Énormes modules photovoltaïques, en danger !

Récemment, des agences météorologiques de plusieurs pays ont émis des alertes de haut niveau, indiquant qu'un « super El Niño » susceptible de remodeler le schéma climatique mondial approche rapidement entre la fin de 2026 et le début de 2027. Pour l'industrie photovoltaïque chinoise, cela signifie que les événements météorologiques extrêmes tels que les typhons, les fortes rafales et les blizzards passent du statut d'événements « cygnes noirs » à celui de « rhinocéros gris ». En tant qu'unité centrale de production d'électricité d'une centrale électrique, l'adaptabilité aux environnements extrêmes, la stabilité structurelle et la sécurité de charge despanneaux solairesdétermineront directement leur capacité à résister à d'innombrables événements météorologiques extrêmes tout au long de leur durée de vie de 25 ans.

Cependant, un problème récurrent mais souvent négligé dans l'industrie est que les insuffisances des modules photovoltaïques de très grande taille deviennent de plus en plus évidentes dans des conditions météorologiques extrêmes normalisées. Leur capacité globale à faire face à des conditions d'exploitation difficiles est devenue une question essentielle qui doit être examinée d'urgence.

Le « triple coup » d'El Niño

El Niño n'est pas un terme météorologique abstrait, mais un test crucial auquel les centrales photovoltaïques doivent faire face. Lorsque la circulation atmosphérique mondiale devient anormale, les zones densément implantées eninstallations photovoltaïques (PV)de mon pays sont confrontées à l'impact combiné de trois événements météorologiques extrêmes :

Premièrement, des typhons et de fortes rafales fréquents et de plus en plus intenses. Le nombre de typhons se formant dans le Pacifique a augmenté, et leur intensité à l'atterrissage est plus forte que d'habitude, augmentant considérablement la probabilité de phénomènes convectifs violents dans les zones côtières et intérieures. Pour les centrales photovoltaïques, cela signifie que les rafales alternées répétées sont devenues la norme, et que les modules ne sont plus soumis à des événements de pression éolienne uniques, mais plutôt à une fatigue dynamique à haute fréquence.

Deuxièmement, les vagues de chaleur extrêmes. Le nombre de jours présentant des températures estivales extrêmement élevées augmente, et la température de surface des modules dépasse fréquemment 70 °C. La différence entre les coefficients de dilatation thermique du verre, des cadres et des cellules est amplifiée à haute température, entraînant une augmentation continue de l'accumulation des contraintes internes.

Troisièmement, les précipitations extrêmes et les blizzards. L'augmentation des pluies torrentielles et des inondations dans le sud ainsi que des blizzards extrêmes dans le nord accroît considérablement la probabilité de charges non uniformes sur la surface des modules, tandis qu'une humidité élevée accélère le vieillissement des matériaux.

Ces trois caractéristiques correspondent précisément aux trois défis fatals auxquels sont confrontées les centrales photovoltaïques : la fatigue dynamique, les contraintes thermomécaniques et la charge ultime non uniforme. Les modules de très grande taille échouent presque entièrement dans ces trois dimensions.

Le dilemme physique des modules de très grande taille : quand l'expansion de la surface rencontre les lois de la nature

Les modules de très grande taille, mesurant 2384 mm × 1303 mm et plus, ont une surface totale de 3,1㎡ et plus, soit une augmentation d'au moins 15 % de la surface par rapport aux modules standards de l'industrie de 2,7㎡. Cependant, les deux types de modules utilisent exactement le même verre de 2 mm d'épaisseur ; les modules de très grande taille ne bénéficient d'aucune amélioration matérielle ni d'une conception de renforcement de l'épaisseur, ce qui amplifie les risques potentiels.

La déformation est la première fissure. Les données d'essai montrent que même dans des conditions statiques naturelles, la déformation du verre des modules de très grande taille est déjà deux fois supérieure à celle des modules standards ; sous charge maximale, la déformation du verre atteint trois fois cette valeur. Cette déformation fortement accrue maintient le verre du module sous surcharge prolongée, entraînant facilement des dommages irréversibles tels que la rupture du verre, des microfissures dans les cellules solaires et le délaminage de l'encapsulation, réduisant considérablement la durée de vie du module.

