le parafoudre à l'extrémité de la lame vers le système de mise à la terre situé à la base de la lame, évitant ainsi toute concentration de courant susceptible de provoquer la rupture de la lame. Il protège également les capteurs internes (tels que les capteurs de contrainte et de température) des dommages causés par la foudre.
1.1.2 Réduire le risque d'étincelles provoquées par la foudre
Le cuivre a une excellente conductivité électrique (avec une résistivité de seulement 1,72×10⁻⁸Ω・m, bien inférieure à celle de l'aluminium et du fer). Il peut conduire rapidement le courant de foudre, réduire les étincelles à haute température générées par le courant restant à l'intérieur de la lame, éviter l'inflammation des matériaux composites de la lame (certains matériaux composites à base de résine sont inflammables) et réduire le risque de brûlure de la lame.
1.2 Surveillance de la santé structurelle : servir d’« électrode de détection » ou de « transmetteur de signal »
1.2.1 Assistance à la transmission du signal des capteurs intégrés
Les pales d'éoliennes modernes doivent surveiller en temps réel leur déformation, leurs vibrations, leur température et d'autres paramètres afin de détecter d'éventuelles fissures et dommages dus à la fatigue. Un grand nombre de microcapteurs sont implantés à l'intérieur des pales. Le treillis en cuivre expansé peut servir de ligne de transmission du signal aux capteurs. La faible résistance du treillis en cuivre réduit l'atténuation des signaux de surveillance lors des transmissions longue distance, permettant ainsi au système de surveillance situé à la base de la pale de recevoir avec précision les données d'état de l'extrémité et du corps de la pale. Parallèlement, la structure du treillis en cuivre permet de former un réseau de surveillance distribué avec les capteurs, couvrant toute la surface de la pale et évitant les angles morts de surveillance.
1.2.2 Amélioration de la capacité antistatique des matériaux composites
Lorsque la lame tourne à grande vitesse, elle frotte contre l'air, générant de l'électricité statique. Une accumulation excessive d'électricité statique peut interférer avec les signaux des capteurs internes ou endommager les composants électroniques. La conductivité du treillis en cuivre expansé permet de conduire l'électricité statique vers le système de mise à la terre en temps réel, maintenant ainsi l'équilibre électrostatique à l'intérieur de la lame et assurant le fonctionnement stable du système de surveillance et du circuit de commande.
2. Modules solaires photovoltaïques (structures en forme de lame) : Rôles essentiels du treillis en cuivre expansé – Conductivité et optimisation de l'efficacité de la production d'électricité
Dans certains équipements solaires photovoltaïques (tels que les panneaux photovoltaïques flexibles et les unités de production d'électricité en forme de lame des tuiles photovoltaïques), le treillis en cuivre expansé est principalement utilisé pour remplacer ou assister les électrodes traditionnelles en pâte d'argent, améliorant ainsi la conductivité et la durabilité structurelle. Ses rôles spécifiques sont les suivants :
2.1 Améliorer l'efficacité de la collecte et de la transmission du courant
2.1.1 Une « solution conductrice à faible coût » remplaçant la pâte d'argent traditionnelle
Le cœur des modules photovoltaïques est la cellule en silicium cristallin. Des électrodes sont nécessaires pour collecter le courant photogénéré par la cellule. Les électrodes traditionnelles utilisent généralement de la pâte d'argent (qui présente une bonne conductivité, mais un coût extrêmement élevé). Le treillis en cuivre expansé (dont la conductivité est proche de celle de l'argent et dont le coût est seulement environ 1/50 de celui de l'argent) recouvre la surface de la cellule grâce à une « structure en grille » et forme ainsi un réseau de collecte de courant efficace. Les interstices du treillis en cuivre permettent à la lumière de pénétrer normalement (sans bloquer la zone de réception de la cellule) et, simultanément, les lignes du treillis peuvent collecter rapidement le courant diffusé dans les différentes parties de la cellule, réduisant ainsi les pertes de résistance série lors de la transmission du courant et améliorant le rendement énergétique global du module photovoltaïque.
2.1.2 Adaptation aux exigences de déformation des modules photovoltaïques flexibles
Les panneaux photovoltaïques flexibles (tels que ceux utilisés pour les toits incurvés et les équipements portables) doivent être flexibles. Les électrodes traditionnelles en pâte d'argent (fragiles et susceptibles de se briser lorsqu'elles sont pliées) ne sont pas adaptées. Cependant, le treillis en cuivre offre une bonne flexibilité et une bonne ductilité, lui permettant de se plier en synchronisme avec la cellule flexible. Après pliage, il conserve une conductivité stable, évitant ainsi les pannes de production d'électricité dues à la rupture des électrodes.
