Ces dernières années, de nombreuses régions d’Europe ont connu en hiver des chutes de neige plus fréquentes et des périodes prolongées de basses températures, rendant de plus en plus courante l’exploitation de systèmes à panneaux photovoltaïques dans des environnements hivernaux complexes. Contrairement aux conditions estivales à fort rayonnement, les risques hivernaux sont souvent moins immédiatement perceptibles. Pourtant, l’accumulation de neige, le froid et les cycles répétés de gel et de dégel modifient en continu l’état des contraintes du système en fonctionnement.
Dans un contexte où les modules à haute puissance se généralisent et où la taille des panneaux solaires photovoltaïques ne cesse d’augmenter, ces évolutions tendent à amplifier les différences entre structures et solutions de montage, affectant à long terme la fiabilité globale du système.
Sommaire
- Quels défis les systèmes photovoltaïques rencontrent-ils dans des conditions hivernales extrêmes ?
- Comment la conception structurelle des panneaux photovoltaïques influence-t-elle la résistance à la neige ?
- Pourquoi les panneaux photovoltaïques de grande taille révèlent-ils plus facilement des problèmes en hiver ?
- Comment réduire les risques d’exploitation hivernale des systèmes photovoltaïques ?
1. Quels défis les systèmes photovoltaïques rencontrent-ils dans des conditions hivernales extrêmes ?
Dans un environnement hivernal extrême, les défis auxquels fait face un système à photovoltaique panneaux ne relèvent pas d’un facteur isolé, mais résultent de la superposition de plusieurs contraintes environnementales.
En exploitation réelle, les difficultés hivernales se concentrent principalement sur les aspects suivants :
1.1 Pression continue due à la charge de neige
L’impact de la neige ne se limite pas à l’ombrage du rayonnement ; il réside surtout dans la charge pondérale exercée sur une longue durée. Contrairement aux charges de vent ou aux sollicitations ponctuelles, la neige agit généralement de manière prolongée sur la surface du panneau solaire, plaçant durablement les modules et les structures de support sous contrainte.
Ce type de pression continue est particulièrement sensible aux dimensions du panneau, aux chemins de transmission des efforts et à la pertinence des modes de fixation.
1.2 Répartition inégale de la neige et différences de contraintes
Dans des situations réelles, la neige recouvre rarement de manière uniforme toute la surface des panneaux photovoltaïques. L’inclinaison du toit, la direction du vent, les obstacles et la disposition des modules entraînent des variations d’épaisseur de la couche neigeuse.
Cette répartition inégale des charges favorise plus facilement des déformations locales ou des concentrations de contraintes, souvent difficiles à identifier visuellement.
1.3 Effets répétés liés à la fonte et au regel
L’hiver ne se caractérise pas par des températures constamment basses. Les cycles successifs de fonte en journée et de regel nocturne modifient en permanence l’état des contraintes à la surface des panneaux solaires photovoltaïques.
Ces sollicitations cycliques tendent à amplifier des différences structurelles initialement mineures, exposant le système à des contraintes variables sur le long terme.
1.4 Influence des basses températures sur les matériaux et les zones de connexion
À basse température, les propriétés mécaniques et les comportements de déformation des matériaux évoluent. Les modules, les cadres et les points de connexion s’ajustent continuellement sous l’effet des dilatations et contractions thermiques. Lorsque le froid s’ajoute à la charge de neige, ces variations peuvent plus facilement affecter la stabilité globale du système photovoltaïque.
1.5 Apparition différée des risques
Il convient de souligner que ces effets ne se traduisent généralement pas par des défaillances immédiates après un seul épisode climatique extrême. Le plus souvent, ils s’accumulent progressivement au fil de plusieurs hivers, pour finalement se manifester, à long terme, sous forme de problèmes de fiabilité à l’échelle du système.
2. Comment la conception structurelle des panneaux influence-t-elle la fiabilité face à la neige ?
2.1. Chemins de transmission des charges de neige dans la structure du panneau
En conditions hivernales, la charge générée par l’accumulation de neige ne reste pas uniquement à la surface du panneau photovoltaïque, mais se transmet progressivement vers le bas le long de chemins structurels prédéfinis. Ce processus de transmission détermine si la charge de neige est répartie de manière homogène ou amplifiée localement.
