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L'heure tourne pour les combustibles fossiles. La protection de l'environnement par le biais « du virage vert » n'est pas seulement proche pour l'industrie de la production électrique dans le monde, mais l'initiative a été adoptée par de nombreuses autres industries, notamment l'automobile, la high tech et la fabrication. Les sources d'énergie renouvelables constituent presque 63 % de la production électrique au Canada (15 % aux États-Unis). Alors que l'énergie solaire ne représente que moins de 0,5 % de la production électrique totale au Canada (0,9 % aux États-Unis) (1), c'est une source d'électricité dont la croissance est la plus rapide dans le monde parmi tous les types d'énergies renouvelables. Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles les panneaux solaires photovoltaïques (PV) à grande échelle ne sont pas répandus en Amérique du Nord, certains freins peuvent notamment être le faible rendement, le coût de maintenance élevée, les politiques, etc. Cependant, à petite échelle, les panneaux PV (panneaux solaires) sont installés sur de plus en plus de toits de bâtiments résidentiels et commerciaux, leur croissance annuelle étant de plus de 50 % (2) depuis 2010.
L'installation de panneaux solaires sur le toit d'un bâtiment est devenue moins coûteuse que jamais et est rendue possible grâce à la production de masse et les exonérations tarifaires des pièces importées. Les incitations fiscales, les programmes de rachat d'électricité et la hausse constante des factures d'électricité justifient le coût de l'utilisation des panneaux solaires pour les propriétaires de maisons et d'entreprises. L'analyse des coûts et avantages et le retour sur « l'investissement en énergie solaire » semblent attrayants sur le papier sur une période de 20 ans ; cependant, les risques sous-jacents des panneaux solaires installés sur les toits sont généralement inconnus des propriétaires et des compagnies d'assurance.
À plus grande échelle, les fermes solaires (c'est-à-dire des séries de panneaux solaires montés au sol) sont une industrie en rapide développement qui a connu un grand essor au cours de la dernière décennie et est devenue l'une des sources courantes d'énergie propre. Bien que les fermes solaires soient rentables dans certaines régions, elles nécessitent plusieurs hectares de terrain et la proximité d'un réseau électrique. De plus, les conditions du sol, le nombre de jours ensoleillés, le risque d'incendie, les difficultés de maintenance, la fréquence des tempêtes et les répercussions juridiques peuvent raccourcir la durée de vie de l'installation et/ou sa rentabilité. (3)
Le présent article vise à analyser les risques des panneaux solaires montés au plafond et au sol. Une revue d'expertise légale de plusieurs cas a révélé que tous les risques liés aux systèmes solaires peuvent ne pas être entièrement compris par les propriétaires, les assureurs et autres parties impliquées. La décision d'utiliser un système solaire sur le toit ou de déterminer l'emplacement des fermes solaires est généralement prise par les propriétaires et mise en exécution par le fournisseur du produit qui propose souvent des services de conseil en ingénierie relatifs au projet. Alors que les aspects structuraux du projet sont parfois négligés en raison de leur complexité, ajouter de nouveaux composants sur un toit existant peut altérer l'exposition du bâtiment à de nouvelles charges environnementales. Les projets de fermes solaires ont également des impacts durables sur l'environnement et ceux-ci doivent être minutieusement considérés à l'étape de conception. L'énergie solaire reste cependant bien plus propre et moins risquée que les autres sources de production électrique.
Les incendies représentent la plus grande préoccupation liée au développement des panneaux solaires. Bien qu'il soit impossible qu'un feu soit déclenché par des panneaux photovoltaïques, un mauvais fonctionnement lié à leur installation ou à une surchauffe des composants le peuvent. L'autre préoccupation est liée à la neutralisation des incendies liés aux panneaux photovoltaïques car les pompiers sont exposés à un risque d'électrocution.
