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Solaire photovoltaïque : sécurité et performance

Publié le 11 décembre 2017 - Modifié le 12 décembre 2017

L'électricité d'origine photovoltaïque répond à de nombreux enjeux actuels : déployer les sources d'énergie renouvelable, décentraliser la production d'électricité et permettre de consommer une énergie à faible impact environnemental.

La réglementation thermique encourage chaque projet de construction à se doter d'une source de production photovoltaïque. Toutefois, cette approche de l'énergie solaire ne doit pas occulter les aspects techniques de dimensionnement et de mise en œuvre. En dépendent la sécurité des personnes et des biens mais aussi le retour sur investissement de chaque projet.

Que comprend l’installation photovoltaïque ?

Une installation photovoltaïque se compose de capteurs solaires formant un générateur photovoltaïque.
Celui-ci convertit le rayonnement solaire en courant continu. Grâce à l'onduleur, ce courant est ensuite transformé en courant alternatif formaté aux normes standard du réseau de distribution.

Le courant ensuite transformé en courant alternatif est injecté sur le réseau de distribution public (cas le plus courant), consommé sur place ou encore stocké dans une batterie tampon.

© D’après document Schneider

Le générateur photovoltaïque

Premier maillon de la chaîne, le générateur est formé de modules distincts, eux-mêmes composés de cellules photovoltaïques encapsulées entre deux plaques de verre trempé afin d'assurer l'étanchéité et la protection mécanique de l'ensemble. Il existe aussi des capteurs photovoltaïques souples conçus pour être déroulés sur des toitures plates tout en assurant l'étanchéité du bâtiment.

Le générateur se caractérise par son rendement et par sa puissance en watt-crête (Wc) disponible aux bornes du générateur dans des conditions d'ensoleillement normalisées.

Il faut cependant retenir que le rendement d'un module photovoltaïque est moins déterminant dans la performance globale d'une installation que les critères d'orientation, d'inclinaison et d'ombres portées. D'où l'importance de l'étude préalable.

La connexion en série de plusieurs modules permet d'augmenter la tension délivrée pour un courant donné, tandis que la mise en parallèle accroît le courant tout en maintenant le niveau de tension.

La tendance est actuellement à l'intégration du générateur photovoltaïque dans les éléments de façade et dans certains vitrages, notamment pour des projets d'immeubles de bureaux ou d'infrastructures.

L'onduleur

Véritable concentré d'électronique de puissance, l'onduleur a pour mission de convertir le courant continu produit par le générateur en courant alternatif (230 V / 50 Hz).

L'onduleur est soit centralisé, soit réparti via des micro-onduleurs disposés directement au dos des modules photovoltaïques.

Les fabricants ont recours à cette configuration déportée pour les installations de petite puissance et notamment pour les projets d'autoconsommation.

Aujourd'hui, la plupart des onduleurs photovoltaïques sont capables d'envoyer à l'exploitant, par sms ou e-mail, des comptes rendus de production ou des alertes relatives à un défaut ou une panne.

Pour des raisons de simplicité de mise en œuvre, il convient de privilégier les onduleurs disposant d'une protection de découplage intégrée.

Les onduleurs doivent être conformes aux normes NF EN 62109-1 et NF EN 62109-2.

Les autres composants

L'installation électrique compte également des câbles unipolaires courant continu munis de connecteurs spécifiques (connecteurs mâle/femelle de la même marque), un dispositif de protection et de sectionnement, des fusibles pour chaque chaîne photovoltaïque, une protection contre la foudre (si la zone d'implantation et la configuration de l'installation électrique l'exigent), un système de coupure d'urgence et si besoin un ou plusieurs compteurs d'énergie.

Les différents types d'installations photovoltaïques

Il existe différents types d'installations photovoltaïques, en termes de quantité d'énergie produite et d'intégration aux bâtiments et infrastructures.

