Ingénierie structurelle pour les panneaux solaires et les éoliennes : guide pour les installations à grande échelle

Un parc solaire de 300 MW est, sur le papier, un actif électrique et, sur le terrain, une structure en acier. Les modules convertissent la lumière, mais ce sont les supports, les tubes de torsion, les poteaux et les pieux qui déterminent si la centrale produira encore au bout de 25 ans ou si elle fera l'objet d'une demande d'indemnisation après une seule saison des tempêtes.

Il en va de même pour un parc éolien, où le mât et les fondations doivent supporter pendant des décennies des charges variables, bien après que la puissance nominale a été fixée.

L'ingénierie structurelle des panneaux solaires à grande échelle consiste à concevoir et à vérifier la structure de montage, ses raccordements et ses fondations face aux charges dues au vent, à la neige, aux séismes et à la fatigue, sur une durée de vie de 25 à 30 ans, en se basant sur les conditions spécifiques au site plutôt que sur les hypothèses de catalogue. Il s'agit d'un exercice différent de celui des installations solaires sur toiture, et la plupart des recommandations publiées sont rédigées pour ce type d'installations.

Cet article aborde les changements qui interviennent à l'échelle industrielle, explique pourquoi la dynamique des suiveurs solaires rend caduques les calculs de charge statiques, décrit comment sont évaluées les structures de soutien des éoliennes et identifie les points où les capacités d'ingénierie constituent généralement le goulot d'étranglement des programmes « zéro émission nette ». Les services d'ingénierie de conception mécanique de Monarch Innovation couvrent ce travail axé sur la simulation, tant pour les structures de montage solaires que pour la conception des composants éoliens.

Les installations solaires et éoliennes à grande échelle présentent des défaillances pour trois raisons principales : un comportement dynamique induit par le vent que les pressions prévues par les normes statiques ne prennent pas en compte, des fondations dimensionnées sur la base d’hypothèses génériques concernant le sol plutôt que sur les données géotechniques spécifiques au site, et la fatigue accumulée au fil de décennies de charges cycliques. La conception basée sur la simulation permet de remédier à ces trois problèmes avant même que l’acier ne soit commandé.

01En bref

02Ce que recouvre l'ingénierie structurelle des panneaux solaires à grande échelle

À l'échelle industrielle, l'étendue des travaux structurels va bien au-delà d'une simple vérification de la capacité de charge d'une toiture existante. Elle comprend généralement :

• Structure de montage et de suivi. Dimensionnement des tubes de couple, des pannes, des fixations de modules, des roulements et de l'interface d'entraînement pour les suiveurs mono-axiaux, ou géométrie du châssis pour les parcs solaires à inclinaison fixe.
• Conception des poteaux et des fondations. Pieux battus, pieux hélicoïdaux, vis de terre ou semelles en béton, dimensionnés en fonction de la capacité portante du sol, de la résistance latérale, de la profondeur de gel et de l'exposition à la corrosion.
• Détermination des charges. Charge permanente des modules et des structures de support, pressions du vent et forces de soulèvement, accumulation de neige et congères entre les rangées, sollicitations sismiques et mouvements thermiques sur les longues rangées.
• Stabilité et fonctionnalité. Limites de flèche garantissant l’intégrité du vitrage et des alvéoles, rigidité en torsion et comportement aux angles d’inclinaison en cas de vents extrêmes.
• Fatigue et durabilité. Contraintes cycliques au niveau des assemblages, spécifications relatives à la galvanisation et aux revêtements, et maintien de la précontrainte des boulons sur plusieurs décennies.

Chacun de ces facteurs a une conséquence commerciale directe. Un acier surdimensionné augmente le coût d’investissement sur des dizaines de milliers d’assemblages répétés. Un acier sous-dimensionné augmente le risque de réclamation. L’intérêt d’une bonne analyse réside dans la recherche du juste équilibre entre ces deux extrêmes ; c’est pourquoi, dans les projets d’énergies renouvelables bien gérés, l’ingénierie assistée par ordinateur et l’analyse par éléments finis interviennent plus tôt dans le calendrier que ne le pensent la plupart des équipes.

