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Energie et constructionCycle technique 2014

Les panneaux photovoltaïques en toiture plateLes Isnes 25 février 2014

Formations supportées par la Wallonie

Benoît Michaux ir.Chef-Adjoint de la division

‘Enveloppe du bâtiment et Menuiserie’

1. Introduction

2. Définition et types de toitures photovoltaïques

3. Les pathologies

4. L’effet du vent

5. L’étanchéité

6. Autres aspects

Contenu

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1. Introduction

Intérêt du secteur pour ce type de toiture (Comités Techniques, avis techniques, …)

Projet de recherche 2014 -

Groupe de travail 2011-

Rapport scientifique

Articles concernant les panneaux PV

NIT, STS 72.1 à venir

…

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1. IntroductionIntérêt du secteur

- Intérêt économique, d’image d’entreprise, perspectives - Compétences multiples- Responsabilité- Types de toiture - Techniques récentes- Pathologies

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2. DéfinitionLes types de panneaux

- Monocristallins- Multi-cristallins- Amorphes

2. DéfinitionL’intégration dans les toitures

A. Par lestage

Avantages :L’orientation indépendante de la conceptionPas de percement.Déplacement possible pour maintenance.Inconvénients :Surcharge importante (structure portante, étanchéité + isolation, …).Le placement du lest peut nécessiter des moyens importants. L’inclinaison a une influence sur la quantité de lest nécessaire. 

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Slide 5

BMI1 Les cellules mono-cristallines proviennent de la découpe d’un grand cristal de silicium. Elles sont les plus chères mais présentent en contrepartie un rendement plus élevé (12-20%)Benoît Michaux, 23/02/2014

BMI2 cellules multi-cristallines sont formées par plusieurs cristaux de silicium, leur rendement de conversion est sensiblement moins bon (11-15%) mais elles sont en contrepartie moins chèresBenoît Michaux, 23/02/2014

BMI3 Les cellules amorphes, également appelées cellules minces, sont fabriquées par projection d’un gaz de silicium sur une membrane souple, qui permet leur utilisation dans une large gamme d’applications, notamment en intégration ou collage sur les membranes d’étanchéité des toitures plates. Elles sont moins chères que les cellules cristallines et présentent un moins bon rendement (5-9%), surtout dans le cas d’un rayonnement direct.Benoît Michaux, 23/02/2014

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2. DéfinitionL’intégration dans les toitures

B. Par fixation à la structure portante

Avantages :L’inclinaison est choisie sans contrainte.La surcharge liée aux modules est plus faibleque dans le cas du lestage (sans effet sur l’étanchéité).

Inconvénients :L’orientation des panneaux peut être influencée par l’orientation de l’élément portant sur lequel est réalisé l’ancrage.Le percement de chaque couche du complexe toiture doit être réalisé avec soin. 

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2. DéfinitionL’intégration dans les toitures

C. Par fixation au niveau de l’étanchéité

Avantages :Pas de percement de l’étanchéité.Surcharge réduite

Inconvénients :L’orientation des profils soudésL’inclinaison (15‐20°) est généralement inférieure à l’optimum pour imiter l’effet du vent.

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2. DéfinitionL’intégration dans les toitures

D. Par intégration dans la membrane (pour panneaux amorphes)

Avantages :La surcharge minime.Le travail d’installation durant  le travail d’étanchéitéPas de percement du complexe toiture .Inconvénients :Inclinaison de la toiture. Le remplacement de la membrane d’étanchéité signifie le remplacement des cellules PV.Le choix des cellules PV se limite aux cellules amorphesDes déformations trop importantes influent sur la rentabilité des panneaux

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3. Pathologies

Lors de la tempête début janvier 20123 janvier Middelkerke, avec 104 km/h. A l'intérieur du pays, les maxima ont été relevés à Uccle (94 km/h) et à Deurne (90 km/h).

5 janvier Gembloux 122 km/h. A Wavre Sainte‐Catherine, 108 km/h. A Coxyde, le vent a atteint 101 km/h.

Techniques de pose mal maitriséesRésultats pour une compagnie d’assurance

• 5% des installations assurées envolées,

• 700.000€ de dégâts, 

• plus de 100 installateurs concernés.10

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3. Pathologies

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3. Pathologies

Manquements aux règles de base de stabilité: Profilés inadaptés

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3. Pathologies

Manquements aux règles de base de stabilité: Lestage en « pose libre »

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3. Pathologies

Manquements aux règles de base de stabilité: Pas de contreventement

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3. Pathologies

Manquements aux règles de base de stabilité: Robustesse de la structure : structures correctes

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3. Pathologies

Sous‐évaluation des moyens de stabilisation (lestage)

Lestage insuffisant au renversement

Lestage conséquent mais mal disposé Conception avec « porte-à-faux »?