Les installations photovoltaïques répondent à trois segments de marché :

  • la maison individuelle (jusqu'à 9 kWc) ;
  • le bâtiment collectif (quelques dizaines de kWc), les toitures industrielles ou grand tertiaire (quelques centaines de kWc) ;
  • les centrales au sol ou fermes solaires (quelques MWc).

Raccordement au réseau de distribution

Légende : Il existe sur le marché une grande diversité de solutions photovoltaïques. Parmi elles apparaissent notamment des solutions hybrides, comme ici avec une installation permettant à la fois de produire de l'électricité et de l'air préchauffé pour le renouvellement d'air des locaux.

©Solarwall

En majorité, les installations photovoltaïques sont raccordées au réseau public de distribution afin d'y d'injecter la totalité de l'électricité produite, en temps réel.

Il est toutefois possible d'être raccordé selon un principe de vente du surplus. Dans ce cas, la production est prioritairement consommée sur place (autoconsommation) et le surplus vendu à un acheteur, la plupart du temps EDF-Obligation d’Achat.

Enfin, pour les sites de production/consommation isolés (par exemple en haute montagne), dans le cas d'installations photovoltaïques domestiques de petite puissance (500 Wc), ou encore pour des sites industriels avec charge électrique fixe, la production peut être intégralement consommée par les équipements locaux, sans aucun lien avec le réseau de distribution.

Cette dernière tendance se développe de plus en plus à mesure que le coût de rachat de l'électricité photovoltaïque baisse, de même que le coût des équipements.

*Injection du surplus de production sans système de stockage

Ici, la production électrique est prioritairement consommée sur place par les équipements en cours de fonctionnement. Seul l’excédent de la production par rapport aux consommations instantanées est injecté sur le réseau et vendu.

*Injection du surplus de production avec système de stockage

Ici, la production électrique est prioritairement consommée sur place par les équipements en cours de fonctionnement. L’excédent de production est stocké dans la batterie. Quand la batterie atteint la limite de sa capacité de stockage, l’excédent de production énergétique est injecté dans le réseau.

Lorsque la production d’électricité ne remplit pas les besoins de consommation, les batteries fournissent le complément nécessaire permettant de pallier l’intermittence de l’énergie solaire.

Les types de modules photovoltaïques

Il existe trois principales technologies de modules solaires photovoltaïques :

Les modules au silicium monocristallin : d'un rendement de 13 à 17 %, ils sont notamment utilisés lorsque les espaces disponibles sont restreints ;

Les modules au silicium multi-cristallin : leur rendement est plus faible (11 à 15 %) ; ces deux types de modules au silicium mono ou multi cristallin doivent respecter les prescriptions de la norme NF EN 61215 ;

 

Les modules solaires en couches minces : malgré leur rendement de 5 à 10 %, ils répondent à de nombreux cas d'application. Leur coût est modéré et les modules peuvent être souples. Ils sont moins sensibles à la température et aux ombrages. Ils doivent répondre à la norme NF EN 61646.

Les modules photovoltaïques doivent également être conformes aux normes de la série NF EN 61730 « Qualification pour la sûreté de fonctionnement des modules photovoltaïques », une condition qui assure en particulier le respect de la double isolation électrique (classe II).

Les types d'implantation et d'intégration

Les modules photovoltaïques constituent aujourd'hui l'un des composants de construction des bâtiments, répondant à plusieurs types de mise en œuvre et de choix architecturaux :

  • superposition sur toiture inclinée ;
  • superposition sur toiture-terrasse ;
  • intégration à une toiture (fonction étanchéité) ;
  • en bardage ;
  • en brise-soleil ou pergola ;
  • en verrière ;
  • centrale au sol.

Critères de choix des équipements

Les équipements solaires photovoltaïques doivent résister à des conditions climatiques extrêmes et garantir à la fois la production d'électricité, la sécurité de l'exploitant et des intervenants (voir encadré), sans oublier les fonctions mécaniques et d'étanchéité annoncées par le fournisseur.