De manière générale, le chemin de transmission des charges de neige comprend les étapes suivantes :
- La surface vitrée du panneau supporte la pression verticale initiale
- La charge est transmise au cadre par la structure d’encapsulation
- Le cadre transfère ensuite la charge vers les points de fixation et la structure de support
Lorsque la conception structurelle assure une continuité claire des chemins de charge et des relations mécaniques cohérentes, la charge de neige est plus facilement répartie entre plusieurs éléments structurels. À l’inverse, en présence de zones structurellement faibles ou de discontinuités dans la transmission des efforts, la charge tend à se concentrer localement, augmentant ainsi les risques de déformation ou de fatigue à long terme des panneaux photovoltaïques.
2.2. Influence du cadre et de la répartition de la rigidité sur la résistance globale à la déformation
Sous l’action prolongée des charges de neige, l’apparition ou non de déformations irréversibles dépend essentiellement de la rigidité globale en flexion fournie par le système de cadre, ainsi que de sa répartition sur l’ensemble du panneau solaire photovoltaïque.
Le cadre ne joue pas seulement un rôle d’encapsulation et de protection ; sa géométrie de section, son orientation et son mode de collaboration mécanique avec la couche de verre déterminent directement l’efficacité de la rigidité structurelle sous charge de neige.
Lorsque le panneau est soumis à la pression de la neige :
- Une répartition homogène de la rigidité favorise une réponse structurelle globale cohérente
- Les zones présentant des variations brusques de rigidité ou une capacité de flexion insuffisante deviennent plus facilement des points de départ de la déformation
Ces différences structurelles favorisent l’apparition de déformations locales au cours de la mise en charge, pouvant affecter la stabilité des structures internes et des zones de connexion des panneaux photovoltaïques.
2.3. La disposition des points de fixation détermine la répartition des charges
Sous l’effet de la neige, la charge uniformément répartie supportée par le panneau n’est pas absorbée de manière « homogène » par l’ensemble de la structure, mais est transformée en réactions d’appui discrètes au niveau des points de fixation. Le nombre, la position et l’espacement de ces points déterminent donc directement la manière dont la charge de neige est répartie dans la structure.
D’un point de vue d’estimation technique, la charge verticale totale appliquée au panneau sous neige peut être approximée par :
Charge de neige ≈ intensité de la charge de neige × surface du panneau (F ≈ q × A)
En exploitation réelle, les différences liées à la disposition des points de fixation sont souvent amplifiées au cours de la mise en charge. À mesure que l’espacement entre les points de fixation augmente, la portée effective du panneau photovoltaïque s’accroît, et les moments fléchissants maximaux ont davantage tendance à se concentrer dans la zone centrale.
Lorsque la répartition de la neige devient non uniforme, cette caractéristique structurelle accentue encore les écarts de contraintes entre les différents points de fixation, amenant certaines zones locales à entrer plus rapidement dans des états de forte contrainte. Si la conception n’intègre pas suffisamment les charges hivernales, même à intensité de neige identique, les écarts de sollicitation dus à une accumulation inégale peuvent augmenter de manière significative pour les panneaux solaires photovoltaïques.
3. Pourquoi les panneaux de grande taille révèlent-ils plus facilement des problèmes en hiver ?
Après avoir compris comment la structure et les modes de fixation influencent la résistance à la neige, la variation des dimensions des panneaux devient souvent le facteur déterminant quant à l’amplification réelle de ces différences structurelles.
Avec l’extension progressive de la plage de puissance des panneaux photovoltaïques vers 410–800 W, les dimensions et le poids unitaire augmentent de manière notable, faisant de ces paramètres des variables structurelles désormais incontournables dans la conception des systèmes photovoltaïques. En conditions hivernales extrêmes, cette évolution ne crée pas de nouveaux types de problèmes, mais met plus tôt et plus clairement en évidence des sensibilités structurelles déjà existantes au sein du système.