03Pourquoi les règles applicables aux installations solaires sur les toits ne s'appliquent pas aux parcs solaires à grande échelle

La plupart des résultats de recherche sur l'ingénierie structurelle solaire portent sur des projets de toitures : la capacité d'une toiture existante à supporter la charge supplémentaire, et les calculs que l'examinateur du permis souhaite voir. Ce travail est important, mais il répond à une autre question. Un parc photovoltaïque sur toiture est fixé à une structure conçue par quelqu'un d'autre. Un parc photovoltaïque à grande échelle constitue quant à lui la structure elle-même.

C'est justement cette dernière ligne que les développeurs ont tendance à sous-estimer. Une erreur sur un toit, ça reste un cas isolé. Une erreur à grande échelle, c'est une conception qui se reproduit sur l'ensemble du site avant même que quiconque ne s'en aperçoive.

04Le problème du vent : les calculs statiques ne tiennent pas compte de certains facteurs

Les suiveurs mono-axiaux présentent un comportement structurel que les supports à inclinaison fixe ne possèdent pas. Une longue rangée de modules montés sur un tube de torsion élancé constitue un corps non profilé flexible doté d’un seul degré de liberté dominant : la rotation en torsion. Sous l’effet d’un vent soutenu à certains angles d’inclinaison, les forces aérodynamiques peuvent injecter de l’énergie dans cette rotation plus rapidement que le système ne peut l’amortir. L’oscillation s’amplifie alors au lieu de s’atténuer.

Ce type de comportement est généralement qualifié de « galopage torsionnel » ou de « flottement torsionnel ». Il s'agit d'une instabilité aéroélastique dans laquelle le vent peut interagir avec le mouvement structurel, créant ainsi une oscillation croissante lorsque la géométrie, la rigidité, l'amortissement et les conditions de vent sont mal combinés. Des recherches publiées menées en soufflerie ont montré que cette instabilité est plus susceptible de se produire à proximité des positions d'arrimage à plat, où la résistance à la torsion du tube se tordant est à son minimum, et que la vitesse critique du vent varie considérablement en fonction de l'angle d'inclinaison.

Pourquoi les contraintes de code sont nécessaires mais non suffisantes

Les codes de construction tels que l’ASCE 7-22 aux États-Unis fournissent un cadre solide pour les pressions éoliennes, et leurs dispositions concernant les installations solaires en toiture sont explicites. Les coefficients de pression statique ne permettent pas de déterminer à quel moment la géométrie d’un suiveur solaire devient instable sur le plan dynamique. Ce seuil dépend de sa rigidité, de son inertie, de son amortissement et de ses conditions de fonctionnement. Deux suiveurs présentant des pressions identiques, calculées selon la norme, peuvent se comporter de manière très différente dès qu’ils commencent à se déplacer.

Comment les équipes d'ingénieurs le gèrent-elles ?

Quatre leviers sont disponibles, et la plupart des modèles en combinent plusieurs :

1. Rigidité en torsion. Des sections de tubes plus importantes ou des points d’entraînement supplémentaires augmentent la fréquence propre en torsion et rehaussent la vitesse critique du vent.
2. Amortissement. Les amortisseurs ajoutés dissipent de l'énergie à chaque cycle, ce qui constitue souvent le facteur déterminant pour les systèmes équipés d'un seul entraînement central.
3. Stratégie de rangement. Régler le parc éolien à un angle d'inclinaison offrant un meilleur comportement aérodynamique avant l'arrivée d'un épisode de vent, ce qui nécessite des prévisions et des commandes fiables.
4. Vérification. Essais aéroélastiques en soufflerie sur un modèle à échelle dynamique, appuyés par une simulation CFD afin d'étudier les effets liés à la géométrie et à la position des rangées avant de se lancer dans un programme d'essais physiques.

