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Dispositif | Installations photovoltaïques en toitures plates et inclinées

Installations photovoltaïques en toitures plates et inclinées

© Yvan Glavie

Une toiture plate ou inclinée, offre une belle opportunité pour l'installation de panneaux photovoltaïques surimposés. Néanmoins, certaines précautions sont nécessaires et, selon la typologie de la toiture, plusieurs solutions s'offrent au porteur de projet.

Qu'est-ce qu'une installation photovoltaïque surimposée ?

L'installation surimposée se fait sur un toit plat ou incliné et son montage ne nécessite aucune soustraction des éléments de la toiture. Les panneaux solaires sont directement posés dessus, par l'intermédiaire de supports. La toiture conserve donc ses différentes fonction (étanchéité, protection, etc.). 

Les montages en intégration ou semi-intégration sont quant à eux abordés dans le dispositif | BIPV.

Batex 213

© Bernard Boccara

Batex 157

© Bernard Boccara

Quels sont les différents systèmes possibles pour une installation photovoltaïque surimposée en toiture plate ?

Console

Les panneaux sont placés sur des consoles préfabriquées, en matériau synthétique (PEHD) remplis de graviers ou blocs de béton, afin d'obtenir un lestage adéquat.

Dans ce système modulaire et simple à mettre en œuvre, les panneaux sont inclinés de l'angle de la console. Le désavantage est de ne pas offrir de flexibilité quant à l'inclinaison et de devoir mettre un lestage important dans chaque console.

Panneaux photovoltaïques sur console en  toiture plate

Panneaux photovoltaïques sur console en  toiture plate

Bâtiment Exemplaire Quai du Hainaut © Yvan Glavie

Principe du lestage d'une console

Structure portante en métal

Les panneaux sont montés sur une structure métallique, elle-même fixée à un système de lestage (souvent des blocs de béton).  Ce type de support est généralement peu coûteux et préfabriqué en atelier ce qui permet une mise en œuvre aisée. Les différentes rangées sont souvent solidarisées entre elles pour permettre de réduire le lestage et l'impact sur la structure du bâtiment. Les panneaux sont généralement inclinés pour obtenir de meilleurs rendements, mais peuvent aussi être superposées à l'horizontale.

Dans le cas de grandes installations, certaines structures sans lestage peuvent même être utilisées. C'est la structure et les panneaux qui fournissent alors le lestage suffisant pour éviter tout mouvement des panneaux en cas de tempête.

Structure portante avec lestage pour différentes petites installations photovoltaïques

Structure portante avec lestage pour différentes petites installations photovoltaïques

© Bernard Boccara

Structure portante avec lestage pour différentes petites installations photovoltaïques

© Yvan Glavie

Structure portante avec lestage pour différentes petites installations photovoltaïques

© Yvan Glavie

Structure portante sans lestage pour 400m² de panneaux photovoltaïques

Structure portante sans lestage pour 400m² de panneaux photovoltaïques

Bâtiment Exemplaire Bains de Laeken © Bernard Boccara

Structure portante sans lestage pour 400m² de panneaux photovoltaïques

Bâtiment Exemplaire Bains de Laeken © Bernard Boccara

Structure portante sans lestage pour 400m² de panneaux photovoltaïques

Bâtiment Exemplaire Bains de Laeken © Bernard Boccara

Structure portante fixée à la structure du bâtiment

La structure portante est arrimée à la toiture de manière à assurer la fixation des panneaux sans utiliser de lestage, ce qui évite de surcharger la structure du bâtiment. Ce type d'installation nécessite une étanchéité parfaite du revêtement de toiture au droit des fixations, afin d'éviter des problèmes d'infiltration d'eau.

Panneaux photovoltaïques sur structure portante fixée à la structure du bâtiment

Panneaux photovoltaïques sur structure portante fixée à la structure du bâtiment

Bâtiment Exemplaire Sans soucis © Yvan Glavie

Panneaux photovoltaïques sur structure portante fixée à la structure du bâtiment

Bâtiment Exemplaire Sans soucis © Yvan Glavie

Structure hybride : lestage + fixation

Il existe également des solutions hybrides qui offrent un compromis entre les solutions de lestage et de fixation. Elles permettent un minimum de lestage avec un minimum de points de fixations et s'adaptent ainsi aux caractéristiques de portance de la toiture.

