Boulons photovoltaïques : types, matériaux et guide de sélection

Boulons photovoltaïques sont les fixations qui fixent les panneaux solaires, les rails de montage, les cadres de rayonnage et les ancrages au sol dans un système photovoltaïque complet et structurellement solide. Ce ne sont pas des boulons génériques de quincaillerie. L'environnement extérieur dans lequel une installation solaire fonctionne (rayonnement UV, cycles thermiques de -40°C à 85°C, brouillard salin côtier ou pollution industrielle) impose des exigences en matière de fixations auxquelles l'acier au carbone ordinaire ne peut pas répondre sur une durée de vie du système de 25 à 30 ans.

Le choix d'une qualité ou d'un matériau de boulon inapproprié peut entraîner une corrosion galvanique, un desserrage sous l'effet du vent ou une défaillance structurelle qui annule les garanties de l'équipement et crée des risques pour la sécurité. Ce guide couvre les types, les matériaux, les normes, les exigences de couple et les critères de sélection les plus importants dans les installations photovoltaïques réelles.

Où les boulons photovoltaïques sont utilisés dans un système solaire

Un système photovoltaïque typique monté sur un toit ou au sol utilise des fixations au niveau de plusieurs joints structurels, chacun avec des exigences de charge et des conditions d'exposition différentes :

• Boulons de serrage du panneau : Fixez les pinces centrales et les pinces d'extrémité qui maintiennent le cadre du panneau au rail de montage. Ceux-ci connaissent les cycles thermiques les plus fréquents, car les températures des panneaux fluctuent quotidiennement.
• Éclisse de rail et boulons rail-support : Connectez les sections de rail et fixez les rails aux supports de montage sur le toit ou aux poteaux de terre. Critique pour transférer le soulèvement du vent et les charges de neige à travers la structure.
• Tire-fonds de pénétration dans le toit : Ancrez les supports de solin ou les pieds de ballast aux chevrons du toit. Exiger de l’acier inoxydable pour éviter les taches de rouille et la corrosion à l’intérieur de la structure du toit.
• Boulons d'ancrage pour montage au sol : Fixez les pieux battus, les ancrages hélicoïdaux ou les semelles en béton au cadre du rayonnage. Souvent les plus grandes fixations du système — M16 à M24 dans les installations à grande échelle.
• Boulons de montage de l’onduleur et du boîtier de combinaison : Fixez les boîtiers électriques aux murs ou aux cadres. Exiger une isolation électrique dans certaines configurations pour éviter les courants vagabonds.
• Matériel de mise à la terre : Boulons à bride dentelée ou clips de mise à la terre qui percent la surface anodisée des rails en aluminium pour établir la continuité électrique.

Types de boulons couramment utilisés dans les systèmes de rayonnage photovoltaïque

Les fabricants de rayonnages photovoltaïques conçoivent leurs systèmes autour de géométries de boulons spécifiques qui permettent une installation rapide et un serrage fiable sans serrer trop les profilés en aluminium minces. Les types les plus courants sont :

Sélection des matériaux : pourquoi l'acier inoxydable domine les fixations photovoltaïques

La décision matérielle la plus importante pour les boulons photovoltaïques est la résistance à la corrosion. Les systèmes solaires sont conçus pour Durée de vie opérationnelle de 25 à 30 ans , et les fixations doivent survivre toute cette période sans desserrage, grippage ou dégradation structurelle induit par la rouille.

Acier inoxydable A2 (304) contre A4 (316)

La plupart des systèmes de rayonnage photovoltaïque spécifient des boulons en acier inoxydable A2 ou A4. La différence pratique réside dans la teneur en molybdène : L'acier inoxydable A4 (316) contient 2 à 3 % de molybdène , qui améliore considérablement la résistance à la corrosion par piqûre induite par les chlorures – le mode de défaillance spécifique aux environnements côtiers et marins. A2 (304) convient aux installations intérieures ; A4 (316) doit être utilisé dans les 1 à 5 km de littoral ou dans les zones industrielles avec des chlorures en suspension dans l'air.

Acier galvanisé à chaud (HDG) pour montage au sol

Les grandes installations au sol – en particulier les parcs solaires à grande échelle – utilisent souvent des boulons structurels galvanisés à chaud (HDG) pour les boulons d'ancrage et les connexions du cadre principal. Épaisseur du revêtement HDG de 85 µm ou plus (selon ASTM A153 ou ISO 1461) offre 30 à 50 ans de protection contre la corrosion dans la plupart des environnements de sol à un coût nettement inférieur à celui du matériel entièrement en acier inoxydable à grande échelle. Le HDG n'est pas recommandé en cas de contact direct avec des rayonnages en aluminium, en raison du risque de corrosion galvanique.

