Solutions de montage au sol pour les grandes centrales solaires : considérations d’ingénierie
En bref — Points clés à retenir
Le choix du type de fondation (pieux battus, pieux hélicoïdaux, vis sans fin ou ballast en béton) est le principal facteur de coût des systèmes de montage au sol, représentant 15 à 25 % du coût total de montage.
L'étude géotechnique est indispensable : la portance du sol, le potentiel de corrosion (pH, résistivité, teneur en chlorures/sulfates) et la profondeur de gel déterminent directement la faisabilité des fondations et les paramètres de conception.
L'optimisation de l'espacement des rangs permet d'équilibrer l'efficacité de l'utilisation des terres et les pertes dues à l'ombrage entre les rangs ; le taux de couverture au sol (TCS) optimal pour les systèmes à inclinaison fixe se situe généralement entre 0,35 et 0,50 selon la latitude.
La stratégie de protection contre la corrosion doit être adaptée à l'agressivité du sol : l'acier ZAM (10 à 20 fois plus performant que l'acier galvanisé à chaud) est fortement recommandé pour les sols acides, salins ou à forte humidité, fréquents sur les sites de projets tropicaux et côtiers.
AISINEE fournit une assistance complète en ingénierie géotechnique et structurale, incluant la conception des fondations, les calculs de charges de vent (ASCE 7-16, EN 1991, AS1170) et des solutions de montage sur mesure pour les projets d'envergure mondiale.
- Introduction : Les fondements techniques du solaire à grande échelle
Les grandes centrales solaires (généralement de 10 MW à plus de 500 MW) présentent des défis d'ingénierie fondamentalement différents de ceux des installations photovoltaïques résidentielles ou commerciales sur toiture. Le système de montage doit résister pendant des décennies aux charges de vent, de neige et sismiques, tout en étant ancré dans des sols dont la nature peut varier considérablement sur un même site de projet s'étendant sur des centaines d'hectares. Une conception de fondation parfaitement adaptée aux sols sablo-limoneux de la ceinture solaire du nord-est du Brésil peut s'avérer inefficace en moins de deux ans dans les sols argileux expansifs du Cap-Nord en Afrique du Sud.
La conception des systèmes de montage solaire au sol est d'une simplicité trompeuse — des structures en acier ou en aluminium supportant des modules photovoltaïques à angle d'inclinaison fixe ou variable — mais d'une complexité technique extrême. Chaque décision de conception — de la section transversale des pieux et de leur profondeur d'encastrement à l'espacement des rangées et à la marge de corrosion — a des répercussions sur la rentabilité du projet, affectant non seulement le coût du système de montage (généralement de 0,06 à 0,12 $/W), mais aussi les besoins fonciers, la main-d'œuvre pour l'installation et les obligations de maintenance sur 25 ans.
Pépite de réponse : Pour une centrale solaire de 100 MW, chaque économie de 0,01 $/W réalisée grâce à une conception optimisée des fondations représente une réduction de 1 000 000 $ du coût total du projet. À l'inverse, des fondations mal conçues, nécessitant la réparation de 5 % des pieux, peuvent engendrer des coûts de réparation imprévus et des pertes de revenus de production supérieurs à 500 000 $.
Ce guide propose un cadre d'ingénierie complet pour la conception de systèmes solaires au sol à grande échelle. Il aborde les exigences en matière d'études géotechniques, le choix et la comparaison des types de fondations, le dimensionnement des structures, l'optimisation de l'espacement des rangées, les stratégies de protection contre la corrosion et l'optimisation des coûts, en s'appuyant sur les 19 années d'expérience d'AISINEE dans la fabrication de systèmes solaires photovoltaïques à grande échelle au Brésil, en Thaïlande, aux Philippines, en Afrique du Sud et sur d'autres marchés internationaux.
- Investigation géotechnique : la première étape incontournable
Aucun projet de centrale solaire au sol ne devrait entamer la conception des fondations sans une étude géotechnique complète. Le coût de 15 000 à 40 000 $ d'une étude géotechnique appropriée est négligeable comparé aux plus de 500 000 $ de frais de réparation des défaillances de fondations découvertes après la pose des pieux. Pourtant, sous la pression des délais, les promoteurs de projets tentent souvent de se baser sur des études de sol préliminaires ou des cartes pédologiques régionales — une décision que les entreprises EPC expérimentées considèrent comme la principale cause de défaillances structurelles des centrales au sol.
Pépite de réponse : Les forages d'investigation géotechnique doivent être espacés de 50 à 100 m sur l'ensemble du site du projet, avec au minimum un forage par zone de sol distincte identifiée lors de l'étude préliminaire. Pour les sites de plus de 100 hectares, des essais de pénétration au cône (CPT) supplémentaires, espacés de 25 à 50 m, fournissent des données complémentaires rentables.