Dans ce contexte, le CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment) apporte des réponses aux fabricants de panneaux photovoltaïques afin de garantir la qualité de leurs équipements tout au long de leur cycle de vie.

Il s'agit de deux niveaux d'application volontaire distinguant les produits :

  • l'Avis Technique (ATec) : il désigne l'avis formulé par un groupe d'experts représentatifs des professions, appelé Groupe Spécialisé (GS), sur l'aptitude à l'emploi des procédés innovants de construction. Les Avis Techniques sont délivrés par la commission chargée de formuler les Avis Techniques (CCFAT) (article 8 de l'arrêté du 21 mars 2012).

Les Avis Techniques concernent entre autres les "accessoires pour procédés photovoltaïques" (GS21). Il s'agit des modules standards verre/polymère ou verriers mis en œuvre en toiture ;

  • le Pass'Innovation : cette procédure d'évaluation technique des innovations initiée au CSTB répond au besoin de rapidité nécessaire pour intégrer des solutions techniques méritant un développement urgent.

Elle s'adresse principalement aux techniques bénéficiant déjà d'un retour d'expérience réussi ou d'une évaluation étrangère favorable d'aptitude à l'emploi. Le Pass'Innovation peut déboucher sur trois résultats :

  • feu rouge - Risque non maîtrisé et innovation non exploitable en l'état ;
  • feu orange - Risque jugé moyen, l'applicabilité du procédé doit être vérifiée sur un chantier pilote ;
  • feu vert - Risque très limité, il peut être maîtrisé par des recommandations sur la mise en œuvre et/ou le suivi.

Le cadre normatif


L'installation photovoltaïque génère d'importants risques électriques liés à la génération de courant continu, à une tension élevée et à une faible valeur du courant de défaut. Elle doit répondre à un haut niveau d'exigence, en garantissant sécurité et fiabilité : protéger les personnes face aux risques électriques, assurer l'intégrité des biens et le niveau de disponibilité attendu.

Le guide UTE C 15-712-1 (Installations photovoltaïques raccordées au réseau public de distribution) constitue la meilleure expression des exigences de la norme NF C 15-100 appliquée aux installations photovoltaïques raccordées au réseau public de distribution.

Pour en savoir plus sur les installations solaires photovoltaïques raccordées au réseau public de distribution, avec et sans stockage par batteries d'accumulateurs :

L'Officiel de l’Électricité - Installations électriques des bâtiments d'habitation neufs (Octobre 2016)

Unique ouvrage élaboré avec l'ensemble de la filière des professionnels de l'électricité et leurs organisations représentatives (CONSUEL, EDF, FEDELEC, FFIE, IGNES, SYCABEL, UNA 3E CAPEB) ainsi qu'avec l'AFPA, il rassemble l'ensemble des règles de l'art permettant la réalisation d'installations électriques et de communication de qualité dans les bâtiments d'habitation neufs (individuels et collectifs), ou faisant l'objet d'une rénovation totale.

Solaire Photovoltaïque : protections et coupure d'urgence

L'installation de capteurs doit faire l'objet de précautions particulières en matière de protection, dans la perspective d'interventions de maintenance et d'éventuelles interventions des services de secours en cas de sinistre.

Protection contre les chocs électriques

Sur le circuit alternatif, la protection contre les chocs indirects doit comprendre au moins un dispositif de protection différentielle, de sensibilité appropriée aux conditions de mise à la terre. Pour les locaux d'habitation, la protection doit être assurée par un dispositif différentiel à haute sensibilité (≤ 30 mA).

Protection contre les surintensités

Risque de surcharge : les circuits doivent être protégés conformément aux règles générales de la norme NF C 15-100.

Risques de court-circuit : dans le cas d'un branchement à puissance limitée, compte tenu de la présence des fusibles AD, un pouvoir de coupure de 3 kA est suffisant pour les dispositifs de protection contre les courts-circuits présents en aval du point de livraison.