Lestage insuffisant et mal disposé

Équilibre au renversement

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3. Pathologies

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Lestage insuffisant au glissement

Équilibre au glissement

Lestage insuffisant au glissement : déplacement 3 mois après installation

Sous‐évaluation des moyens de stabilisation (lestage)

3. Pathologies

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Sous‐évaluation des moyens de stabilisation (lestage)

Équilibre au soulèvement

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3. PathologiesManquements aux règles de base de stabilité: Pas de joints de dilatation ou joints de dilatation « bridés »

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4. Effets du vent

Le vent va générer des efforts verticaux, et horizontaux sur les panneaux: ‐ Non uniforme‐ Dépendant de la géométrie du bâtiment, de 

son implantation,…‐ Influence des panneaux

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Effet du vent

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4. Effets du vent

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Toiture plate : cf en partie dû au bâtiment, en partie dû aux panneaux PV 

pression moindre

Fw FwVent Obstacle abrupte: toit plat et angles vifs

Capteurs solaires

pression importante

Turbulences

Zone de bord: turbulence:• Bâtiment effet important

+• Panneaux PV : effet moindre

Zone centrale: turbulence:• Bâtiment : effet moindre

+• Panneaux PV : effet important

4. Effets du vent

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Champ de capteurs - cf,PV obtenus par essais en soufflerie et par calcul Profil de rangée dissymétrique

Résumé des coefficients de force moyens déterminés à partir d’essais en soufflerie sur un générateur PV et comparaison à ceux obtenus par calcul

Profil des cf,PV

en surpressionProfil des cf,PV

en dépression

α

F

F

F

F

G

G

G

H IG

Sud

Nord

Ouest

Vent

Vent

α = 35°

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4. Effets du vent

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Conclusion de l’analyse des cf,PV

• les cf,PV + sont du même ordre de grandeur que les cf,PV - ,• En zones H de la toiture plate, les zones de coin des champs PV

sont nettement plus sollicitées,• un effet de protection de la zone périphérique du champs PV sur

la zone centrale,• On peut distinguer 4 zones de cf,PV significativement différentes, et

déterminer des coefficients de réduction Ψmc

4. Effets du vent

24Vent

PV I -1,3 +0,4

PV II -1,0 +0,4

P III -0,8 +0,3

PV IV -0,7 +0,2

H (I)α=10°

Proposition sur base EN 1991-1-4 et essais

cf,PV- cf,PV+

PV I -1,3 +0,7

PV II -1,0 +0,6

P III -0,8 +0,5

PV IV -0,6 +0,4

H (I)α=25° cf,PV- cf,PV+

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4. Effets du vent

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Coefficients de réduction

Coefficient de réduction

Essais en soufferie EN 1991-1-4

Toitures multiples isolées shed

PV I PV II PV III PV IV PV I PV II PV III PV IVCoef réduction dépression.

mc

- 0,8 0,6 0,5 - 0,8 0,7 0,7

Coef réduction surpression

mc

- 0,9 0,7 0,6 - 1 0,9 0,7

4. Effets du vent

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3 états d’équilibre• Soulèvement

• Glissement

• retournement

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4. Effets du vent

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Exemples de solution

4. Effets du vent

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Exemples de solution

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5. L’étanchéité

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Couche de protection• Couche de protection contre les migrations, mécanique et contre

la fusion • Prévoir un débord de 5 cm• Attachée soit à l’étanchéité soit au lestage mais pas les deux• Compatibilité chimique

BMI7

5. L’étanchéité

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A. Ancrage par patte traversante• Fixation dans l’élément porteur• Liaison d’étanchéité délicate

4 types d’ancrage

Slide 29

BMI7 migration de plastifiant (par exemple PVC) Benoît Michaux, 23/02/2014

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5. L’étanchéité

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A. Ancrage par patte traversante

• Attention au pont thermique

5. L’étanchéité

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B. Ancrage par socle

• « Armature » d’attente• Socle coulé sur place• Continuité d’étanchéité à effectuer sur socle

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5. L’étanchéité

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Ancrage par socle posé sur l’isolant

Socle fixé au travers

5. Autres aspects

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Rendement des installations

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5. Autres aspects

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Effet de l’ombrageangle 1 : angle d'obstructionangle 2 : angle de saillie verticaleangle 3 : angle de saillie à gaucheangle 4 : ange de saillie à droite.

5. Autres aspects

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• Panneaux solaires sur toitures plates : sollicitations dues au vent (CSTC-Contact n° 36 (4-2012))

• Protection des installations photovoltaïques contre la foudre (CSTC-Contact n° 28 (4-2010))

• PEB- Systèmes: Systèmes photovoltaïques (Infofiche juillet 2013)

• Dossier du CSTC concernant les techniques de fixation des capteurs solaires sur toituresinclinées (2012)

• Manutention des capteurs photovoltaïques cristallins (CSTC contact n° 40 (4-2013))

• Réglementation sur les performances énergétiques des bâtiments (www.normes.be)

• NBN EN 15316‐4‐6  Méthode de calcul des besoins énergétiques et des rendements des systèmes Partie 4‐6  Systèmes de générationde chaleur, systèmes photovoltaïques

• NBN EN 15603 Performance énergétique des bâtiments – Consommation globale d’énergie et définition des évaluations énergétiques

Publications

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