La fatigue est la deuxième fissure. Pendant les années El Niño, les typhons et les phénomènes convectifs violents n'apportent pas des impacts ponctuels, mais une « guerre de fatigue » incessante due à des rafales répétées. Les modules standards peuvent supporter de manière fiable 20 000 cycles d'essai de charge dynamique à ±1500 Pa, en maintenant leur intégrité structurelle et leur dégradation de performance pendant toute la durée de l'essai, démontrant une résistance exceptionnelle à la fatigue dynamique. En revanche, les modules de très grande taille, dans les mêmes conditions de charge dynamique de ±1500 Pa, commencent à montrer des signes de défaillance après seulement 2 000 cycles, n'affichant que 10 % de la tolérance à la charge dynamique des modules standards.

Alors que les rafales frappent à répétition la surface des modules, le cadre et le verre se desserrent progressivement sous l'effet de la fatigue, jusqu'à s'effondrer complètement à un point critique. C'est pourquoi, après des événements météorologiques extrêmes, nous voyons des « modules comme des cerfs-volants » dispersés au sol : cadres arrachés, modules entiers détachés, et modules libérés du système de support comme des cerfs-volants aux cordes cassées, provoquant des dommages dévastateurs aux actifs des centrales électriques.

La résistance à la pression ultime constitue le troisième obstacle majeur. De multiples données expérimentales faisant autorité confirment que les modules standards peuvent supporter des charges non uniformes allant jusqu'à 6500 Pa, tandis que les modules de très grande taille n'atteignent que 4300 Pa, ce qui représente une réduction de 30 % de la résistance ultime à la pression. Dans des essais extrêmes en soufflerie, les modules standards peuvent résister à des vitesses de vent dépassant 60 m/s, tandis que les modules de très grande taille subissent une défaillance structurelle à des vitesses de vent de 45 m/s.

Pour les événements météorologiques extrêmes fréquents durant les années El Niño, 45 m/s n'est pas une valeur théorique de laboratoire, mais un test réel auquel les modules sont confrontés chaque année. Un blizzard extrême dans le nord ou un vent convectif violent dans le sud peut être le dernier coup porté aux modules de très grande taille.

Mêmes conditions de vent, résultats différents : l'orientation donnée par les réglementations

En 2022, une centrale photovoltaïque de 300 MWdans le nord-ouest de la Chine est devenue un cas typique de défaillance de modules de très grande taille due à des conditions météorologiques extrêmes. Le site du projet est situé dans une zone climatique à haut risque caractéristique, avec des tempêtes de sable fréquentes et des rafales extrêmes, et les événements météorologiques extrêmes concernés sont prévisibles et contrôlables. Cependant, le projet a utilisé des modules de très grande taille pendant toute sa construction sans optimiser la sélection en fonction des caractéristiques climatiques régionales.

Au moment de l'accident, la zone a connu des rafales dépassant le niveau 13. Après les conditions météorologiques sévères, la centrale électrique a subi d'importants dommages à ses modules et à ses systèmes de support, entraînant des pertes économiques directes considérables ainsi que des pertes de revenus de production d'électricité à long terme. Cependant, plusieurs autres projets photovoltaïques de la région utilisant des modules standards n'ont subi que des dommages mineurs dans les mêmes conditions météorologiques extrêmes, leurs centrales fonctionnant normalement et sans impact. Cela illustre clairement les limites des modules de très grande taille dans des conditions extrêmes.

Face à l'aggravation de l'effet El Niño, le gouvernement national a apporté une solution claire : les normes d'efficacité énergétique des modules photovoltaïques récemment publiées redéfinissent la logique de sélection de l'industrie du point de vue politique. Les normes d'efficacité énergétique intègrent le rendement de conversion des modules, les faibles caractéristiques de dégradation et les performances à haute température dans une évaluation globale, tandis que les « Exigences de sécurité des modules photovoltaïques » imposent des exigences obligatoires concernant la charge mécanique des modules, la résistance des cadres et la sécurité électrique. Ces réglementations transmettent un message clair et ferme : la sécurité est la limite minimale, l'efficacité est la direction à suivre, et l'expansion de la taille n'est pas la réponse.

L'augmentation de la taille des modules est un moyen pour l'industrie de réduire les coûts et d'améliorer l'efficacité, mais elle ne doit jamais se faire au détriment de la sécurité structurelle. Les problèmes actuellement révélés par les modules de très grande taille, tels qu'une déformation excessive, une capacité de charge insuffisante et l'absence de marge de sécurité, ne sont plus des dangers à faible probabilité dans des conditions météorologiques extrêmes normalisées, mais plutôt des risques fréquents et certains. Pour les investisseurs et les constructeurs de centrales photovoltaïques, il est urgent d'abandonner l'état d'esprit de sélection fondé uniquement sur la taille et de donner la priorité à la fiabilité à long terme des modules.