Avec l'essor rapide de l'économie verte dans notre pays, la production d'énergie photovoltaïque à partir de silicium monocristallin/polycristallin et la technologie BIPV à couches minces gagnent en maturité. Les structures métalliques présentent des avantages considérables par rapport aux autres types de structures en termes d'utilisation, de conception, de construction et de coût global. Par conséquent, le développement et la fabrication d'un nouveau système de montage photovoltaïque pour structures métalliques, destiné à remplacer le système actuel de montage en cornières, sont essentiels.
1. Support de fixation solaire en acier
L'acier de construction léger et l'acier de construction ordinaire de petite section sont actuellement utilisés dans la sélection de l'acier en raison des caractéristiques de structure simple et de petit volume du support photovoltaïque solaire.
Acier de construction léger : ce terme désigne l’acier rond, les cornières et les profilés à parois minces. Utilisé comme élément porteur, l’acier de cornière permet d’exploiter efficacement sa résistance et facilite l’installation de la charpente. Actuellement, la norme nationale relative aux cornières pour supports solaires offre peu de modèles ; il est donc nécessaire de développer davantage de modèles de cornières pour accompagner la croissance rapide du secteur de l’énergie solaire. Les pannes en acier à parois minces sont généralement fabriquées à partir de tôles d’acier de 1,5 à 5 mm d’épaisseur, formées ou laminées à froid, ce qui permet d’obtenir des produits de sections et de diamètres variables.
Comparé à l'acier laminé à chaud, le rayon de rotation de l'acier à parois minces peut être augmenté de 50 à 60 %, et le moment d'inertie et le moment de résistance du profilé peuvent être multipliés par 0,5 à 3. Cependant, comme l'acier à parois minces est généralement transformé en usine, il nécessite un perçage de haute précision pour les trous de fixation des panneaux photovoltaïques. La petite taille du profilé rend l'outillage difficile à travailler et la pose plus complexe après le perçage. Une galvanisation à chaud permet de le protéger contre la rouille avant le transport et l'installation sur site. Actuellement, la plupart des panneaux photovoltaïques résidentiels ne peuvent pas être fixés directement sur les profilés en acier à parois minces et doivent être ancrés à une structure de support auxiliaire (comme un bloc de pressage).
Les modules photovoltaïques les plus courants présentent généralement des sections transversales profilées de type I, H, L et autres, répondant ainsi à divers besoins de conception. Ils sont généralement construits en acier de construction au carbone ou en acier faiblement allié, ce qui facilite leur fabrication et réduit les coûts. Les méthodes de mise en œuvre sont également variées. Le soudage des profilés d'acier est réalisé en usine, avec des tôles d'acier d'épaisseurs différentes, selon les exigences de conception. Cette méthode de formage permet de calculer les contraintes exercées sur les différentes parties de la structure photovoltaïque. L'utilisation de tôles d'acier d'épaisseurs différentes est ainsi plus judicieuse que l'utilisation de tôles d'acier laminées à chaud d'une seule pièce.
2. Exigences de performance des matériaux en acier pour le support de l'énergie solaire : les matériaux en acier utilisés pour la construction des installations solaires doivent présenter les performances suivantes :
1) Résistance à la traction et limite d'élasticité. Une limite d'élasticité élevée permet de réduire la section des éléments en acier, d'alléger la construction, d'économiser de l'acier et de diminuer le coût total du projet. Une résistance à la traction élevée renforce la marge de sécurité globale d'une structure et améliore sa fiabilité.
2) Ténacité et résistance à la fatigue. Une bonne plasticité permet à la structure de se déformer significativement avant rupture, ce qui permet au personnel d'identifier et de mettre en œuvre des actions correctives à temps. Cette plasticité permet également d'ajuster la contrainte maximale locale, l'angle d'installation des panneaux solaires, le recours à une installation forcée et la plasticité de la structure afin de redistribuer les forces internes. Ainsi, la concentration de contraintes dans la structure ou certains de ses composants tend à s'uniformiser, améliorant ainsi la capacité portante globale. Une meilleure ténacité permet à la structure d'absorber davantage d'énergie lors d'un impact, un atout particulièrement important pour les centrales solaires situées en zone désertique ou sur toiture, exposées à des vents violents. Une meilleure résistance à la fatigue accroît également la capacité de la structure à supporter des charges de vent répétées.