L'installation de panneaux solaires sur les toits peut présenter des risques supplémentaires d'effondrement ou d'infiltration d'eau. Les panneaux solaires sont exposés à de grandes fluctuations de température, à l'exposition à l'humidité et aux cycles de gel-dégel. L'exposition directe à l'environnement extérieur accélère l'usure et augmente le risque de défaillance des composants. Étant donné qu'actuellement, il n'existe aucune norme unifiée en Amérique du Nord visant à orienter la conception structurelle, l'installation et la maintenance des panneaux solaires, les risques varient au cas par cas en fonction des caractéristiques du projet, notamment la taille, l'emplacement et la méthode d'installation.
Pour les propriétés résidentielles, certains risques liés aux panneaux solaires installés sur les toits, tels que les dommages causés par un sinistre (par exemple, un incendie, une tempête de vent et la grêle), peuvent être couverts par une police d'assurance habitation standard, car généralement considérés comme faisant partie de la propriété. Cependant, pour les bâtiments commerciaux, la perte d'exploitation résultant d'une défaillance des panneaux solaires peut ne pas être couverte par une assurance standard. Bien que des études statistiques soient limitées dans ce domaine, les bâtiments commerciaux sont donc généralement plus susceptibles que les bâtiments résidentiels de subir des dommages à cause de panneaux solaires installés sur le toit.
Les fermes solaires présentent les mêmes risques environnementaux que les panneaux solaires montés sur le toit, par exemple les dommages causés par la grêle, le gel-dégel et le vent. Toutefois, elles sont exposées à d'autres pertes telles que le soulèvement dû au gel, les défaillances des fondations et les mouvements importants dus à la variation de l'humidité du sol ou aux inondations. Bien qu'il existe certains moyens d'atténuer ce risque, le développement d'une ferme solaire peut poser un risque d'incendie sur une zone étendue. Étant donné la superficie de terrain nécessaire pour une ferme solaire, l'esthétique, la proximité des zones résidentielles et l'impact potentiel pour la faune peuvent également être des préoccupations lors du déploiement d'une ferme solaire.
Le nombre d'incendies touchant des bâtiments munis de systèmes photovoltaïques sur le toit et des fermes solaires a récemment considérablement augmenté, tout comme l'utilisation de panneaux solaires qui a exponentiellement augmenté (4) au cours de la dernière décennie. En général, les panneaux solaires ne sont pas la source des incendies. Les arcs électriques dus à une mauvaise installation, un câblage défectueux, ou une isolation insuffisante sont souvent les principales causes d'incendie. Les onduleurs et les boîtiers électriques doivent être régulièrement inspectés pour éviter les risques de surchauffe, d'arcs électriques, et de courts-circuits. Le câble reliant les panneaux photovoltaïques à l'onduleur peut rester sous tension même après la mise en arrêt du panneau de service principal. Les pompiers risquent donc de s'électrocuter, ce qui rend l'extinction des incendies plus compexe.
Les équipements photovoltaïques peuvent brûler et dégager une chaleur intense et des flammes sources d'incendies. Les dommages causés par la surchauffe systémique des cellules solaires sont faciles à négliger lors d'une évaluation visuelle de base et l'atténuation du risque d'incendie doit être prévue dès la conception. Pour atténuer le risque d'incendie dans les fermes solaires, une conception précise, l'installation par des professionnels, un plan d'inspection régulier et un développement technologique sont des éléments critiques qui aident généralement à garantir un développement écologique sûr.
Les codes de construction nord-américains ne comportent pas actuellement de dispositions explicites concernant les charges de neige sur les toits équipés de panneaux solaires. En l'absence de normes structurelles spécifiques, le jugement technique repose sur le concepteur, lequel doit tenir compte de la quantité et de la répartition de la charge de neige sur un toit plat (à faible pente). Néanmoins, la norme relative aux charges minimales de calcul et aux critères associés pour les bâtiments et autres structures (ASCE-7) (5) exige la considération d'une charge en dents de scie au lieu d'une charge de neige uniforme pour la conception d'éléments de toits lorsque la surface du toit est irrégulière. Lorsque plusieurs rangées de panneaux solaires sont installées sur un toit plat, la neige peut s'accumuler en dents de scie, car les espaces entre les panneaux solaires peuvent se remplir de neige en raison d'obstructions. Dans certaines régions d'Amérique du Nord, ce type d'accumulation de neige sur les systèmes panneaux photovoltaïques a été observé et signalé dans des cas de dommages causés à des toits de bâtiments commerciaux à la suite de fortes chutes de neige. Cela altère la répartition de la charge de neige et peut l'augmenter jusqu'à 25 % comparé aux toits sans panneaux solaires. En outre, la charge irrégulière intensifie les tensions internes de certains éléments du toit qui n'ont pas été anticipées lors de la conception, ce qui est potentiellement suffisant pour endommager un toit bien conçu sans panneaux solaires.