Panneaux souples en couches minces

Les panneaux souples en couches minces (silicium amorphe) peuvent être directement collés sur la surface de la toiture. Cette technologie peut être mise en œuvre sur des toitures plates ayant quelques degrés d'inclinaison pour permettre l'autonettoyage des panneaux par les eaux de pluie.

Cette solution présente l'avantage de ne pas avoir recourt à une structure portante ainsi qu'à un lestage et ne génère aucun ombrage sur les rangées de panneaux avoisinantes. Néanmoins la technologie amorphe est beaucoup moins performante que celle des cellules au silicium monocristallin ou polycristallin.

Page | Choix de la technologie photovoltaïque comparant les différentes technologies photovoltaïques

Système constitué de modules en couches minces collés sur la membrane d'étanchéité de la toiture

Système constitué de modules en couches minces collés sur la membrane d’étanchéité de la toiture

© Fieldsken Ken Fields / wikimedia.org

Comparaison des différents systèmes

Tableau comparatif des différents systèmes photovoltaïques surimposés en toiture plate

Charge surfacique

[kg/m² surface de toiture]

Inclinaison des panneaux

[°]

Consoles ou structure portante avec lestage> 80[15 ; 40]
Structure portante fixée à la structure du bâtiment (sans lestage)> 40[15 ; 40]
Panneaux souples en couches minces10 <[0 ; 10]

Ces chiffres sont indicatifs, la surcharge devant être prévue sur la structure du bâtiment étant à analyser au cas par cas (type de panneaux, structure portante, influence du vent, etc.).

Quels sont les différents systèmes possibles pour une installation photovoltaïque surimposée en toiture inclinée ?

Principe de fixation

Les panneaux photovoltaïques sont fixés à des rails fixés eux-mêmes à la charpente par l'intermédiaire de crochets. L'ensemble des matériaux de fixation est souvent fournis avec les panneaux sous forme de kit incluant la visserie. L'ensemble étant généralement en matériaux inoxydables ou en aluminium. Seuls les crochets diffèrent selon le type de couverture (tuiles, ardoises, ou encore zinc). La structure doit aussi comprendre le système de canalisation des câbles électriques ainsi que tous les accessoires associés.

Principe de fixation

NIT 263 © CSTC

Fixation des crochets

Les crochets peuvent être fixés directement dans la charpente, ou dans des éléments intermédiaires tels que des voliges ou profilés métalliques pour permettre une répartition des charges.

Fixation dans la charpente

Fixation dans la charpente

NIT 263 © CSTC

Fixation dans une volige

Fixation dans une volige

NIT 263 © CSTC

Fixation dans un profilé métallique

Fixation dans un profilé métallique

NIT 263 © CSTC

Adaptation des tuiles

L'installation des panneaux nécessite aussi l'adaptation des tuiles, pour éviter que le crochet ne rentre en contact avec ces dernières. L'utilisation de tuiles métalliques peut aussi être envisagé.

Adaptation d'une tuile au passage d'un crochet

Adaptation d’une tuile au passage d’un crochet

NIT 263 © CSTC

Adaptation d’une tuile au passage d’un crochet

NIT 263 © CSTC

Adaptation d’une tuile au passage d’un crochet

NIT 263 © CSTC

Autres systèmes de fixation

  • Couvertures en zinc à joints debout: découpe d'une feuille métallique permettant la fixation dans les voliges ou la charpente ou usage de pinces venant se fixer sur la saillie des joints debout ;
  • toiture en plaques ondulées ou en tôles profilées : les rails peuvent être fixés dans la charpente à l'aide de goujons ;
  • Toiture sarking : l'accès à la charpente étant rendue plus compliquée à cause de la couche d'isolant, la fixation des crochets se fait dans les contre-lattes supportant la couverture de toiture ou par l'intermédiaire d'une volige fixée dans ces contre-lattes ;

Exemples d'installation

Avant et après le placement des panneaux

Avant et après le placement des panneaux

© Bernard Boccara

Avant et après le placement des panneaux

© Bernard Boccara

Avant et après le placement des panneaux

© Yvan Glavie

Avant et après le placement des panneaux

© Yvan Glavie

Est-ce que toiture verte et installation photovoltaïque surimposée sont compatibles ?