Corrosion galvanique : le risque caché aux interfaces aluminium-acier

Pratiquement tous les rails de rayonnage photovoltaïque sont en aluminium extrudé (6005-T5 ou 6061-T6). Lorsque les boulons en acier inoxydable entrent en contact avec l'aluminium dans un environnement humide, une cellule galvanique se forme. L'acier inoxydable et l'aluminium sont espacés de 0,25 à 0,50 V sur la série galvanique — suffisamment proches pour que les boulons A2/A4 soient généralement considérés comme acceptables dans cette paire. Cependant, les boulons en acier au carbone ou HDG en contact direct avec l'aluminium posent problème : la différence de potentiel accélère la corrosion de l'aluminium au niveau du joint. Utilisez toujours du matériel en acier inoxydable ou compatible avec l'aluminium aux interfaces aluminium-fixation.

Exigences de qualité et de résistance des boulons pour les applications photovoltaïques

Les boulons photovoltaïques doivent résister à des charges soutenues de soulèvement du vent, de neige et de forces sismiques pendant des décennies. La résistance des boulons est définie par classe de propriété (métrique) ou grade (pouces) :

Pour la plupart des systèmes de toiture résidentiels et commerciaux, L'acier inoxydable A2-70 est la spécification standard . La mise à niveau vers A4-80 est recommandée pour les sites côtiers, les zones à vent fort (vitesse du vent ASCE 7 ≥ 130 mph) ou toute installation où les calculs structurels de l'ingénieur en rayonnage nécessitent une précharge de boulons plus élevée.

Spécifications de couple pour les boulons photovoltaïques : pourquoi un serrage excessif est aussi dangereux qu'un serrage insuffisant

Les spécifications de couple pour les boulons photovoltaïques sont plus strictes que ce à quoi s’attendent la plupart des installateurs. Les extrusions d'aluminium utilisées dans les rayonnages solaires sont relativement molles - L'aluminium 6005-T5 a une limite d'élasticité de seulement 240 MPa contre 700 MPa pour les boulons en acier inoxydable qui s'y enfilent. Un serrage excessif dénude les filetages de l'écrou en aluminium ou du canal du rail, nécessitant le remplacement de toute la section du rail.

Un serrage insuffisant laisse l'articulation insuffisamment préchargée, permettant un mouvement sous l'effet des vibrations du vent qui provoquent une fatigue de frottement et un desserrage progressif. Valeurs de couple typiques spécifiées par le fabricant pour les tailles de boulons PV courantes :

Utilisez toujours une clé dynamométrique calibrée pour le serrage final. Les tournevis à percussion réglés au couple maximum ne sont pas acceptables pour les boulons de serrage des panneaux photovoltaïques : ils dépassent régulièrement les limites du fabricant. De nombreux fabricants de rayonnages spécifient des valeurs de couple à sec (sans lubrifiant) ; Si un antigrippant ou un lubrifiant pour filetage est appliqué, réduisez le couple d'environ 20 à 25 % pour obtenir la même force de serrage.

Caractéristiques anti-desserrage : empêche le desserrage des boulons sur 25 ans

Les installations solaires subissent des vibrations continues de faible amplitude dues au vent et à la dilatation et à la contraction thermique quotidiennes des rails en aluminium (l'aluminium se dilate à 23,6 µm/m·°C — un tronçon de rail de 6 mètres grandit et rétrécit d'environ 12 mm entre une nuit d'hiver de −10°C et une température de surface de panneau d'été de 60°C). Ce mouvement peut faire reculer progressivement les boulons dépourvus de dispositifs anti-desserrage.