Pour les toits des bâtiments résidentiels en pente où des panneaux photovoltaïques sont encastrés, l'altération de la charge de neige initiale est généralement insignifiante étant donné que la géométrie du toit reste relativement inchangée. Toutefois, les panneaux convertissent la charge de neige répartie en plusieurs charges concentrées à leurs points d'ancrage. Étant donné que les panneaux ne sont généralement installés que sur une ou deux facettes du toit, la conception structurelle de la charpente doit être revérifiée pour de telles combinaisons de charges. Certaines études ont révélé que les panneaux solaires sur les toits en pente peuvent réduire la charge de neige de 5 % en raison de leurs caractéristiques de chauffage et d'absorption thermique. Cependant, cela peut augmenter la possibilité de formation et de rétention de glace sur le toit, ce qui peut causer d'autres problèmes.
L'accumulation de la neige et la formation de gel sur les panneaux solaires montés au sol peuvent altérer le rendement des panneaux photovoltaïques. Les espaces entre chaque rangée et la distance minimale entre le bas des panneaux et le sol peuvent réduire le risque de dommages au système panneaux photovoltaïques dus à l'accumulation de neige. (6) En général, le risque que la neige soit dommageable pour les systèmes photovoltaïques montés au sol est moindre que pour les systèmes montés sur le toit.
Le schéma de circulation du vent sur les panneaux photovoltaïques peut être complexe. Les panneaux solaires inclinés agissent comme une voile et modifient la répartition des turbulences et de la pression du vent sur le toit ou la structure de support. Par conséquent, les supports des panneaux solaires et la structure de support doivent être conçus pour les charges de vent correspondantes. Si les panneaux photovoltaïques sont installés sur le toit d'un bâtiment existant, la conception structurelle des composants du toit doit être revue pour l'adapter aux nouvelles charges de vent ainsi que d'autres charges qui n'ont pas été prises en considération lors de la conception initiale.
Les charges de vent sur les panneaux photovoltaïques montés au sol sont généralement critiques, en particulier si le flux du vent autour des panneaux (décollement de tourbillon) crée une vibration correspondante à la fréquence naturelle de la structure. Les recherches ont révélé que le phénomène de décollement de tourbillon domine généralement la charge fluctuante non pas sur la première rangée, mais sur la deuxième, ou d'autres rangées de panneaux (7). Les conceptions basées uniquement sur les exigences du code ne garantissent pas la fiabilité des fermes solaires sur le long terme.
Pour les projets de grande envergure et à haute visibilité, les essais en soufflerie sont la seule méthode fiable pour déterminer la charge du vent sur les panneaux solaires montés sur le toit, car les autres approches peuvent conduire à des résultats surdimensionnés ou sous-dimensionnés. Pour les projets de taille moyenne, l'analyse de la mécanique des fluides numérique (MFN) est une approche appropriée dans laquelle les résultats peuvent être comparés aux valeurs recommandées disponibles dans les directives d'ingénierie et déployés pour la conception. Pour les petits projets, cependant, l'utilisation d'approches simplifiées peut être une option, à condition qu'un conseiller expérimenté évalue la performance structurelle du bâtiment existant et envisage tous les scénarios de chargement susceptibles de se produire. Ces approches, bien que courantes, entraînent parfois une simplification excessive ou un conservatisme dans la conception structurelle, ce qui peut être risqué ou onéreux.