Les travaux de recherche rendus publics par le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) concernant la modélisation aéroélastique et la mesure des charges sur des suiveurs solaires à taille réelle constituent une référence utile pour les équipes qui souhaitent établir leurs propres bases de conception plutôt que de se fier entièrement à la fiche technique d'un fournisseur.

05Les fondations : là où il est le moins coûteux de remédier aux risques structurels

Les problèmes de fondations sur les sites solaires sont rarement inhabituels. Ils résultent généralement d’une conception fondée sur des hypothèses concernant les conditions du sol, appliquées à l’ensemble d’un site qui n’est pas homogène. La présence de roche dans une section, une faible capacité latérale dans un sol meuble dans une autre, et une composition chimique agressive du sol dans une troisième section : tous ces facteurs exercent des contraintes dans des directions différentes, et ces trois problèmes peuvent coexister sur un même site de 1 000 acres.

Mesures concrètes permettant de réduire ce risque :

• Demander une étude géotechnique comportant un nombre suffisant de points d'essai pour caractériser les variations, et pas seulement pour obtenir une moyenne du site.
• Effectuez dès le début les essais de charge sur les pieux, y compris les essais latéraux, car les poteaux des suiveurs solaires sont soumis à des moments et à des efforts latéraux, et non pas uniquement à des charges d'appui.
• Définissez dès le départ plusieurs types de fondations, afin que les zones inaptes ou fragiles puissent bénéficier d'une solution de remplacement approuvée plutôt que d'une improvisation sur le terrain.
• Définir la protection anticorrosion en fonction de la résistivité et de la composition chimique mesurées du sol, plutôt qu’en se basant sur une épaisseur de galvanisation par défaut.

Une modification apportée aux fondations pendant la phase de conception entraîne des heures supplémentaires de dessin. La même modification, effectuée pendant la construction, oblige les équipes chargées du battage des pieux à interrompre leurs travaux sur l'ensemble du chantier.

06Mécanique des structures des supports d'éoliennes

Les structures des éoliennes sont confrontées au même problème de fatigue que celles des installations solaires, mais leur géométrie est inversée. Une tour est un porte-à-faux haut et élancé supportant un rotor et une nacelle lourds, et les charges sont principalement dues à des sollicitations aérodynamiques cycliques sur une durée de vie nominale généralement estimée entre 20 et 25 ans.

Principaux aspects structurels à prendre en compte :

• Fatigue due à des conditions extrêmes. Pour de nombreux éléments de pylône et de fondation, ce sont les dommages de fatigue cumulés, plutôt qu’une seule rafale extrême, qui déterminent la section. Les cas de charge sont définis à partir de modèles de turbulence et de distributions de vitesse du vent, puis traités selon une méthode de cumul des dommages basée sur la courbe S-N.
• Séparation des fréquences. La première fréquence de flexion du mât doit être éloignée des fréquences d'excitation du rotor, généralement désignées par 1P et 3P pour une éolienne à trois pales. Un mât, même s’il est solide sur le plan structurel, mais mal réglé, subira tout de même des dommages rapidement.
• Vibrations induites par les tourbillons. Les sections de la tour peuvent osciller latéralement en cas d’instabilité du flux, y compris pendant le montage, avant même l’installation du rotor, ce qui constitue une période à risque bien connue.
• Interaction entre la fondation et le sol. La rigidité de la fondation influe directement sur le modèle structurel ; par conséquent, la tour et la fondation ne peuvent pas être conçues indépendamment l’une de l’autre.
• Normes. La norme CEI 61400-1 définit le cadre international des exigences de conception, auquel s'ajoutent les codes nationaux et les normes géotechniques spécifiques aux fondations.