Les solutions anti-desserrage couramment utilisées dans les systèmes photovoltaïques comprennent :

• Contre-écrous à insert en nylon (Nyloc) : La solution la plus largement utilisée dans le domaine du photovoltaïque sur les toits. Le collier en nylon adhère au filetage du boulon et résiste à la rotation. Efficace jusqu'à environ 100 °C — vérifiez l'adéquation si les boîtiers de boîtes de jonction créent une chaleur localisée.
• Écrous et boulons à bride dentelée : Les dentelures mordent dans la surface de contact et résistent mécaniquement à la rotation. Utilisé pour les liaisons de mise à la terre et les joints structurels où la dureté de la surface permet aux dentelures de s'engager correctement.
• Rondelles de blocage à ressort : Généralement considérés comme moins fiables que les écrous Nyloc sous charge dynamique selon les tests de vibration DIN 65151 — à utiliser uniquement lorsque cela est spécifié par le fabricant du rayonnage.
• Adhésif frein-filet (Loctite 243 ou équivalent) : Efficace pour les boulons de petit diamètre dans les endroits à faibles vibrations. Pas pratique pour les connexions sur site qui peuvent nécessiter un resserrage futur ou un repositionnement du panneau.
• Configuration à deux écrous (contre-écrou) : Utilisé sur les pieds de réglage au sol où la résistance aux vibrations et le réglage sur site sont tous deux requis.

Normes et certifications relatives aux boulons photovoltaïques

Les certifications des systèmes photovoltaïques et les permis de construction exigent de plus en plus que les fixations répondent aux normes documentées en matière de matériaux et de dimensions. Les normes les plus référencées sont :

• OIN 3506 : La principale norme internationale régissant les propriétés mécaniques des fixations en acier inoxydable. Spécifie les classes de propriétés A2-70, A2-80, A4-70 et A4-80. Les certificats de conformité faisant référence à la norme ISO 3506 sont exigés par de nombreux entrepreneurs EPC à l'échelle des services publics.
• ASTM F593/F594 : Équivalent américain pour les boulons et écrous en acier inoxydable. Requis pour les projets relevant des codes du bâtiment américains où le matériel métrique ISO n'est pas spécifié.
• ASTM A307 / A325 / A490 : Régit les boulons structurels en acier au carbone et allié utilisés dans les structures en acier HDG montées au sol.
• ISO 1461 / ASTM A153 : Spécifiez l’épaisseur minimale du revêtement pour les fixations galvanisées à chaud – essentielle pour vérifier la durée de vie contre la corrosion des boulons d’ancrage HDG.
• CEI 61215 / CEI 61730 : Bien qu'il s'agisse de normes de modules, elles régissent indirectement le matériel de montage en spécifiant les conditions de charge mécanique (vent, neige, grêle) auxquelles les rayonnages et les fixations doivent être conçus pour résister.

Pour les installations nécessitant un permis, demandez des rapports d'essais de matériaux (MTR) ou des certificats de conformité auprès des fournisseurs de boulons qui font référence à ces normes. Les fixations contrefaites ou de qualité inférieure étiquetées avec de fausses classes de propriété constituent un problème documenté. dans les chaînes d'approvisionnement à faible coût : une vérification par un tiers de la composition chimique et de la dureté est recommandée pour les grands projets qui s'approvisionnent en matériel en dehors des canaux de distribution établis.

Liste de contrôle pratique pour la sélection des boulons photovoltaïques

Utilisez la liste de contrôle suivante lors de la spécification ou de l'achat de fixations pour un projet photovoltaïque :

1. Confirmez le type de boulon requis par le manuel d'installation du fabricant du rayonnage (tête en T, tête hexagonale, boulon de carrosserie ou tire-fond) et ne remplacez pas différents styles de tête sans l'approbation de l'ingénierie.
2. Sélectionnez Acier inoxydable A4-316 pour les environnements côtiers, marins ou à forte humidité ; L’acier inoxydable A2-304 est acceptable pour les climats secs de l’intérieur des terres.
3. Préciser Classe de propriété minimale A2-70 ou A4-70 pour les systèmes de toiture standard ; mise à niveau vers A4-80 pour les sites soumis à des vents violents ou à de fortes charges de neige selon les calculs structurels.
4. Assurez-vous que tous les écrous et rondelles sont de la même qualité inoxydable que le boulon : le mélange de boulons A2 avec des écrous en acier au carbone crée un couple galvanique qui accélère la corrosion des écrous.
5. Vérifiez les dispositions anti-desserrage : écrous nyloc pour les pinces de panneaux et la plupart des connexions ferroviaires ; matériel à bride dentelée où la continuité de la mise à la terre est requise.
6. Obtenez et déposez des certificats de conformité (ISO 3506 ou équivalent ASTM) avec la documentation du projet à des fins de permis et de garantie.
7. Utilisez une clé dynamométrique (et non une visseuse à percussion) pour le serrage final et enregistrez les valeurs de couple dans le rapport de mise en service pour toute référence future d'inspection O&M.