Tout comme la charge de neige, la charge de vent n'est généralement pas critique pour les systèmes photovoltaïques encastrés sur les toits des bâtiments résidentiels en pente si la hauteur totale du système est limitée à quelques centimètres. Dans ce cas, le plénum d'air situé sous les panneaux suit la pression au-dessus du panneau et ne crée pas de soulèvement considérable par le vent sur le toit, selon la taille et l'espacement des panneaux. On pense souvent à tort que les panneaux situés à des angles de 10 à 15 degrés ne peuvent pas modifier sensiblement la charge du vent appliquée sur un toit. Des études d'ingénierie éolienne et d'expertise légale ont révélé que les effondrements de toits opposés après l'ajout de fermes solaires ne sont pas rares.
[7] Effets du décollement de tourbillon dans les panneaux de longues plaques plates inclinées et ramifications pour les panneaux photovoltaïques montés au sol, par Kurt Strobel et David Banks, (cppwind.com)
De nombreuses normes d'ingénierie prescrivent la prise en compte de la charge de glace pour les structures sensibles à la glace. L'ASCE 7 définit les structures sensibles à la glace comme « des structures pour lesquelles l'effet d'une charge de glace atmosphérique (c'est-à-dire la pluie verglaçante) régit la conception d'une partie ou de la totalité de la structure ». Pour les structures telles que les tours électriques en acier, les mâts haubanés, les remonte-pentes, etc., des couches radiales de glace peuvent se former autour des éléments structurels Ce phénomène augmente leur poids, les contraintes internes et les faces exposées au vent. Tel que mentionné précédemment, il n'existe pas de norme structurelle généralement acceptée pour la conception des panneaux solaires. Toutefois, l'expérience légale et les inspections du site effectuées après les tempêtes de neige ont révélé que les supports des panneaux solaires peuvent être classés comme structures sensibles à la glace. Cela n'affecte pas seulement la conception des supports des panneaux solaires (cadres de support) mais peut également modifier la charge ultime appliquée sur les structures de support/système de fondation.
Les systèmes photovoltaïques sont généralement conçus pour une durée de vie de 20-25 ans ; toutefois, dans les régions froides, celle des systèmes montés au sol peut être plus courte en raison des conditions environnementales agressives. Le soulèvement dû au gel peut affecter la production électrique et même la stabilité des supports des panneaux solaires. Par des températures inférieures à zéro, l'eau contenue dans le sol gèle et le volume du sol autour de la fondation, par exemple des micropieux, augmente. Ceci entraîne le soulèvement des supports des panneaux solaires. Selon le type de sol, ce mouvement cyclique de soulèvement dû au gel peut se produire à un taux allant de 1/64 po à 3/4 po par jour pour une fondation encastrée dans certaines conditions météorologiques. (8) Le risque de soulèvement dû au gel est plus élevé dans l'argile et le limon et plus faible dans le sable et le gravier. (9)
Le soulèvement dû au gel entraîne la déviation de la structure et des changements d'angle des panneaux solaires. Les déviations irrégulières du système de fondation peuvent provoquer une défaillance ou une déformation des connexions, des systèmes de support, de la déconnexion des conducteurs et/ou l'enfoncement dans le sol gelé. Une conception appropriée des systèmes photovoltaïques pour éviter un impact possible du soulèvement dû au gel peut réduire le risque de dommages. Par exemple, les fondations ou les micropieux peuvent être conçus sous la ligne de gel conformément à la recommandation des codes de construction ; cependant, déterminer la force de soulèvement du gel sur les pieux est difficile bien que 15 psi soit généralement la valeur recommandée [3]. Néanmoins, les pieux peuvent être enfoncés dans le sol même s'ils sont sous la ligne de gel.