La pratique d'ingénierie la plus importante dans ce domaine est la même que celle qui s'applique dans le secteur solaire. Il faut élaborer un modèle validé, simuler les cas de charge et traiter les résultats dans le cadre de l'analyse plutôt que sur le terrain.

07Qui a recours à l'ingénierie structurelle à grande échelle ?

Les services d'ingénierie structurelle à grande échelle sont couramment sollicités par les développeurs de projets solaires et éoliens, les maîtres d'œuvre EPC, les fabricants de suiveurs solaires, les équipementiers du secteur des énergies renouvelables, les équipes d'ingénierie indépendantes, les propriétaires d'actifs et les cabinets de conseil en ingénierie qui gèrent des projets à différentes étapes de conception.

08Quelle analyse répond à quelle question ?

Les équipes se demandent souvent de quel type de simulation elles ont réellement besoin. Un tableau de correspondance simple permet de cerner l'étendue du travail.

Le raccourci le plus courant consiste à ignorer les trois éléments du milieu, et c'est justement celui-ci qui donne lieu à des structures qui passent le contrôle de code mais qui présentent tout de même des dysfonctionnements en conditions réelles.

09Quelles sont les informations nécessaires à l'analyse structurelle d'une installation solaire ?

Une analyse structurelle fiable d'une installation solaire commence par la collecte de données spécifiques au projet. En fonction de l'ampleur du projet, l'équipe d'ingénieurs a généralement besoin :

• Emplacement du site et conditions de conception applicables
• Paramètres relatifs au vent, à la neige et aux séismes, le cas échéant
• Données issues des études géotechniques
• Dimensions, poids et caractéristiques de montage du module
• Géométrie à suivi solaire ou à inclinaison fixe
• Spécifications relatives aux matériaux et aux raccordements
• Concept de fondation et méthode de mise en place
• Conditions d'utilisation et de rangement
• Normes de conception applicables et exigences du projet

La qualité de ces données d'entrée influe directement sur la qualité du modèle structurel, des cas de charge et des choix de conception qui en découlent.

10Quand les capacités d'ingénierie deviennent un frein

La plupart des développeurs d'énergies renouvelables et des entreprises EPC ne manquent pas de discernement en matière de structure. Ce qui leur manque, ce sont les heures de travail. Un portefeuille de projets à différents stades d’avancement crée une courbe de demande que les équipes de calculs de structure internes ne peuvent pas satisfaire sans soit surdimensionner leurs effectifs entre deux projets, soit retarder la conception pendant les périodes de pointe. Le résultat est bien connu : les analyses sont accélérées, des hypothèses prudentes sont retenues pour gagner du temps, et la quantité d’acier utilisée augmente pour pallier l’incertitude.

Il s’agit là d’un problème de capacité qui peut être résolu, plutôt que d’un problème de connaissances, et c’est la raison pour laquelle une grande partie du travail de simulation et de mise au point technique est confiée à un partenaire d’ingénierie externe. Monarch Innovation intervient dans ce domaine à travers la conception mécanique, les simulations FEA et CFD, ainsi que la mise au point technique structurelle ; la conception de structures de montage pour le solaire et de composants éoliens figure parmi ses compétences en matière d’énergie et d’énergies renouvelables. En ce qui concerne les aspects liés aux installations, tels que les structures de sous-stations, le tracé des tranchées de câbles et l'agencement des équipements auxiliaires, ces travaux s’inscrivent dans le cadre des services d’ingénierie industrielle et d’installations, plutôt que dans un domaine distinct.

