Comment choisir une structure pour les modules photovoltaïques ? Une structure photovoltaïque bien choisie maintient un équilibre entre coût, performances et durabilité .

Dans ce guide, nous aborderons des sujets tels que :

• sélectionner la puissance de l'installation photovoltaïque,
• inclinaison optimale de la structure PV,
• différentes configurations de structures PV,
• choisir les fixations de la structure au sol,
• choisir le matériau de la structure,
• évaluer la qualité de la structure.

Voir : options disponibles pour les structures photovoltaïques au sol

Cet article ne couvre pas les systèmes de suivi, les installations d'agencement est-ouest ou les structures avec modules montés verticalement pour l'agrophotovoltaïque.

Commençons par discuter de vos besoins.

Sélection de la puissance de l'installation photovoltaïque

Une sélection appropriée de la puissance de l'installation offre un large éventail de possibilités significatives. Une erreur est commise en sélectionnant la puissance de l'installation sur la base d'hypothèses mathématiques arbitraires, comme le principe de 1 kWc pour 1000 kWh de consommation annuelle d'énergie. Il n'est pas nécessaire de s'inquiéter excessivement des pertes potentielles dues au « surdimensionnement » de l'installation.

Dans la plupart des pays européens et pour tous les systèmes de facturation (sauf la facturation nette), plus la puissance du photovoltaïque est élevée, mieux c'est . Pour une consommation annuelle de 40 000 kWh, vous pouvez sélectionner une installation d'une capacité de 30, 40, 50, 60, voire 70 kWc ! Ce ne serait pas une erreur. Pourquoi?

• Une installation plus grande signifie un coût unitaire inférieur pour chaque kWc.
• Les modules perdent environ 10 % de leur puissance en 25 ans.
• L’agrandissement de l’installation entraîne un surcoût important.
• Pour tous les modèles de facturation (sauf la facturation nette), les excédents énergétiques annuels apportent des avantages financiers.
• L'installation s'encrasse et perd en efficacité. Économiquement, il vaut mieux investir dans des modules supplémentaires que de dépenser régulièrement de l'argent pour les nettoyer. Dans des conditions typiques, un nettoyage tous les cinq ans semble optimal.
• Nous ne connaissons personne qui dit "J'ai trop de PV". Nous en connaissons beaucoup qui disent : « J'aurais dû acheter plus de photovoltaïques ».
• La consommation d'énergie est en constante augmentation. Construire une installation « surdimensionnée » prend en compte l'augmentation future de la demande.

Par conséquent, nous conseillons de choisir une puissance d'installation la plus grande possible , en tenant compte des limitations telles que :

• budget
• espace disponible
• puissance de connexion

Les moyens mathématiques précis de déterminer la puissance la plus pratique de l'installation ne font pas l'objet de cet article et ne sont pas tout à fait possibles. Cependant, il est très important de vaincre le mythe des installations « surdimensionnées ».

Souvent, les clients laissent des espaces vides sur la structure, ce qui n’est pas rentable.

Pente des modules photovoltaïques dans les petites installations

Si vous estimez que moins de 50 kWc de modules photovoltaïques suffiront à répondre à vos besoins, nous avons une bonne nouvelle ! Des installations de cette taille peuvent être mises en œuvre sur une seule rangée , vous n'avez donc pas à vous soucier d'une rangée de modules projetant une ombre sur la rangée située derrière. Dans un tel cas, choisir la pente optimale est assez simple.

La pente optimale dépend de la latitude et des conditions météorologiques caractéristiques de la région. En Europe, selon un article scientifique basé sur des données satellitaires, elle varie de 20° à 50° :

L'inclinaison optimale des modules photovoltaïques en fonction de la région sur la base des données de deux systèmes. A gauche, nous avons PV-GIS, à droite ECEM. Source -  Yves-Marie Saint-Drenan, Une approche pour l'estimation de la puissance photovoltaïque cumulée générée dans plusieurs pays européens à partir de données météorologiques , ResearchGate .

Angles d'inclinaison optimaux pour les emplacements sélectionnés en fonction de la source susmentionnée :

• Gdańsk - 36°
• Sicile - 33°
• Édimbourg - 40°

Inclinaison des modules photovoltaïques et espacement entre les rangées dans les installations plus grandes

Dans les installations plus grandes (généralement supérieures à 50 kWc, mais cela dépend de l'espace de montage disponible), il est nécessaire de planifier l'installation sur plusieurs supports placés les uns derrière les autres.

Ces rangées projettent des ombres , elles doivent donc être positionnées à une certaine distance les unes des autres. Plus l'angle d'inclinaison des modules est grand, plus la distance requise est grande. A l’inverse, plus la distance est grande, plus l’installation occupe de surface . Une installation optimisée maintient un équilibre entre ces variables.