Les systèmes photovoltaïques fixés de manière mécanique sur des toits de bâtiments résidentiels en pente pèsent généralement 2 à 4 livres par pied carré. Il ne s'agit pas d'un poids considérable, car un toit intact et bien conçu devrait pouvoir supporter cette charge supplémentaire avec peu ou pas de modifications. Cependant, la modification des systèmes structurels ou des charges d'un bâtiment existant peut nécessiter des mises à niveau du code qui peuvent affecter la conception originale du bâtiment en raison d'exigences plus strictes. Les charges de gravité des systèmes photovoltaïques lestés sur les toits plats sont considérables et peuvent entraîner un poids supplémentaire de 5 à 30 livres par pied carré sur la charpente. Une analyse structurelle détaillée est donc nécessaire.
Le principal défi concernant les deux méthodes d'installation vient du fait que le poids des panneaux solaires n'est pas réparti uniformément sur le toit et peut avoir des conséquences critiques sur certains éléments structurels. Si des plans détaillés de l'emplacement des panneaux ne sont pas produits, les charges réelles sur le toit seront différentes des charges de conception, car il est probable que les panneaux solaires seront repositionnés sur le toit lors de la phase de construction.
Les panneaux solaires sur un toit en pente sont fixés à la charpente à l'aide de fixations mécaniques. Dans le cas de bâtiments existants, cela signifie que plusieurs trous doivent être faits dans le système de toiture. Les trous d'ancrage sont généralement scellés pour prévenir l'infiltration d'eau dans le bâtiment. Cependant, la qualité des joints est un facteur d'installation et de comportement sur le long terme relatif à l'exposition du matériau d'étanchéité aux éléments de l'environnement. Les vibrations des panneaux dues aux forces du vent, ainsi que les cycles de détente/contraction thermiques, peuvent entraîner des ruptures de joint et des infiltrations d'eau.
Sur les toits plats, les supports des panneaux solaires peuvent perturber l'écoulement de l'eau vers les drains du toit en fonction de la configuration de leur support. Les supports des panneaux solaires lestés sont espacés de manière égale en rangées parallèles sur le toit et peuvent entraîner une accumulation d'eau de pluie ou de neige fondue entre les modules. Des accumulations d'eau peuvent se former dans ces zones. Ce processus peut accélérer la délamination, la fissuration et l'affaissement du toit et, enfin, les infiltrations d'eau dans le bâtiment.
L'installation de panneaux solaires sur des toits plats ou en pente peut modifier la géométrie du toit et sa capacité, surtout si l'on tient compte de l'exposition aux charges environnementales. La charge de la neige, de la glace et du vent (plus le vent sur la glace), le poids propre supplémentaire, l'accumulation d'eau, l'obstruction du drainage et les infiltrations d'eau influencent non seulement la conception structurelle des bâtiments, mais peuvent également affecter leur fonctionnement à long terme. Bien que ce risque puisse être atténué si les panneaux solaires sont installés et entretenus par des professionnels, les possibilités d'incendies dues à la présence de panneaux solaires sur le toit sont généralement plus élevées.
Le risque de dommages aux bâtiments équipés de panneaux solaires sur un toit est simplement plus élevé en raison de la présence des panneaux. Les assureurs peuvent assumer sans le savoir une partie considérable de ce risque et les propriétaires peuvent ne pas être conscients de l'exposition au risque. L'absence d'une norme technique uniforme, qui englobe tous les aspects de la conception et de l'installation (en particulier pour les toits plats) rend plus complexe la responsabilité liée aux panneaux solaires.
Les fermes solaires augmentent le risque d'incendie si celui-ci n'est pas atténué lors de la conception. Le mouvement de la fondation suite à un soulèvement dû au gel peut entraîner des dommages permanents aux supports des panneaux solaires et à la production électrique. Les dommages causés par le vent aux fermes solaires résultent probablement de la complexité de la conception du vent et de l'effet du décollement de tourbillon qui peut imposer une charge de soulèvement excessive aux panneaux.
En bref, la conception des fermes solaires ou les panneaux solaires montés sur le toit est un problème à plusieurs facettes qui doit être évalué par des ingénieurs qualifiés. Ainsi, avant de décider si l'installation de panneaux solaires sur le toit est une action judicieuse, un propriétaire doit se demander si le toit nécessite des modifications structurelles. Les assureurs doivent savoir si la propriété comprend des panneaux solaires montés sur le toit afin de prendre en compte les risques potentiels.