En prenant comme exemple les modules bifaciaux double verre TOPCon actuellement répandus, les modèles à haute puissance correspondent généralement à des dimensions géométriques plus importantes et à un poids unitaire plus élevé. Dans les projets réels, la longueur de ces panneaux photovoltaïques approche ou dépasse souvent 2 mètres, avec une largeur d’environ 1,3 mètre, et un poids unitaire supérieur de 25 à 35 % par rapport aux modules de 410–450 W plus anciens. Lorsque ces panneaux subissent simultanément en hiver la charge de neige, leur propre poids et les réactions de la structure de support, l’échelle des efforts supportés par le cadre, les points de fixation et la structure porteuse diffère fondamentalement de celle des panneaux de plus petite taille.
Afin de mieux comprendre à partir de quel seuil la grande taille commence à amplifier les problèmes, les panneaux solaires photovoltaïques actuels peuvent être classés, du point de vue géométrique et du poids unitaire, en trois plages d’échelle technique :
- Environ 1,7 m et 20–25 kg (par exemple 410–450 W) :
Correspondant aux panneaux de taille moyenne traditionnels, avec des chemins de charge plus courts et une tolérance encore élevée aux écarts d’installation et aux hétérogénéités structurelles ; les risques hivernaux se manifestent principalement du côté de la production électrique. - Environ 2,2 m et 30–36 kg (par exemple 550–650 W) :
Avec l’augmentation de la longueur et du poids, la portée effective entre les points de fixation s’élargit, les flèches centrales et les différences locales de contraintes commencent à apparaître, et la sensibilité du système à l’adéquation structurelle et à la précision de l’installation augmente nettement. - Environ 2,35 m et près de 40 kg (par exemple 700 W et plus) :
À cette échelle, les charges doivent être transmises sur des chemins plus longs ; en cas d’accumulation inégale ou localisée de neige, les zones centrales et les environs des points de fixation sont plus susceptibles de subir une amplification des efforts, faisant apparaître plus précocement la sensibilité structurelle hivernale.
Ainsi, si les panneaux de grande taille tendent à révéler plus facilement des problèmes en hiver, ce n’est pas en raison de leur puissance plus élevée, mais parce que l’augmentation simultanée des dimensions et du poids réduit sensiblement la tolérance du système aux écarts de structure, aux imprécisions d’installation et aux déséquilibres de charge. Lorsque les hypothèses structurelles issues des panneaux de taille petite ou moyenne continuent d’être appliquées, ces différences sont plus facilement amplifiées lors du fonctionnement hivernal.
Lorsque les panneaux photovoltaïques de grande taille deviennent la norme,comment les hypothèses d’ingénierie doivent-elles évoluer ?
Lorsque les dimensions et le poids des panneaux photovoltaïques entrent dans une nouvelle plage, les hypothèses d’ingénierie initialement établies pour des panneaux de petite ou moyenne taille ne suffisent plus à décrire pleinement leurs caractéristiques mécaniques. Si les logiques existantes sont maintenues sans ajustement, le système tend à révéler plus tôt en hiver des sensibilités structurelles, plutôt qu’un véritable phénomène de « surcharge ».
D’un point de vue technique, les panneaux de grande taille n’introduisent pas de nouveaux types de risques, mais imposent des exigences plus élevées sur plusieurs hypothèses de conception auparavant implicites, principalement autour de trois aspects : la portée effective, la ligne de base combinant poids propre et charge de neige, ainsi que la tolérance du système aux écarts d’installation.
Lorsque ces hypothèses ne sont pas ajustées de manière synchronisée, l’environnement hivernal agit souvent comme un amplificateur précoce des différences structurelles, faisant apparaître des problèmes de stabilité dès la phase d’exploitation.
4. Comment réduire les risques d’exploitation hivernale des systèmes photovoltaïques ?
Dans des conditions hivernales extrêmes, la fiabilité d’un système à panneaux solaires photovoltaïques ne dépend pas d’un paramètre isolé, mais du degré de cohérence entre le choix des composants, la conception structurelle et les décisions d’installation. Comparée à des corrections a posteriori, l’évaluation ciblée des variables clés en amont du projet est généralement plus efficace et plus maîtrisable en termes de coûts.
