Le marché solaire américain a connu une augmentation remarquable du nombre d'installations au cours de la dernière décennie. Rien qu'en 2023, "l'industrie solaire américaine a installé 32,4 GWdc de nouvelles capacités, soit une augmentation de 51% par rapport à l'année précédente". Cette croissance a été particulièrement prononcée dans le secteur commercial, "qui a établi un nouveau record annuel en 2023 avec 1 851 MWdc installés, soit une augmentation de 19% par rapport à 2022".

Les grands toits commerciaux sous-utilisés présentent une opportunité intéressante de génération d'énergie et de revenus. Ceci est encore plus pertinent pour les toits dotés d'une membrane blanche réfléchissante utilisant des modules bifaciaux, car ils sont encore plus rentables en réduisant la charge thermique du bâtiment et en maximisant la production d'énergie. En conséquence, de plus en plus de propriétaires d'immeubles choisissent d'installer des systèmes solaires sur leurs toits. L'installation d'un système photovoltaïque sur des structures de toit nouvelles ou existantes présente des défis d'ingénierie intéressants. L'une des principales contraintes de tels projets est la capacité portante du toit. Idéalement, l'installation de panneaux solaires ne devrait pas augmenter de manière significative la charge permanente au point que la structure du toit nécessite des modifications.

La charge morte supplémentaire pour les systèmes solaires sur les toits provient souvent de l'utilisation de blocs de ballast, qui sont utilisés pour contrecarrer le soulèvement du vent et sécuriser l'installation solaire sur le toit. Les blocs de ballast ne sont pas la seule méthode de retenue disponible, car des ancrages ou une combinaison d'ancrages et de ballast peuvent également être utilisés. Pour les systèmes lestés, il est crucial de limiter autant que possible le poids supplémentaire sur la structure du toit, afin de minimiser les coûts et d'éviter des contraintes excessives sur le toit.

Une étude en soufflerie peut jouer un rôle crucial dans l'optimisation des besoins en ballast et dans la conception globale du système, réduisant ainsi la charge morte supplémentaire sur le toit. Sans une telle étude, les concepteurs sont souvent contraints d'utiliser des modèles conservateurs généraux, tels que ceux fournis par l'ASCE 7-22 (Section 29.4.3), le NBCC 2015 ou le SEAOC PV2 2017.

Qu'est-ce qu'une étude en soufflerie ?

Une étude en soufflerie consiste à placer un modèle physique réduit dans un dispositif conçu pour reproduire les conditions de vent sur la structure et la géométrie d'intérêt. Pour les applications solaires sur toit, le modèle physique consiste généralement en un générateur photovoltaïque représentatif (taille et géométrie) avec le système de rayonnage du fabricant, monté sur un bâtiment modèle de taille et géométrie pertinentes.

Le modèle est placé sur un plateau tournant qui peut l'orienter selon différents angles par rapport au flux du vent. Le modèle est équipé de prises de pression sur les surfaces supérieure et inférieure des modules PV, permettant de mesurer les pressions nettes du vent agissant sur le système.

Les paramètres de la soufflerie, tels que la vitesse d'écoulement et la rugosité du terrain, sont ajustés pour correspondre aux conditions requises énoncées par l'ASCE 49. Le modèle est ensuite testé sous plusieurs angles d'incidence du vent et les données de pression sont collectées sous forme de mesures de séries chronologiques.

Figure 1. À gauche : vue latérale du modèle de réseau monté au sommet d'un bâtiment modélisé à toit plat avec des prises de pression visibles atteignant les surfaces du module. A droite : Le modèle global monté sur un plateau tournant permettant toute orientation du modèle par rapport à l'écoulement.

Les résultats sont post-traités et normalisés pour les exprimer sous forme de coefficients de pression statique équivalents (C p ). Un format de sortie courant est une fonction An-Cp enveloppante par morceaux, où A N est la zone d'affluent normalisée et C p est le coefficient de pression le plus défavorable associé (tous deux sans unité). Les courbes enveloppantes considèrent généralement le pire des cas (incidence du vent, emplacement dans le réseau, etc.) d'une zone affluente donnée (A N ).