Photo. Ombre projetée par des rangées de modules dans une grande installation :

Que peut-on faire pour utiliser de manière optimale la surface de la parcelle et réduire les pertes dues à l’ombrage ?

Tout d'abord, réduisez l'inclinaison des modules photovoltaïques . Les différences de production annuelle ne sont pas très importantes et cette réduction permet de diminuer la distance entre les rangs. Le tableau ci-dessous montre un exemple de relation entre l'angle d'inclinaison, la production annuelle (hors ombrage) et la distance requise entre les rangées :

 D'après le livre de Bogusław Szymański "Installations photovoltaïques"

Comme le montre l’exemple ci-dessus, l’angle d’inclinaison qui maximise la production annuelle nuit considérablement à l’utilisation de l’espace. Réduire l'angle à 20° diminue considérablement la distance et maintient une productivité élevée.

Ainsi, dans la pratique, sous les latitudes de la France, de l’Allemagne et de la Pologne, les angles d’inclinaison des modules photovoltaïques ne dépassent pas 25°.

La faible inclinaison des modules et les grands espaces entre les panneaux sont visibles dans la vidéo suivante provenant d'une ferme photovoltaïque de 10,4 MW en Estonie.

Calculs de distance entre les modules

En définissant la fonction objectif comme l'absence d'ombrage à midi le 22 décembre (c'est-à-dire le jour du solstice d'hiver), la distance entre les rangs peut être calculée à l'aide des formules suivantes :

Photo. Calculs de distance entre les modules PV

β - angle d'inclinaison des modules PV

α - angle d'incidence les jours les moins ensoleillés de l'année.

• α = 90° - latitude - 23,45°

d - hauteur de la colonne du module

x - distance entre la fin d'une ligne et le début de la suivante

• x = sin(β) × d / tg(α)

y - distance entre les rangées

• y = d × sin(180° - β - α) / sin(α)

L’application de la formule ci-dessus permet d’éviter presque complètement les ombres. Néanmoins, réduire la distance entre les rangées peut être bénéfique pour une meilleure utilisation de l’espace. Ceci est d’autant plus important que l’installation est située plus au nord. Cela signifie accepter certaines pertes de production . Heureusement, des technologies permettant de limiter ces pertes sont disponibles sur le marché depuis plusieurs années.

Orientation et type de modules

Les modules photovoltaïques sont divisés en plusieurs sections par des diodes de dérivation . Un ombrage profond provoque la déconnexion de toute la section. Ceci est fait pour la protection des cellules.

Des modules anciens, mais encore rencontrés, comportant des cellules entières, étaient complètement déconnectés lorsque leur partie inférieure était à l'ombre. Le montage horizontal a permis de limiter les pertes. La génération actuelle de modules photovoltaïques (dite demi-coupe) divise le module en 6 sections partiellement indépendantes. Ils sont adaptés pour un montage vertical et horizontal.

La relation entre le type et l'orientation des modules et les pertes d'ombrage est décrite dans le graphique ci-dessous.

 
Sur le dessin : Partie du module hors d'usage en raison d'un ombrage en fonction du module et de l'orientation

A - cellules entières verticalement - pertes 100%

B - pertes horizontales de cellules entières 66%

C - perte horizontale demi-coupe 66%

D - perte verticale demi-coupe 50%

Les ovales indiquent les circuits du module définis par les diodes shunt. Les ovales rouges sont des circuits désactivés par l'ombre.

Dimensions des panneaux photovoltaïques

Sur le marché, nous rencontrons des modules photovoltaïques plus grands et plus petits. Les différences peuvent être assez importantes. Cependant, en règle générale, le choix de modules plus grands (plus puissants) signifie un coût d'installation inférieur par puissance (PLN/kWp).

Il faut rappeler que : 

• Les modules plus grands génèrent un courant plus élevé , ce qui nécessite la sélection d'un onduleur approprié. Le courant généré par les plus grands modules dépasse les capacités des plus petits onduleurs, destinés aux petites installations. Pour les installations <10 kWc, des modules photovoltaïques plus petits doivent être choisis.
• Les modules plus grands sont moins durables , ce qui signifie qu'ils ne doivent être achetés qu'auprès de fabricants vérifiés.

Structure pour panneaux photovoltaïques – prix des différentes configurations

Les structures photovoltaïques standards sont divisées en fonction de :

• le nombre de  supports

Les systèmes à support unique sont moins chers, mais en même temps moins rigides et moins stables. Ils ne doivent pas être utilisés sur des sols à faible capacité portante.