La combinaison d'une toiture verte et de panneaux solaires offre les avantages suivants :

  • réduction de la température des panneaux favorable à la production photovoltaïque (plus la température des cellules est élevée, plus la production diminue). Ce point est abordé dans le paragraphe | Température atteinte par les cellules photovoltaïques;
  • dépose des systèmes photovoltaïques directement sur la toiture verte sans risque de déchirer la membrane d'étanchéité à l'eau ;
  • améliore la protection des gaines électriques lorsque ces dernières sont intégrées dans le substrat ;
  • ombrage bénéfique à certaines plantations durant la période estivale (particulièrement pour les faibles épaisseurs de substrat sujets au risque de sécheresse) ;
  • substrat pouvant jouer le rôle de lestage des panneaux ;
  • favorable à la récupération de l'eau de pluie. Une zone de gravier au pied des panneaux permet l'entretien des avaloirs et le drainage des eaux, tout en limitant la coloration des eaux récupérées et en limitant l'impact du ruissellement sur la toiture verte.

    Installation favorisant la récupération d'eau de pluie en toiture plate

De plus l'utilisation d'une toiture verte présente une série d'autres avantages tels que :

  • amélioration de la biodiversité ;
  • meilleure gestion de l'eau de pluie ;
  • limitation des surchauffes dans le bâtiment ;
  • amélioration du micro-climat urbain (surchauffes, qualité de l'air, acoustique…).

Plus d'information dans : Dossier | Réaliser des toitures vertes

Attention

On veille néanmoins à sélectionner des espèces de plantations non grimpantes

Installations photovoltaïques surimposées et toiture verte

Installations photovoltaïques surimposées et toiture verte

Batex 183 © Bernard Boccara

Installations photovoltaïques surimposées et toiture verte

Batex 194 © Bernard Boccara

Installations photovoltaïques surimposées et toiture verte

Batex 217 © Bernard Boccara

Quels sont les points d'attention pour la mise en œuvre d'une installation photovoltaïque surimposée ?

Points d'attention valables pour les toitures plates et les toitures inclinées

  • Matériaux: Les matériaux de l'installation photovoltaïque sont choisis pour résister :

    • aux rayonnements solaire, notamment aux ultraviolets ;aux agressions mécaniques (rongeurs, oiseaux, frottements, etc.), pour cela les matériaux synthétiques peuvent être protégés par une enveloppe plus résistante ;
    • à la corrosion :

      • en présence d'eau et d'éléments aggravants (bord de mer, industries, etc.) ;
      • de type galvanique (métaux de potentiel électrochimique différent) ;
  • remplacement d'un panneau : il est utile, dès la conception de l'installation, de vérifier que les panneaux peuvent être remplacés individuellement, sans devoir enlever une série de panneaux ;
  • câbles électriques: Les câbles et les accessoires (connecteurs, boîtes de jonction, etc.) doivent être sélectionnés selon leur exposition potentielle aux conditions extérieures (intempéries, ozone, radiation, UV, température ambiante, feu, etc.) et doivent respecter les normes IEC (norme IEC 60529 pour le degré de protection IP, etc.) et les prescriptions locales (RGIE, etc.).
  • percement: le percement de la toiture pour le passage des câbles ou de la structure portante doit se faire selon les règles de l'art (étanchéité à l'eau, pont thermique) *** lien dispo pont thermique ***

Percement de l'étanchéité en toiture plate

Percement de l’étanchéité en toiture plate

NIT 244 © CSTC

Percement de l'étanchéité en toiture inclinée

Percement de l’étanchéité en toiture inclinée

NIT 263 © CSTC

Points d'attention spécifiques aux toitures plates

  • lestage : il est important d'avoir recourt au lestage et aux profilés (robustesse, contreventement, etc.) adéquats, pour permettre de résister aux conditions de vents extrêmes (ayant un impact sur le soulèvement, glissement et retournement des panneaux), sans compromettre la structure de la toiture ;la charge admissible par une toiture existante dépend généralement de l'affectation du bâtiment et de l'accessibilité de la toiture.