Figure 2. Exemple obscurci d'une courbe A N -C p . Les points de données représentent toutes les pressions de pointe mesurées pour toutes les configurations pertinentes des modules PV adjacents. Le regroupement des surfaces est constitué de nombres entiers de modules (exemple : 1x1, 1x2, 2x1, 2x2, etc.) d'où l'alignement vertical des points de données. Enfin, la courbe enveloppante est une fonction log-lin par morceaux qui prend en compte tous les cas extrêmes et fournit un outil de conception pratique.

Utilisation des résultats d'une étude en soufflerie

Codes du bâtiment

La conception des structures solaires sur les toits et leur fixation (ballast, ancrages ou les deux) sont généralement prescrites dans les codes du bâtiment, tels que l'ASCE 7-22 et le NBCC 2015. Ces codes fournissent leurs propres courbes conservatrices A N -C p, mais ils acceptent également, sous condition, l'utilisation de résultats d'études spécifiques en soufflerie.

Quelles que soient les données éoliennes utilisées (publiques ou propriétaires), une structure conforme au code nécessite l'étude de différents scénarios de charge (combinaisons de charges) pour garantir que tous les états limites sont pris en compte. Par exemple, la combinaison de charges critiques pour la résistance au soulèvement peut différer de la combinaison critique pour les charges ponctuelles sur la structure du toit. Ne pas étudier toutes les combinaisons de charges pertinentes peut conduire à des conceptions qui ne répondent pas aux objectifs de fiabilité du code (voir : Structure Magazine décembre 2023 p.46 et la déclaration SEAOC sur cette question importante).

Zones tributaires VS zones de vent efficaces

Les termes « zone tributaire » et « zone de vent effective » sont tous deux utilisés dans l'industrie pour la conception de la résistance au soulèvement par le vent, mais leur utilisation ou leur interprétation peuvent parfois être ambiguës. C'est ainsi qu'ils doivent être interprétés, au minimum dans le contexte des structures solaires sur les toits.

Zone Tributaire (ou Zone Tributaire Normalisée)

Il s'agit de la zone de référence pour laquelle l'effet aérodynamique est rigoureusement défini par des experts en soufflerie, tel qu'exprimé par les courbes A N -C p .

Surface de vent effective (EWA)

Il s'agit de la valeur dérivée équivalente ou de surface de conception utilisée pour justifier la réponse structurelle dans le cadre des forces s'opposant au soulèvement du vent. Ces valeurs sont généralement définies par les fabricants de systèmes de montage solaire, et les méthodes de détermination peuvent varier en termes de rigueur et de qualité.

Figure 3. Diagramme de corps libre présentant la justification de la réponse structurelle (R 1 à R 6 ) dans le cadre des forces de lutte contre le soulèvement par le vent (W). Par conséquent, la conception des fixations (R 0 ) n'a pas besoin d'être exactement inversement égale à la charge de conception dérivée des « zones affluentes ».

Les zones de vent efficaces sont souvent dérivées de manière empirique au moyen d'essais mécaniques (essais de traction) et/ou de simulations numériques calibrées (FEA). Actuellement, il n'existe pas de méthodes officielles normalisées pour dériver ces valeurs, mais le comité de structure solaire photovoltaïque de l'ASCE travaille sur un manuel de pratiques (MoP) qui aborde ce sujet. En attendant, il est recommandé de faire appel à un tiers compétent pour évaluer la validité de la méthode de détermination de la zone de vent effective. Une détermination inadéquate de ces valeurs peut compromettre le travail rigoureux d'une étude en soufflerie et conduire à des conceptions avec des objectifs de fiabilité inférieurs à ceux visés dans les codes du bâtiment.

