Pourquoi la foudre est-elle si destructrice pour les systèmes photovoltaïques ?
La dangerosité de la foudre ne réside pas seulement dans la probabilité d’un impact direct, mais surtout dans l’énorme quantité d’énergie qu’elle libère en un instant. Un impact direct typique peut produire un courant de crête allant de 30 à 200 kiloampères, avec une tension pouvant atteindre 100 millions de volts, le tout en quelques dizaines de microsecondes. Les mécanismes de destruction reposent principalement sur trois effets physiques :
- Effet thermique : Le courant de foudre traversant instantanément un conducteur métallique, un module photovoltaïque ou un câble peut faire grimper la température locale à plusieurs milliers de degrés Celsius, provoquant la fusion des métaux, l’éclatement des connexions ou la destruction des modules.
- Induction électromagnétique : La foudre génère un champ électromagnétique intense qui induit des tensions de plusieurs kilovolts dans les câbles voisins, même non touchés directement. Les équipements basse tension comme les bus RS485, les modules de communication ou les systèmes de surveillance sont particulièrement vulnérables.
- Élévation de potentiel : Lorsque la foudre atteint le sol, le courant se propage dans le réseau de terre, créant des différences de potentiel transitoires de plusieurs dizaines ou centaines de volts aux points de mise à la terre. Ce phénomène, appelé "retour de potentiel de terre", peut causer des dommages aux onduleurs, aux batteries ou à d’autres composants via les lignes de mise à la terre.
Un système photovoltaïque est composé de nombreux composants à base de semi-conducteurs silicium connectés en série, extrêmement sensibles aux surtensions transitoires. Dès que le pic de tension dépasse 1 kV, des éléments comme les diodes de dérivation ou les transistors MOS peuvent être perforés. Plus important encore, les équipements photovoltaïques sont généralement installés dans des zones dégagées, sans ombrage ou sur des structures métalliques, ce qui les rend naturellement plus exposés aux coups de foudre que les appareils électroménagers standards.
Ainsi, la protection contre la foudre dans les systèmes photovoltaïques ne vise pas uniquement les conditions climatiques extrêmes, mais constitue une mesure de sécurité systémique adaptée à leur structure et à leur mode de fonctionnement.
Pourquoi les systèmes photovoltaïques sont-ils particulièrement exposés en cas d’orages fréquents ?
Contrairement aux équipements électriques classiques, les systèmes photovoltaïques sont généralement installés sur des toits, dans des espaces ouverts ou à haute altitude, ce qui les place naturellement dans des zones à haut risque de foudre. Et l’impact de la foudre sur ces systèmes ne se limite pas à un simple « coup direct ». Avant d’envisager une protection efficace, il est essentiel de comprendre les trois principales voies de destruction associées à la foudre :
1. Impact direct : le plus destructeur
Lorsqu’un éclair frappe directement les modules photovoltaïques, la structure ou le sommet d’un bâtiment, le courant élevé et la température extrême libérés en un instant peuvent entraîner :
- La destruction des diodes de dérivation et des cellules dans les modules photovoltaïques
- La fusion ou l’incendie des câbles en raison de la chaleur, provoquant des effets de point chaud
- L’interruption d’une chaîne complète de modules, voire l’arrêt total du système de production
Les bâtiments élevés, non ombragés et situés dans des zones orageuses sont particulièrement vulnérables aux coups de foudre directs. L’installation de paratonnerres, une bonne mise à la terre et l’éloignement des conducteurs de descente des lignes à basse tension sont vivement recommandés.
2. Induction électromagnétique : une menace discrète mais fréquente
Même sans impact direct, la foudre peut émettre une impulsion électromagnétique puissante, générant des surtensions dans les structures métalliques ou les lignes de communication, capables de détruire :
- Les modules de communication (comme les collecteurs de données ou les bus RS485) ;
- Les circuits d’interface des onduleurs ;
- Les équipements électroniques basse tension tels que les systèmes de surveillance intelligents.
Lorsque la tension induite dépasse 1 kV, les conséquences vont de perturbations de la communication à la formation d’arcs électriques et d’incendies. Il est recommandé d’installer des parafoudres (SPD) à plusieurs niveaux sur les onduleurs, les boîtes de jonction et les interfaces de communication, et de renforcer le blindage ainsi que les connexions équipotentielles.
3. Retour de potentiel de terre : le « contrecoup » après l’impact
Lorsqu’un éclair frappe le sol ou un bâtiment voisin, le courant se propage dans le réseau de terre et peut remonter par les câbles de mise à la terre pour atteindre le système photovoltaïque, provoquant :
- Des dommages aux boîtes de jonction ;
- Une surtension des batteries, entraînant une perte de capacité voire une explosion ;
- Une surtension inverse côté réseau, endommageant les onduleurs ou les charges électriques.