Dans le cas d'un branchement à puissance surveillée, le pouvoir de coupure des dispositifs de protection est déterminé en tenant compte des courants de courts-circuits maximaux susceptibles d'apparaître en provenance du réseau public de distribution.

Protection de découplage

Objectif : séparer l'installation photovoltaïque du réseau en cas de défaut sur celui-ci se traduisant par :

  • la disparition complète de la tension réseau ;
  • une tension ou une fréquence d'injection au-delà des limites spécifiées par le gestionnaire de réseau ;
  • une marche en réseau séparé (îlotage), situation dans laquelle, suite à un incident, une partie du réseau alimentée par des générateurs distribués continue à fonctionner de manière autonome par rapport au reste du réseau.

D'une manière générale, il est recommandé d'utiliser des onduleurs avec une protection de découplage intégrée.

Dispositif de sectionnement et de coupure d'urgence :

Afin de pouvoir arrêter manuellement le fonctionnement de l'installation et d’assurer la maintenance de l'onduleur en toute sécurité, des dispositifs de sectionnement omnipolaires et de coupure en charge doivent être installés côté courant continu et côté courant alternatif.

Pour assurer une séparation en toute sécurité de l'onduleur en cas de maintenance, les dispositifs de coupure d'urgence côté DC et côté AC doivent rester indépendants de ce dernier.

© Legrand

Fixé en mural sur la façade extérieure de l’habitat (au plus près des modules photovoltaïques et hors de portée des enfants), ce coffret pré-câblé s’actionne à partir du sol à l’aide d’une perche, utilisée par les sapeurs-pompiers. La coupure du circuit électrique est réalisée en actionnant un interrupteur-sectionneur.

Coupure pour intervention des services de secours

Dans un établissement recevant du public (ERP) neuf ou existant, la commission centrale de sécurité (CCS) a rendu un avis en 2009 sur les mesures de sécurité à prendre.

Ainsi, avant toute installation de panneaux photovoltaïques, la CCS préconise de transmettre pour avis un dossier au service de prévention du service d'incendie et de secours territorialement compétent. Ce service est ensuite prévenu de l'installation effective du générateur photovoltaïque.

En complément, une instruction technique de 2013 émanant de la CCS concerne spécifiquement les ERP. Pour chaque usage du bâtiment, cette instruction définit les règles d'implantation et d'installation :

  • des organes de protection côté courant continu ;
  • des canalisations destinées au transport du courant continu 
  • des onduleurs ou organes de conversion ;
  • des autres dispositifs techniques relatifs à la sécurité.

Objectif : éviter les risques d'incendie et les risques d'exposition aux chocs électriques en cas de sinistre, de dégradation de l'installation ou d'intervention des services de secours et de lutte contre l'incendie.

Protection contre la foudre :

Un toit équipé de panneaux solaires photovoltaïques n'attire pas plus la foudre qu'un autre toit. Cependant, un coup de foudre direct sur les modules provoque irrémédiablement leur destruction.

C'est pourquoi, dans les zones à risque élevé (voir le niveau kéraunique Nk), l'installation de parafoudres protégeant l'installation photovoltaïque (capteurs et onduleur) est rendue obligatoire au même titre que la protection de l'installation électrique du bâtiment.

Deux mesures doivent être prises :

  1. Relier par un conducteur d'équipotentialité (obligatoirement de couleurs verte et jaune s'il est isolé) tous les éléments conducteurs et masses métalliques de l'installation photovoltaïque. Ce conducteur d'équipotentialité doit être relié à la borne principale de terre du bâtiment.
  2. Envisager de mettre en œuvre des parafoudres, côté courant continu et côté courant alternatif, en fonction du niveau kéraunique (Nk) local et des caractéristiques de l'installation.

 

Une analyse de la situation, selon le type d'installation et son environnement électrique, permet de déterminer rapidement si une protection foudre est nécessaire.

Solaire photovoltaïque : anticiper les désordres

La fiche pathologie n° 10 éditée par l'Agence Qualité Construction (AQC) met en évidence les points sensibles d'une installation photovoltaïque. Consuel relève également bon nombre de non-conformités lors des contrôles obligatoires des installations avant mise en service.