2.2 Améliorer la durabilité structurelle des modules photovoltaïques
2.2.1 Résistance à la corrosion environnementale et aux dommages mécaniques
Les modules photovoltaïques sont exposés à l'extérieur pendant de longues périodes (vent, pluie, températures élevées et forte humidité). Les électrodes traditionnelles en pâte d'argent sont facilement corrodées par la vapeur d'eau et le sel (en zones côtières), ce qui entraîne une diminution de la conductivité. Le maillage en cuivre peut améliorer sa résistance à la corrosion grâce à un traitement de surface (étamage et nickelage, par exemple). De plus, sa structure permet de disperser les contraintes mécaniques externes (impacts de grêle et de sable), évitant ainsi la rupture de la cellule due à des contraintes locales excessives et prolongeant la durée de vie du module photovoltaïque.
2.2.2 Aide à la dissipation de la chaleur et réduction des pertes de température
Les modules photovoltaïques génèrent de la chaleur par absorption lumineuse pendant leur fonctionnement. Des températures excessivement élevées entraînent une perte de coefficient de température (le rendement des cellules en silicium cristallin diminue d'environ 0,4 à 0,5 % pour chaque augmentation de température de 1 °C). Le cuivre présente une excellente conductivité thermique (401 W/m³).・K), bien supérieure à celle de la pâte d'argent. Le treillis en cuivre expansé peut servir de « canal de dissipation thermique » pour conduire rapidement la chaleur générée par la cellule vers la surface du module et la dissiper par convection d'air, réduisant ainsi la température de fonctionnement du module et les pertes d'efficacité dues à la perte de température.
3. Principales raisons du choix du « matériau cuivre » pour le treillis déployé en cuivre : Adaptation aux exigences de performance des pales de production d'électricité
Les pales de production d'énergie sont soumises à des exigences de performance strictes en matière de treillis en cuivre expansé, et les caractéristiques intrinsèques du cuivre répondent parfaitement à ces exigences. Les avantages spécifiques sont présentés dans le tableau suivant :
| Exigence de base | Caractéristiques du matériau en cuivre |
| conductivité électrique élevée | Le cuivre a une résistivité extrêmement faible (seulement inférieure à celle de l'argent), ce qui peut conduire efficacement le courant de foudre (pour l'énergie éolienne) ou le courant photogénéré (pour le photovoltaïque) et réduire les pertes d'énergie. |
| Haute flexibilité et ductilité | Il peut s'adapter à la déformation des pales d'éoliennes et aux exigences de flexion des modules photovoltaïques, évitant ainsi la casse. |
| Bonne résistance à la corrosion | Le cuivre forme facilement un film protecteur d'oxyde de cuivre stable dans l'air, et sa résistance à la corrosion peut être encore améliorée grâce au placage, ce qui le rend adapté aux environnements extérieurs. |
| Excellente conductivité thermique | Il contribue à la dissipation de la chaleur des modules photovoltaïques et réduit les pertes de température ; en même temps, il évite la combustion locale à haute température des pales d'éoliennes lors des coups de foudre. |
| Rentabilité | Sa conductivité est proche de celle de l'argent, mais son coût est bien inférieur à celui de l'argent, ce qui peut réduire considérablement le coût de fabrication des pales de production d'énergie. |
En conclusion, le treillis en cuivre expansé des pales de production d'électricité n'est pas un composant universel, mais joue un rôle spécifique selon le type d'équipement (éolien/photovoltaïque). Pour les pales d'éoliennes, il assure la protection contre la foudre et la surveillance de l'état de fonctionnement afin de garantir la sécurité de fonctionnement de l'équipement ; pour les modules photovoltaïques, il privilégie la conductivité à haut rendement et la durabilité structurelle afin d'améliorer l'efficacité de la production d'électricité et sa durée de vie. Ses fonctions s'articulent essentiellement autour de trois objectifs fondamentaux : « garantir la sécurité, la stabilité et le rendement élevé des équipements de production d'électricité », et les caractéristiques du cuivre constituent un élément clé de la réalisation de ces fonctions.
Date de publication : 29 septembre 2025