3) La vitesse d'usinage. L'aptitude au formage à froid, à chaud et à la soudabilité sont autant d'exemples d'une bonne usinabilité. L'aluminium utilisé dans les structures métalliques photovoltaïques doit non seulement être facilement usiné en diverses structures et composants, mais aussi l'usinage doit être réalisé de manière à préserver sa résistance, sa plasticité, sa ténacité et sa résistance à la fatigue.
4) Durée de vie. La durée de vie nominale d'un système photovoltaïque étant supérieure à 20 ans, une bonne résistance à la corrosion est un indicateur important de la qualité du système de montage. Une durée de vie trop courte des supports compromet la stabilité globale de la structure, allonge le délai d'amortissement et réduit la rentabilité du projet.
5) Conformément aux conditions précédentes, l'acier utilisé pour la structure des centrales solaires doit être simple à acheter, à fabriquer et à vendre.
3. Évaluation technique des supports structuraux en acier pour centrales solaires de nouvelle génération
L'utilisation de supports en cornières d'acier pour l'énergie solaire est actuellement soumise à de plus en plus de conditions, la principale raison étant que la qualité de l'acier est actuellement inégale, que l'installation nécessite un grand nombre de perçages sur site, mais qu'après perçage, l'acier a tendance à rouiller, un nouveau type de support est nécessaire pour remplacer ces supports en cornières d'acier afin de ralentir la corrosion et d'allonger leur durée de vie.
La structure principale du nouveau système de soutien à l'énergie solaire est la suivante :
1) Système de structures de support en acier à parois minces formé à froid de forme spéciale. L'acier à parois minces formé à froid de forme spéciale est un système de structure en acier léger, pouvant être fabriqué en série, mis en œuvre rapidement et immédiatement opérationnel. L'équerre de ce système est un type de charpente métallique constituée d'éléments préfabriqués en acier à parois minces formé à froid, boulonnés sur le chantier.
2) Un système de montage monolithique en acier préfabriqué. La structure métallique préfabriquée avec pannes peut être assemblée et fixée sur site avant d'être combinée aux panneaux pour former l'ensemble du champ photovoltaïque. Les exigences d'installation de ce support en acier sont élevées : l'acier utilisé est de la plus haute qualité, le traitement de surface est optimal et une communication précoce avec les fabricants de composants photovoltaïques est indispensable pour garantir un assemblage réussi.
3) Système de support de façade photovoltaïque à ossature poutrelle-poteau. Une structure métallique à ossature poutrelle-poteau est une solution de montage adaptée aux façades photovoltaïques. En raison de sa faible rigidité latérale, des contreventements latéraux doivent être installés pour renforcer la structure porteuse lorsque la hauteur du bâtiment ou des étages est importante. Dans la conception des façades photovoltaïques de grande hauteur, on utilise fréquemment une structure hybride combinant acier et éléments coulés en place. Cette approche permet d'améliorer la résistance latérale de l'ensemble de la structure tout en réduisant la quantité d'acier nécessaire et, par conséquent, le coût total.
4. Installation de nouveaux composants de support solaire à parois minces formés à froid :
1) Le support innovant à paroi mince formé à froid pour l'énergie solaire, destiné aux éléments de structure en acier, est fabriqué en usine à l'aide de divers connecteurs mixtes acier-plastique. Plusieurs types de connecteurs mixtes acier-plastique sont disponibles afin de s'adapter à différentes conditions d'installation.
2) Le nouveau support solaire à parois minces formé à froid est plus léger et comporte davantage de trous de fixation. En général, la fondation indépendante constitue la fondation principale, la poutre de liaison en béton armé étant ajoutée au besoin. Des fondations filantes ou des fondations croisées peuvent être utilisées dans les zones géologiquement instables, mais les radiers sont à éviter autant que possible. Les bases des poteaux supérieurs sont toutes articulées, tandis que les éléments encastrés sont soit des bases de poteaux insérées, soit des boulons scellés dans du béton étanche. Ces deux types de supports sont simples à mettre en œuvre, faciles à construire et offrent une bonne liaison.