11Erreurs courantes concernant les installations d'énergie renouvelable à grande échelle

Voici une brève liste des schémas qui se répètent d'un projet à l'autre :

• Considérer la certification des fournisseurs comme une vérification du projet. Un suiveur certifié pour une région éolienne et un type de sol donnés n’est pas automatiquement certifié pour la vôtre.
• Conception basée uniquement sur des vents extrêmes. La fatigue, et non la rafale de référence, détermine une part importante des assemblages et des sections de pylône.
• En se basant sur un profil de sol moyen. Ce sont les variations locales, et non la moyenne, qui déterminent le risque lié aux fondations.
• Non-prise en compte des contraintes d'arrimage dans les fondements structurels. Si la conception structurelle repose sur l'atteinte d'un angle d'arrimage, la fiabilité du système d'entraînement et des prévisions devient une hypothèse structurelle.
• Il convient de procéder à l'optimisation technique après l'analyse, et non pendant celle-ci. Le fait de retirer de l'acier à un stade avancé, sans refaire les vérifications modales et dynamiques, modifie précisément les propriétés qui régissent la stabilité.
• Ne laisser aucune base de conception documentée. Lorsqu'un assureur ou un prêteur demande comment la structure a été vérifiée, une brochure du fournisseur constitue une réponse peu convaincante.

12Concevoir des actifs à zéro émission nette dont la durée de vie correspond à leur durée de vie nominale

Les objectifs de « zéro émission nette » sont généralement exprimés en mégawatts installés. Ce qui déterminera si ces mégawatts existeront encore en 2050 relève toutefois de considérations bien plus terre-à-terre : la rigidité en torsion, les détails de soudure, la capacité des pieux, l’épaisseur des revêtements et la qualité des analyses qui les sous-tendent. Les projets d'énergies renouvelables sont des ouvrages de génie civil et mécanique à longue durée de vie qui, par ailleurs, produisent de l'électricité ; or, les choix en matière d'ingénierie structurelle effectués au cours des premiers mois de conception déterminent le profil d'entretien et de risque pour les trois décennies à venir.

Si votre équipe travaille actuellement à la définition du périmètre d’un projet solaire ou éolien à grande échelle et a besoin d’une analyse structurelle, d’un accompagnement en analyse par éléments finis (FEA) et en dynamique des fluides computationnelle (CFD), ou encore de la conception détaillée des structures de montage sans augmenter ses effectifs permanents, contactez Monarch Innovation pour discuter du périmètre du projet et de l’accompagnement technique le mieux adapté.

13Consultez nos experts en ingénierie structurelle pour votre prochain projet dans le domaine des énergies renouvelables

Vous envisagez de réaliser un parc solaire à grande échelle, une étude de conception de suiveurs solaires ou une analyse des composants éoliens ? Contactez Monarch Innovation pour discuter avec notre équipe d'ingénieurs de vos besoins en matière d'analyse structurelle, d'analyse par éléments finis (FEA), de simulation de flux de fluides (CFD) et de conception de structures de montage.

14Foire aux questions

En quoi consiste l'ingénierie structurelle pour les panneaux solaires à grande échelle ?

À l'échelle industrielle, l'ingénierie structurelle des panneaux solaires porte sur les structures de support ou de suivi, les tubes de couple, les poteaux et les fondations sur pieux. Les ingénieurs calculent les charges permanentes, les charges dues au vent, à la neige et aux séismes, vérifient les flèches et la résistance à la fatigue, s'assurent de la stabilité aux angles de rangement et dimensionnent les fondations en fonction des données géotechniques du site. Ce même modèle permet ensuite de déterminer la quantité d'acier réellement nécessaire au projet.

Qu'est-ce que le « galopage torsionnel » dans un suiveur solaire ?

Le galop de torsion est une instabilité aéroélastique dans laquelle le vent apporte de l'énergie au mouvement de torsion d'une rangée de capteurs à un rythme plus rapide que la structure ne peut l'amortir, de sorte que l'oscillation s'amplifie au lieu de s'atténuer. Ce phénomène se produit le plus souvent à des angles de rangement proches de l'horizontale, où la résistance à la torsion est la plus faible, et peut entraîner un désalignement ou la défaillance de composants.

Les projets solaires à grande échelle nécessitent-ils des essais en soufflerie ?