4.1. Lors du choix des panneaux, considérer explicitement la taille comme un paramètre structurel
Lorsque la plage de puissance couvre 410–800 W, la taille du panneau photovoltaïque ne constitue plus uniquement un critère logistique ou d’installation, mais devient un paramètre de conception influençant directement la répartition des efforts.
En environnement hivernal, il est recommandé de se concentrer notamment sur :
- la correspondance entre la longueur, la largeur du panneau et l’espacement des points de fixation
- l’impact combiné du poids propre et de la charge de neige sur le cadre et la structure de support
- l’existence de recommandations structurelles ou de retours d’expérience spécifiques aux panneaux de grande taille
Il convient d’éviter de reprendre sans adaptation des logiques de fixation développées pour des panneaux plus petits.
4.2. Dans la conception structurelle et des fixations, réduire en priorité la sensibilité à la portée
Sous charge de neige, les risques structurels apparaissent le plus souvent dans les zones soumises à de grandes portées. Lors de la conception du système, plusieurs approches permettent de limiter cette sensibilité :
- optimiser le nombre et la position des points de fixation afin d’éviter des portées effectives excessives
- assurer une adéquation entre la rigidité de la structure porteuse et la classe dimensionnelle des panneaux photovoltaïques
- éviter, dans les zones sujettes à une accumulation inégale de neige, des dispositions structurelles trop rigides
L’objectif n’est pas d’augmenter indéfiniment la marge de sécurité, mais de permettre une répartition et une transmission plus homogènes des charges.
4.3. Lors de l’installation et de la mise en œuvre, maîtriser les écarts de précision
Pour les panneaux de grande taille, de légers écarts lors de l’installation peuvent être amplifiés en hiver. Plutôt que de compter sur des ajustements ultérieurs, le contrôle en phase de pose est déterminant :
- vérifier que la position des points de fixation, la planéité et la symétrie correspondent aux hypothèses de conception
- éviter l’introduction de contraintes locales supplémentaires dues à des erreurs d’installation
- anticiper, sur des toitures complexes ou en périphérie, les trajectoires d’accumulation et de glissement de la neige
La qualité de l’installation fait partie intégrante de la fiabilité hivernale du système photovoltaïque.
4.4. Passer d’une logique de « conformité » à une logique de stabilité à long terme
En environnement hivernal extrême, le respect des normes de conception constitue un seuil minimal, mais non un objectif final. Pour les systèmes équipés de panneaux photovoltaïques de forte puissance et de grande taille, des critères plus pertinents incluent :
- la capacité de la structure à conserver une réserve de stabilité au fil de plusieurs cycles hivernaux
- l’existence éventuelle de chemins de concentration des efforts ou de fatigue cumulée à long terme
- la capacité du système à maintenir une réponse structurelle maîtrisée sous des conditions non uniformes
Cette transition d’une approche centrée sur la charge à court terme vers une vision axée sur la stabilité en exploitation à long terme constitue souvent un levier clé pour réduire les risques hivernaux.
Les risques d’exploitation en hiver ne sont pas déclenchés par un facteur unique, mais résultent de l’interaction entre structure, dimensions et conditions environnementales. En identifiant et en traitant ces variables dès les phases de sélection, de conception et d’installation, la fiabilité des systèmes à panneaux solaires photovoltaïques dans des conditions hivernales extrêmes peut être significativement améliorée et mieux maîtrisée.
Maysun Solar propose au marché européen plusieurs technologies de panneaux photovoltaïques, notamment des solutions IBC, TOPCon et HJT, couvrant différentes classes dimensionnelles et scénarios d’application système. Dans le choix et la fourniture des panneaux, l’entreprise accorde une attention particulière à l’adéquation structurelle, aux conditions d’installation et aux performances en exploitation à long terme, afin d’aider ses partenaires à équilibrer les besoins en puissance, les contraintes structurelles et la fiabilité globale des systèmes photovoltaïques.
Lectures recommandées :