    Les toitures sont généralement dimensionnées pour des charges d'exploitation suivantes (hors charges ponctuelles) :

    • +/-80kg/m² pour des toitures inaccessibles ;
    • +/-250kg/m² pour des toitures accessibles en résidentiel ;
    • +/-300kg/m² pour des toitures accessibles en tertiaire ;

    plusieurs solutions permettent de réduire le lestage :

    • solidarisation des panneaux entre eux,
    • Fixation des panneaux à la structure du bâtiment,
    • diminution de l'inclinaison des panneaux pour réduire la prise au vent ;
  • accessibilité: un accès à la toiture et un espace entre rangées de panneaux est nécessaire pour permettre leur maintenance ;
  • dilatation: ajouter une protection entre la structure portante et la membrane d'étanchéité de la toiture, dans le cas des structures portantes en métal. Cette dernière permet la dilatation thermique de l'ensemble de la structure portante sans endommager l'étanchéité de la toiture. Elle est attachée soit à l'étanchéité de toiture soit au lestage et devra être compatible chimiquement à l'étanchéité. De plus réduire la longueur des éléments employés permet d'atténuer le phénomène de dilatation.

Couche protectrice en matière synthétique entre la structure portante et la membrane d'étanchéité de la toiture

Couche protectrice en matière synthétique entre la structure portante et la membrane d’étanchéité de la toiture

© Bernard Boccara

Points d'attention spécifiques aux toitures inclinées

  • Etat de la toiture

    La durée de vie d'une installation photovoltaïque est de 25 ans minimum, en conséquence la toiture doit pouvoir supporter l'installation pendant ce temps-là. Si l'état de la toiture nécessite un remplacement endéans les 5 ans, il est plus intéressant d'envisager une réfection globale de celle-ci, en envisageant une isolation, le placement de velux, de panneaux photovoltaïques intégrés (BIPV) , etc. 

  • ventilation

    L'espace entre l'arrière des panneaux et la toiture doit être suffisant afin de faciliter le flux d'air et donc le refroidissement des panneaux, propice à un meilleur rendement.

    Plus d'information sur l'impact de la température sur le rendement photovoltaïque à la page | Analyser le potentiel de production photovoltaïque

Exemples d'installations photovoltaïques surimposées

Exemples d’installations photovoltaïques surimposées

Bâtiment Exemplaire Bains de Laeken (Batex 145) © Bernard Boccara

Exemples d’installations photovoltaïques surimposées

Bâtiment Exemplaire Bains de Laeken (Batex 145) © Bernard Boccara

Exemples d’installations photovoltaïques surimposées

Bâtiment Exemplaire Bains de Laeken (Batex 145) © Bernard Boccara

Exemples d’installations photovoltaïques surimposées

Bâtiment Exemplaire Rue de la Sémence (Batex 185) © Bernard Boccara

Exemples d’installations photovoltaïques surimposées

Bâtiment Exemplaire Rue de la Sémence (Batex 185) © Bernard Boccara

Exemples d’installations photovoltaïques surimposées

Bâtiment Exemplaire Rue de la Sémence (Batex 185) © Bernard Boccara

Exemples d’installations photovoltaïques surimposées

Bâtiment Exemplaire Rue du collège (Batex 228) © Bernard Boccara

Exemples d’installations photovoltaïques surimposées

Bâtiment Exemplaire Rue du collège (Batex 228) © Bernard Boccara

Exemples d’installations photovoltaïques surimposées

Bâtiment Exemplaire Rue du collège (Batex 228) © Bernard Boccara

Aller plus loin

Dans le Guide

Les  questions suivantes en lien avec les panneaux photovoltaïques sont abordées dans d'autres sections du dossier | Produire de l'électricité verte :

Pour des alternatives de production « d'énergie verte » :

Pour plus d'informations en lien avec la toiture plate :

Pour plus d'informations en lien avec la toiture inclinée :

Autres publications de Bruxelles Environnement

 Bruxelles Environnement (2010), Info fiches Energie, Le photovoltaïque : les différents types d'implantations

  • Bruxelles Environnement (2010), Rapport technique - Bâtiments exemplaires, Fiche 4.2 : La compatibilité entre les panneaux solaires et la conception des toitures vertes
  • Bruxelles environnement : Page sur les panneaux solaires photovoltaïques

Bibliographie

Outils

  • Module de calcul du CSTC pour les ancrages des capteurs photovoltaïques sur toitures à versants

mis à jour le 08/02/2021

N° de Code : G_ENE11 - Thématiques : Energie - Composants du projet liés : Photovoltaïque | Energies renouvelables