Un soutien	Deux supports
Terrain construction T2V	Construction de terrain N2V

• disposition verticale ou horizontale des modules
  Le choix se résume souvent à des considérations esthétiques. Le coût de construction est similaire, et avec des modules demi-coupés, l'installation résiste mieux à l'ombrage quelle que soit l'orientation.

Disposition verticale	Disposition horizontale
Structure au sol N3V	Structure du sol N3H

• Nombre de lignes
  Le nombre de lignes, ainsi que l'orientation, affectent la hauteur de la colonne du module, ce qui à son tour affecte la puissance d'une seule table d'installation.

Une rangée	Deux rangées
Structure au sol T1V	Structure au sol N2V
Trois rangées	Quatre rangées
Structure du sol N3H	Structure du sol N4H

Comment choisir le matériau pour la structure

La structure est en acier inoxydable , en aluminium et en acier de construction ordinaire recouvert de zinc et de magnésium.

Notre produit phare chez Altamira sont les structures en béton précontraint ( N2V-STR , N3V-STR , N3H-STR , N4H- STR , N5H-STR ), c'est-à-dire un composite similaire au béton armé, mais avec la différence que les tiges d'acier sont sollicitées. avant que le béton ne soit coulé. Les colonnes en béton précontraint sont enfoncées dans le sol à l'aide d'un batteur de pieux (que le béton ordinaire ne pourrait pas supporter) et des éléments de construction en acier standard y sont fixés.

L'utilisation du béton précontraint permet d'optimiser les coûts d'investissement sans réduire les valeurs d'utilité.

Acier de construction	Béton Précontraint
Structure au sol N4H Garantie: Construction en acier S350 - 25 ans Revêtement (Magnelis®) ZM430 - 25 ans	Structure au sol N4H-STR Le béton précontraint est environ 30 % moins cher Garantie: Béton précontraint et acier S350 -30 ans Revêtement (Magnelis®) ZM430 - 25 ans

 Vous trouverez ci-dessous une vidéo montrant à quoi ressemble le battage de pieux de structures en béton précontraint.

Comment faire correspondre la structure PV au substrat

Il existe trois manières principales de fixer la structure au substrat.

Les systèmes à percussion sont les plus populaires . Abordables, simples et rapides à installer, ils fonctionnent bien là où le sol n’est pas marécageux ou excessivement meuble.

Pour des raisons de capacité portante inférieure, les profilés vissés fonctionnent mieux. Ils peuvent être utilisés là où une plus grande résistance à l’extraction est nécessaire.

Les fondations en béton sont utilisées lorsque le sol est marécageux, très meuble ou lorsqu'il existe un risque de collision avec des infrastructures souterraines (fils ou canalisations).

Comment évaluer la qualité, c'est-à-dire les certificats et les normes pour les structures de support

La sécurité d'utilisation n'est garantie que par une structure réalisée conformément aux normes applicables dans un pays donné. Parfois, les clients se demandent si les produits de l’entreprise X ou Y sont vraiment bien fabriqués. Heureusement, créer des structures en acier est un art perfectionné au fil des années, et disposer des certificats appropriés constitue une garantie adéquate pour l’investisseur. 

Liste des certificats européens de base :

• Exécution des structures en acier et en aluminium :
  - EN 1090-1+A1 - Principes d'évaluation de la conformité des composants structurels
  - EN 1090-2+A1 - Exigences techniques pour les structures en acier
  - EN 1090-3 - Exigences techniques pour les structures en aluminium

• Actions sur les structures :
  - EN 1991-1-3 - Charge de neige
  - EN 1991-1-4 - Actions du vent

Les équivalents nationaux traduisant les normes européennes commencent par une désignation correspondante. Par exemple, l'équivalent polonais de la norme EN 1090 est PN-EN 1090. L'équivalent allemand est DIN-EN 1090 et l'équivalent britannique est BS-EN 1090.

Certificats complémentaires, applicables à certaines structures :

• EN 1992-1-1 - structures en béton et béton précontraint
• EN 1993-1-1 - règles définissant la résistance des structures en acier
• EN 1993-1-3 - complémentaire pour profilés et tôles
• EN 1993-1-5 - complémentaire pour les structures plaquées

Résistance à la corrosion

Les structures utilisées dans des environnements difficiles doivent être testées conformément à la norme EN ISO 9227. 

Lorsqu'il s'agit de structures en acier recouvertes d'un revêtement protecteur, la résistance à la corrosion du revêtement est également évaluée. La classe minimale de corrosivité pour les structures photovoltaïques est C3 selon la norme EN ISO 12944-2. Dans les zones où la pollution atmosphérique est plus élevée, il convient de rechercher un produit avec une classe de résistance C4 et, en cas de pollution très élevée, C5.

Le revêtement que nous utilisons, Magnelis®, a une classe de résistance à la corrosion C5 .