L'AQC (Agence Qualité Construction) relève deux principaux types de dommages qui peuvent survenir à la suite de l'installation d'un générateur photovoltaïque intégré en toiture :

  • des défauts d'étanchéité provenant de la couverture photovoltaïque ;
  • des incendies ou départs d’incendies provenant du circuit courant continu.

Le professionnel œuvrant en toiture, couvreur ou électricien, doit donc porter une grande attention à l'étanchéité de la couverture et au comportement mécanique des équipements face aux intempéries.

Veiller à l'étanchéité

Pour chaque type de système, le traitement des rives d'installation est particulièrement sensible : des dispositions particulières doivent être prises pour résister aux effets du vent, les efforts doivent être calculés selon les règles "neige et vent" en vigueur, le système de raccord doit être adapté aux différents types d'éléments de couverture.

Une mise en œuvre rigoureuse est impérative, particulièrement pour les systèmes dont les modules assurent l'étanchéité. La planéité de la charpente doit être assurée, après un éventuel calage. La pose des raccords entre modules doit être soignée, tout comme le passage des câbles.

Par ailleurs, pour les systèmes à rails drainants, le parallélisme des rails est nécessaire : le contrôle des diagonales lors de la pose doit être réalisé.

Pour les systèmes à rails drainants, le parallélisme des rails est nécessaire : le contrôle des diagonales lors de la pose doit être réalisé. Ce qui n'est pas toujours fait sur les chantiers. © AQC

Risques d'incendie

Les incendies d'installations photovoltaïques peuvent avoir des causes multiples. Parmi les facteurs à risque identifiés, une discontinuité dans le circuit courant continu peut provoquer un arc électrique ou des surchauffes issues de surintensités.

Les principaux points sensibles résident au niveau de la connectique et du raccordement à des masses métalliques à la terre :

  •  les connecteurs doivent être choisis de la même marque. Un soin particulier à la mise en œuvre est impératif, car il arrive que des sertissages soient défectueux ;
  • le raccordement à la masse, selon le guide UTE C15-712-1, permet de s'assurer de l'absence de défaut d'isolement grâce au contrôleur d'isolement intégré à l'onduleur ;
  • l'équipotentialité des masses, élément favorable à la protection contre les surtensions d'origine climatique, doit être assurée en complément des parafoudres ;
  • un câblage adapté à la puissance installée doit être prévu. Il est préconisé par la Commission centrale de sécurité (avis du 14 décembre 2009) de prévoir les passages de câbles par l'extérieur du bâtiment jusqu'à l'onduleur ;
  • un couloir de ventilation en sous-face des modules est un élément de prévention des surchauffes électriques au niveau des câblages, des connecteurs et des modules. Toutefois, des closoirs sont à prévoir afin de se prémunir des agressions des câbles par les rongeurs ;
  • l’entretien régulier par un personnel qualifié doit être organisé selon les préconisations du guide UTE C15-712-1. Des dispositions particulières doivent donc être prises à la conception pour faciliter l'intervention ultérieure des équipes de maintenance ;
  • lors de la conception, il faut veiller à éviter les ombrages persistant sur l'installation, sous peine de générer des points chauds dans les modules ;
  • d'autres risques d'atteinte à la continuité électrique peuvent survenir si les intervenants marchent sur les modules, ou si la planéité du support n'est pas assurée.

En effet, les cellules photovoltaïques sont épaisses d'environ 150 µm (silicium cristallin). Toute contrainte mécanique sur le module peut provoquer des fissures qui génèrent par la suite des points chauds dans les cellules et des surintensités.