Les zones de vent efficaces sont parfois interprétées comme une propriété intrinsèque d'une structure, comme un matériau, mais il est important de comprendre que ce n'est pas le cas. Ils utilisent les courbes A N -C p pour coder les réponses structurelles dans une valeur de conception pratique. Même si cette approche peut être valable sous certaines conditions et dans la pratique, ces courbes n'ont pas été dérivées dans ce but. En pratique, selon la méthode de détermination, les surfaces de vent effectives peuvent varier en fonction du contexte aérodynamique (par exemple la position sur le toit) et de l'ampleur. À l'avenir, une approche plus simple devrait être envisagée, dans laquelle les effets aérodynamiques et les réponses structurelles sont séparés dans le processus de conception et évitent toute obscurcissement.

Limites des études en soufflerie

Les études en soufflerie définissent généralement leurs limites dans leurs rapports. Ces limitations concernent généralement la géométrie du générateur photovoltaïque (angle d'inclinaison, hauteur, etc.) et du bâtiment (hauteur, taille, forme, etc.). Il est crucial de respecter ces limites lors de la conception, car des variables et des grandeurs sortant du champ de l'étude pourraient conduire à des structures sous-conçues.

Si une étude en soufflerie donne des valeurs de conception nettement inférieures à celles publiées dans les codes du bâtiment, elle nécessite alors un examen indépendant par un autre expert compétent en soufflerie (ASCE 7-22 Section 31.5.3). En général, il est recommandé de faire examiner une étude en soufflerie par des pairs, quelles que soient les exigences du code.

À mesure que la science, l'ingénierie et les connaissances générales sur l'aérodynamique des systèmes photovoltaïques sur les toits évoluent rapidement, les études en soufflerie doivent être mises à jour périodiquement. Les experts éoliens recommandent de réexaminer une étude en soufflerie tous les trois à quatre ans pour s'assurer qu'elle reste pertinente et applicable. Les parties prenantes doivent être conscientes de cette recommandation afin d'éviter de mettre en danger les actifs et la sécurité publique.

Conclusion

Les études en soufflerie constituent la norme industrielle pour déterminer les valeurs de conception du vent sur les structures solaires photovoltaïques sur les toits. À mesure que nos connaissances des effets aérodynamiques sur ces systèmes continuent d'évoluer, il est essentiel que toutes les parties prenantes comprennent les principales considérations lorsque les résultats d'une étude en soufflerie sont utilisés dans une conception.

Avant tout, l'applicabilité d'une étude en soufflerie est clairement définie dans leurs rapports. Il est de la responsabilité du concepteur de respecter les limitations indiquées concernant la géométrie, les conditions de vent et d'autres paramètres. L'application aveugle des résultats en dehors du champ de l'étude peut conduire à des systèmes dangereusement sous-conçus.

De plus, les études en soufflerie doivent être considérées comme des documents évolutifs qui nécessitent un examen et une mise à jour périodiques. Les experts recommandent un examen approfondi par les pairs et une révision potentielle tous les trois à quatre ans pour garantir que les résultats restent pertinents et alignés sur les dernières recherches et les meilleures pratiques. Les parties prenantes devraient en tenir compte afin de protéger leurs investissements et la sécurité du public.

Enfin, il est important de reconnaître qu'une étude en soufflerie n'est qu'une pièce du puzzle. Une conception adéquate de la structure et du ballast/ancrage dépend fortement de la bonne application de toutes les combinaisons de charges pertinentes prescrites par les codes du bâtiment. La détermination rigoureuse des valeurs de « zone de vent effective », qui doivent être examinées par un tiers qualifié pour valider la méthodologie, est tout aussi essentielle.

En conclusion, les études en soufflerie sont un outil essentiel pour concevoir des structures photovoltaïques résilientes sur les toits, mais leur valeur est maximisée lorsqu'elles sont utilisées en conjonction avec de bonnes pratiques d'ingénierie, un examen régulier par les pairs et un engagement à rester à jour avec l'état de la technique en évolution rapide. En adoptant ces principes, nous pouvons continuer à faire progresser l'adoption de l'énergie solaire tout en garantissant la sécurité et la fiabilité de ces systèmes pour les années à venir.