Nous tenons à remercier Ben Daee, PhD, P.Eng., PE. et Sadegh Khosravi, PhD, P.Eng pour leurs connaissances et leur expertise qui ont grandement participé à la réalisation de cette étude.
Dr. Ben Daee est vice-président au sein du cabinet d'ingénierie et d'architecture judiciaire de J.S. Held. Il est spécialisé dans les enquêtes judiciaires sur les litiges complexes dans le domaine de la construction, l'évaluation des normes de diligence et l'analyse des causes d'origine. En tant qu'expert judiciaire, il propose régulièrement ses conseils à des avocats, des experts en assurance, des entrepreneurs, des fabricants, des propriétaires, des sociétés et municipalités. Il intervient dans des dossiers de plaintes et de litiges d'ingénierie civile liés à des défaillances de bâtiments/structures, des dommages aux biens, des problèmes de conception/construction, des défaillances de matériaux, des problèmes de subrogation, des responsabilités professionnelles et municipales et des erreurs ou omissions liées à l'ingénierie. Il représente des entrepreneurs, des cabinets de conseil, des constructeurs, des propriétaires et des ingénieurs dans le cadre de questions de négligence, de conformité aux codes, d'erreurs de conception et de litiges de construction.
Vous pouvez contacter Ben à l'adresse [e-mail protégé] ou au +1 289 812 5116.
Le Dr. Sadegh Khosravi est un expert au sein du cabinet d'ingénierie et d'architecture judiciaire de J.S. Held, capable d'effectuer des évaluations structurelles des réclamations et des litiges en matière de construction résidentielle, commerciale et industrielle, des évaluations des normes de diligence et des analyses des causes d'origine. En tant qu'expert judiciaire, il peut fournir des conseils aux assureurs, aux cabinets d'avocats, aux entrepreneurs, aux fabricants, aux propriétaires et aux sociétés. Il intervient en cas de litiges et de réclamations en génie civil concernant des dommages matériels et des défauts de bâtiments/structures, des problèmes de conception/construction, des défauts de matériaux, des problèmes de fondations, de responsabilité professionnelle et des erreurs et omissions d'ingénierie. Il représentera des entrepreneurs, des cabinets de conseil, des constructeurs, des propriétaires et des ingénieurs dans le cadre de dossiers concernés par des questions de négligence professionnelle, de conformité aux codes , d'erreurs de conception et de litiges de construction.
Vous pouvez contacter Sadegh à l'adresse [e-mail protégé] ou au +1 613 209 8642.
(1) Statistique Canada, l'Office national de l'énergie du Canada ; l'Agence d'information sur l'énergie (EIA) des États-Unis,
(2) Ressources Naturelles Canada (NRCan) Site Web
(3) Effets des fermes solaires sur l'environnement, par Arthur, juin 2018, https://www.ledwatcher.com/env... PAR ARTHUR · DERNIÈRE MISE À JOUR LE 28 JUIN 2018
(4) Évaluation des risques d'incendie dans les systèmes photovoltaïques et développement de concepts de sécurité pour la réduction des risques, bureau des énergies renouvelables et le rendement énergétique, département de l'énergie des États-Unis
(5) Société américaine des ingénieurs civils
(6) Meilleures pratiques pour l'exploitation et la maintenance des systèmes photovoltaïques et de stockage d'énergie ; 3e édition, NREL 2018. https://www.nrel.gov/docs/fy19...
[7] Effets du décollement de tourbillon dans les panneaux de longues plaques plates inclinées et ramifications pour les panneaux photovoltaïques montés au sol, par Kurt Strobel et David Banks, (cppwind.com)
(8) Qu'est-ce que le soulèvement dû au gel et comment affecte-t-il les projets de panneaux solaires montés au sol, par Solar Builder, novembre 2019, https://solarbuildermag.com/featured/what-is-frost-heave-and-does-it-affect-ground-mount-solar-projects/
(9) Corps du génie de l’armée de terre des États-Unis
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