Si le système de mise à la terre est mal conçu, si sa résistance est trop élevée ou s’il n’est pas isolé du réseau de terre du bâtiment, le risque de retour de potentiel de terre augmente considérablement. Il est recommandé d’optimiser le système de mise à la terre (résistance ≤ 4 Ω), d’éviter la mise à la terre partagée avec d’autres systèmes électriques et d’installer des isolateurs ou des limiteurs de courant aux points critiques.
Faut-il installer un paratonnerre pour chaque projet photovoltaïque ?
1. Le paratonnerre est-il nécessaire selon les différents scénarios ?
2. Points essentiels à respecter lors de l’installation d’un paratonnerre
Même si le projet permet l’installation d’un paratonnerre, il est impératif de respecter les exigences suivantes pour garantir son efficacité et la sécurité du système :
- Le paratonnerre doit être plus haut que les modules et former un cône de protection, idéalement dans un angle de 45° pour assurer une couverture complète ;
- Il doit être situé à au moins 5 mètres des panneaux afin d’éviter l’ombrage susceptible d’affecter la production d’électricité ;
- La résistance de mise à la terre doit être ≤ 4 Ω et connectée à un réseau de terre fiable pour éviter les “faux raccordements” ;
- Les conducteurs de descente doivent suivre les parois ou les structures extérieures, en évitant les croisements avec les câbles photovoltaïques pour réduire les tensions induites ;
- L’installation doit être effectuée par des professionnels qualifiés conformément aux normes de protection contre la foudre des bâtiments (telles que IEC 62305 ou GB 50057).
Schéma de la structure du système de paratonnerre
Attention : un paratonnerre mal conçu peut au contraire attirer la foudre sans pouvoir la dissiper, augmentant ainsi le risque pour le système. Il est donc crucial de respecter rigoureusement les normes techniques, et de ne jamais “installer à l’aveugle pour se rassurer”. L’installation doit être décidée en fonction des caractéristiques spécifiques du projet, en tenant compte de la hauteur du bâtiment, de son environnement immédiat et du niveau de risque orageux.
Quels projets photovoltaïques doivent investir dans un système complet de protection contre la foudre ?
La protection contre la foudre n’est pas obligatoire pour tous les projets photovoltaïques, mais dans certains cas, en raison des coûts, des risques et des exigences de conformité, une approche systémique de la protection est passée du statut de « recommandée » à celui de « nécessaire ». Voici trois scénarios typiques pour lesquels il est fortement conseillé d’investir dans une protection complète contre la foudre.
1. Systèmes photovoltaïques installés dans des zones à forte activité orageuse
Si le projet se situe dans des régions sujettes à de fréquents orages d’été, comme les côtes méditerranéennes, les plateaux montagneux ou les zones littorales, un système de protection complet doit être prévu, même pour les installations de petite taille. Dans ces zones, le risque cumulé d’impacts répétés de la foudre peut provoquer, à terme, des dommages aux modules ou aux systèmes de communication, voire un arrêt complet ou un incendie.
Il est recommandé de mettre en place une double protection, externe et interne : installation de paratonnerres et d’anneaux de mise à la terre pour l’extérieur ; dispositifs SPD à plusieurs niveaux côté onduleur et protections sur les ports de communication pour l’intérieur. Si nécessaire, des isolateurs d’alimentation peuvent être ajoutés afin de renforcer la sécurité du système face aux orages fréquents.
2. Systèmes intégrant des équipements à basse tension, comme des batteries ou des modules de contrôle
Les centrales photovoltaïques équipées de systèmes de stockage d’énergie, de surveillance intelligente, de communication RS485 ou de contrôle à distance utilisent des composants sensibles à basse tension, très vulnérables aux surtensions induites. Cela est particulièrement vrai dans les cas d’installations en toiture industrielle, serres agricoles ou stations de télémesure, où les risques d’interruption de communication sont élevés.
Ces systèmes doivent renforcer leur protection interne : installation de SPD multilivaux sur les interfaces de communication, les connexions côté batterie et les entrées basse tension des onduleurs, tout en assurant une continuité des connexions équipotentielles et un système de mise à la terre fermé, pour éviter l’intrusion des surtensions dans les circuits de communication.
3. Installations sur des toitures légères, sans protection, à faible charge
Les bâtiments industriels ruraux, serres agricoles ou petits entrepôts utilisent souvent des structures métalliques légères (tôles, panneaux sandwich), sans murs latéraux ni abris. Ces structures créent des points élevés susceptibles d’attirer la foudre. De plus, elles ne disposent généralement ni de réseau de terre intégré ni de conception antifulmine, ce qui augmente le risque de perforation ou d’infiltration d’eau en cas d’impact.