C'est généralement le cas pour la conception des suiveurs solaires. Les coefficients de pression dérivés du code fournissent des charges statiques, mais ne permettent pas de prédire la vitesse du vent à partir de laquelle une géométrie donnée devient instable sur le plan dynamique. Les essais aéroélastiques en soufflerie sur un modèle à échelle dynamique, complétés par des études CFD portant sur les effets de rangée et de relief, constituent une méthode bien établie pour évaluer cette limite.

À quel moment faut-il entamer l'analyse structurelle d'un projet solaire à grande échelle ?

L'analyse structurelle doit être lancée dès le début du projet, tant que les concepts relatifs au suiveur solaire, à la structure de montage et aux fondations peuvent encore être modifiés. Une analyse précoce permet aux équipes d'évaluer la rigidité, les chemins de charge, les hypothèses relatives aux fondations et le comportement dynamique avant que la conception ne soit finalisée ou que la phase d'approvisionnement ne commence. Les modifications apportées après la commande de l'acier coûtent bien plus cher que les heures d'analyse qu'elles auraient nécessité si elles avaient été effectuées plus tôt.

En quoi la conception structurelle des éoliennes diffère-t-elle de celle des installations solaires ?

Les tours d'éoliennes sont de hautes structures en porte-à-faux supportant un rotor lourd ; leur conception est donc généralement dictée par la fatigue due aux charges cycliques et par la séparation de fréquences provoquée par l'excitation du rotor. Les structures solaires, quant à elles, sont des assemblages de faible hauteur et hautement répétitifs, pour lesquels le risque structurel est plutôt dominé par la dynamique éolienne à l'échelle du parc et par la performance des fondations sur des sols à caractéristiques variables.

Quelles sont les normes applicables à la conception structurelle des installations d'énergie renouvelable ?

Aux États-Unis, la norme ASCE 7 et le Code international du bâtiment (IBC) définissent le cadre réglementaire relatif aux charges dues au vent, à la neige et aux séismes pour les structures solaires, tandis que les normes géotechniques régissent les fondations. La conception des éoliennes suit la série de normes CEI 61400, principalement la norme CEI 61400-1 pour les exigences de conception, ainsi que les normes nationales relatives aux structures et aux fondations.

L'analyse par éléments finis (FEA) peut-elle remplacer les essais physiques pour les structures de fixation de panneaux solaires ?

Pas tout à fait. L’analyse par éléments finis est indispensable pour l’évaluation des contraintes, des déformations, des modes de vibration et de la fatigue ; elle permet d’éliminer la plupart des erreurs de conception avant la fabrication. Le comportement aéroélastique et la capacité portante des pieux dans un sol réel doivent encore faire l’objet d’une vérification physique par le biais d’essais en soufflerie et d’essais de charge sur site afin d’établir une base de conception solide.

Comment réduire le coût de l'acier sans compromettre la résistance d'une structure solaire ?

En remplaçant les hypothèses prudentes par une analyse. Les données éoliennes et géotechniques spécifiques au site, les vérifications modales et dynamiques, ainsi que l’optimisation des dimensions des sections sur l’ensemble de l’assemblage permettent généralement de réaliser des économies supérieures à celles obtenues par une ingénierie de la valeur en phase avancée, et ce sans modifier les propriétés de rigidité et d’amortissement qui régissent la stabilité.

Peut-on externaliser les travaux d'ingénierie structurelle liés aux projets d'énergies renouvelables ?

En effet, les promoteurs, les entreprises de conception-réalisation-entretien (EPC), les équipementiers (OEM) et les bureaux d’études font régulièrement appel à des équipes externes pour les analyses structurelles, l’analyse par éléments finis (FEA), la dynamique des fluides computationnelle (CFD), l’évaluation de la fatigue et la mise au point des détails structurels, notamment lorsque les exigences du projet dépassent les capacités internes ou qu’une expertise spécifique en simulation est requise pour une phase donnée. La responsabilité des principes de conception et des décisions techniques finales incombe généralement à l’équipe de projet.