Les non-conformités les plus courantes :

Depuis le 24 mars 2010, une attestation de conformité visée par Consuel est nécessaire préalablement à tout raccordement d'une installation photovoltaïque au réseau de distribution. Dans ce cadre, les non-conformités suivantes sont principalement constatées :

  • Prises de terre incorrectes ou non interconnectées :

Problème surtout relevé dans les bâtiments existants recevant une installation photovoltaïque. Rappelons que la norme NF C 15-100 impose d'interconnecter toutes les prises de terre d'un même bâtiment. Le plus simple consiste à connecter le conducteur de terre de l'installation photovoltaïque sur la borne principale de terre de l'installation consommatrice.

Si la valeur de la prise de terre est suffisante, nul besoin de créer un second piquet de terre.

  • Mauvais choix des câbles :

Pour acheminer le courant continu, il convient d'utiliser des câbles unipolaires présentant une isolation équivalente à la classe II, conçus pour une tension minimale de 1 000 Vcc.

Ils sont obligatoirement non propagateurs de la flamme. Leur âme doit supporter une température de 90 °C en fonctionnement. En cas d'exposition au rayonnement solaire, les câbles doivent résister aux UV.

  • Connexions non appropriées :

Côté courant continu, les connecteurs doivent être démontables uniquement à l'aide d'un outil.

En cas de création de rallonges par l'installateur au niveau des chaînes photovoltaïques, il est capital que soit garanti l'appairage des connecteurs mâle / femelle, en veillant à ce que ceux-ci soient de la même marque afin d'éviter tout risque d'échauffement, voire d'incendie.

  • Absence d'étiquettes d'avertissement :

La signalétique réalisée au moyen d'étiquettes spécifiques fait partie des obligations mentionnées dans le guide UTE C 15-712-1. Ces étiquettes signalent notamment la présence sur un même site de deux sources de tension différente.

  • Absence de parafoudre :

Dans les zones kérauniques concernées (Nk > 25) ou dans le cas de bâtiments équipés d'un paratonnerre, la mise en œuvre d'une protection foudre doit être réalisée au niveau des équipements photovoltaïques.

  • Section de circuit inadaptée entre onduleur et réseau :

À ce niveau, il convient d'appliquer les règles dictées par la norme NF C 15-100 concernant les sections de câbles adaptées au calibre maximum de l'AGCP (disjoncteur de branchement).

Conception : les points à retenir

Les modules photovoltaïques sont source de courant continu.

  • Le niveau de courant, directement proportionnel à l'ensoleillement, est aléatoire. Tous les modules photovoltaïques, quelle que soit leur technologie, se caractérisent par une courbe courant/tension bien spécifique ;
  • Le courant de court-circuit (surintensité due à des défauts entre conducteurs de polarité différente) d'un module photovoltaïque est à peine supérieur à son courant nominal.
  • Mis en série, les modules peuvent délivrer une tension de plusieurs centaines de volts. Celle-ci dépasse alors largement la tension limite de sécurité en courant continu (pour mémoire 120 Vcc).
  • L'ouverture en charge sans aucune précaution d'un circuit courant continu génère un arc électrique difficile à interrompre.

Cet onduleur conçu dans un boîtier IP65 permet de convertir un courant continu d'une puissance de 3 à 5 kW en courant alternatif. © Schneider Electric

4 points importants

  1. Pour minimiser les surtensions induites, notamment celles dues à la foudre, les surfaces de boucles réalisées par les câbles unipolaires CC doivent être aussi faibles que possible. Les câbles DC (+) et (-) et la liaison équipotentielle doivent être jointifs.
  2. Afin de pouvoir arrêter manuellement le fonctionnement d'une installation photovoltaïque et d'assurer la maintenance de l'onduleur en sécurité, des dispositifs de sectionnement unipolaires et de coupure en charge doivent être installés côté courant continu et côté courant alternatif.
  3. Il est conseillé de fixer les coffrets de protection DC et AC, ainsi que l'onduleur, à une hauteur supérieure à 120 cm afin de les rendre inaccessibles aux enfants.
  4. Les professionnels assurant la mise en œuvre électrique de l'installation doivent disposer d'une habilitation adaptée.
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