Dans ces cas, il est conseillé de mettre en œuvre une solution de protection externe simplifiée, avec paratonnerre léger, conducteur de descente ancré dans la base et mise à la terre séparée. En intégrant ces dispositifs avec les composants du système photovoltaïque, il est possible de créer une boucle de protection à coût minimal, sans augmenter la charge structurelle.
Comment construire un système de protection contre la foudre “adéquat” au coût le plus bas ?
Tous les projets photovoltaïques ne nécessitent pas forcément un système de protection complet, complexe et coûteux. Lorsque le budget est limité et que les risques sont maîtrisables, un choix technique judicieux et une conception simplifiée peuvent offrir une stratégie de protection optimale en termes de rapport coût/efficacité. Voici trois conseils à prendre en compte dans les projets d’entreprise.
1. La protection externe doit être simplifiée, mais pas supprimée
Pour les systèmes photovoltaïques de petite à moyenne taille installés sur des toits sans ombrage, avec une structure métallique visible, il n’est pas nécessaire d’installer un réseau complet de paratonnerres. Il est toutefois essentiel d’intégrer au minimum un paratonnerre de base ou un conducteur de descente, avec une mise à la terre fiable. L’utilisation de supports légers avec conducteurs intégrés reliés à la terre permet de guider efficacement le courant de foudre sans alourdir la structure : l’une des solutions les plus rentables.
2. La protection interne doit cibler les “points critiques”
Si le système comprend déjà des équipements à basse tension (stockage, surveillance, collecte de données à distance, etc.), il est préférable de concentrer les protections SPD sur les interfaces de communication, les entrées des onduleurs et les coffrets de jonction, plutôt que de protéger l’ensemble du site. L’utilisation de modules SPD remplaçables facilite également la maintenance et réduit les charges d’exploitation.
3. Réduire les coûts en tirant parti des caractéristiques intégrées des modules
Certains modules photovoltaïques de haute qualité intègrent déjà des diodes de dérivation, des conceptions à faible induction ou des interfaces de mise à la terre optimisées. Ces caractéristiques atténuent partiellement les effets des surtensions induites ou des retours de potentiel de terre. En phase de sélection, privilégier ces modules permet de mettre en œuvre une stratégie “protection légère + collaboration des composants” qui réduit efficacement les coûts globaux de protection contre la foudre.
Pour les projets de type BIPV (photovoltaïque intégré au bâtiment), il est recommandé d’intégrer dès la phase de conception les dispositifs de protection contre la foudre, les mises à la terre et les SPD afin d’optimiser l’interaction entre structure et sécurité.
Lors de la mise en œuvre de la protection, il ne faut pas négliger les détails suivants :
- Les câbles photovoltaïques doivent être éloignés des structures métalliques du toit (antennes, chauffe-eau, etc.) pour réduire les risques d’induction ;
- Tous les câbles traversant les murs ou les toitures doivent être étanchéifiés pour éviter les infiltrations d’eau ou les risques d’incendie ;
- Les SPD doivent être contrôlés régulièrement pour détecter l’usure, les câbles desserrés ou la corrosion ;
- Il est interdit d’entasser des objets sur les modules pour éviter les ombrages et l’apparition de points chauds pouvant causer des incendies.
Conclusion
En été, les orages sont fréquents. La protection contre la foudre des systèmes photovoltaïques ne doit pas se limiter à une formalité de conformité. Elle conditionne la stabilité à long terme et la rentabilité de la centrale. De la sélection du projet à l’analyse climatique, en passant par la configuration du système, chaque détail influe sur la valeur réelle de l’investissement en protection. Seule une approche fondée sur une analyse par niveaux, une adaptation au contexte et une exécution rigoureuse permet d’assurer une production sûre, continue et rentable pour l’utilisateur.
Depuis 2008, Maysun Solar produit des modules photovoltaïques de haute qualité, intégrant les technologies avancées IBC, HJT et TOPCon et des stations solaires pour balcons, garantissant performance et fiabilité. Présente à l’international avec des bureaux, entrepôts et des partenariats solides avec les meilleurs installateurs, l’entreprise assure un service optimal. Pour toute demande de devis ou d’informations sur le photovoltaïque, contactez-nous – nos produits vous offrent une qualité garantie.
Références
IEC. (2010). IEC 62305 – Protection contre la foudre. Commission Électrotechnique Internationale. https://webstore.iec.ch/publication/2472
Phoenix Contact. (2023). Protection contre la foudre et les surtensions pour les systèmes photovoltaïques. Phoenix Contact GmbH & Co. KG. https://www.phoenixcontact.com/en-us/products/lightning-and-surge-protection
SMA Solar Technology AG. (2022). Informations techniques – Protection contre les surtensions pour onduleurs. SMA Solar Technology AG. https://www.sma.de/en/products/solar-inverters.html
Meteonorm. (2024). Base de données météorologiques mondiale pour ingénieurs et planificateurs. Meteotest AG. https://meteonorm.com
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