Le rapport d'étude géotechnique doit fournir les données minimales suivantes pour la conception des fondations :
Stratigraphie du sol : description couche par couche incluant le type de sol (classification USCS), la profondeur, la densité/consistance et la classification visuelle
Capacité portante : capacité portante ultime et admissible à chaque profondeur pertinente — essentielle pour déterminer la profondeur d’ancrage du pieu et l’état de sa pointe (pieu à appui direct ou pieu à frottement latéral).
Potentiel de corrosion du sol : la résistivité électrique (Ω·cm), le pH, la teneur en chlorures solubles (ppm), la teneur en sulfates solubles (ppm) et le potentiel redox déterminent directement les spécifications de protection contre la corrosion requises.
Caractéristiques des eaux souterraines : profondeur de la nappe phréatique saisonnière maximale, agressivité des eaux souterraines (pH, sulfates, chlorures) et amplitude des fluctuations saisonnières
Réponse latérale du sol : courbes py ou module de réaction du sol de fondation (valeur k) pour l’analyse latérale des pieux — essentiel pour le dimensionnement à la résistance au vent
Profondeur de gel (le cas échéant) : profondeur maximale de pénétration du gel pour les sites en climat froid sur les marchés européens et de haute altitude
- Types de fondations : critères de sélection et analyse comparative
Les fondations solaires au sol se répartissent en quatre grandes catégories, chacune présentant des avantages, des limitations et un coût spécifiques. Le choix optimal dépend des caractéristiques du sol, de l'envergure du projet, des pratiques de construction locales et de la disponibilité du matériel.
3.1 Fondations sur pieux battus (acier à profil C/Z/U)
Les pieux battus en acier — généralement des profilés en C, en Z ou en H — constituent le type de fondation le plus courant pour les centrales solaires de grande envergure dans le monde, représentant environ 65 à 70 % de la capacité installée. Ils sont enfoncés à la profondeur prévue à l'aide de marteaux hydrauliques ou vibratoires montés sur des engins de battage spécialisés ou des accessoires d'excavatrice.
Principaux avantages : rapidité d’installation (200 à 400 pieux par jour et par appareil de forage), excellente résistance aux charges latérales, méthodologie de conception éprouvée conforme aux normes ASCE/AISC/EN et coût modéré (0,03 à 0,06 $/W installé). Principales limitations : inadapté aux sols rocheux ou riches en blocs, nécessite des données géotechniques pour la détermination de la profondeur d’ancrage et protection anticorrosion limitée, sauf si l’acier ZAM ou un revêtement supplémentaire est spécifié.
3.2 Fondations sur pieux hélicoïdaux / vis sans fin
Les pieux hélicoïdaux sont constitués d'un fût central en acier sur lequel sont soudées, à intervalles réguliers, une ou plusieurs plaques d'appui hélicoïdales. Ils sont vissés dans le sol à l'aide de moteurs hydrauliques, ce qui élimine le besoin de percussion et les nuisances sonores et vibratoires qui en découlent.
Applications optimales : sites à portance de sol faible à moyenne nécessitant une surface portante accrue, sites sensibles sur le plan environnemental où les vibrations doivent être minimisées, et projets exigeant la possibilité de démonter les fondations en fin de vie. Coût : 0,04 à 0,08 $/W installé, avec un coût des matériaux plus élevé mais un coût d’équipement d’installation souvent inférieur à celui des pieux battus.
3.3 Ballast en béton / Fondations préfabriquées
Les fondations en béton – coulées en place ou en blocs préfabriqués – utilisent la masse et la surface d'appui plutôt que l'encastrement pour assurer la résistance structurelle. Elles constituent la solution privilégiée sur les sites où le battage de pieux est impossible : roche massive en surface, décharges nécessitant une protection par membrane ou sites archéologiques.
Compromis majeur : les fondations sur ballast éliminent la dépendance géotechnique, mais augmentent considérablement le coût des matériaux (0,08 à 0,15 $/W) et la complexité logistique (livraison du béton sur des sites isolés). Elles nécessitent également un terrain plat et préparé et sont moins adaptées aux terrains en pente.
3.4 Matrice comparative de sélection des fondations
| Critère | Pieu battu (acier) | Pile hélicoïdale | ballast en béton | vis de mise à la terre |
| Coût d'installation/W | 0,03 $–0,06 $ | 0,04 $–0,08 $ | 0,08 $–0,15 $ | 0,04 $–0,07 $ |
| Vitesse d'installation | 200 à 400 piles par jour | 100 à 200 piles par jour | 50 à 100 unités/jour | 150 à 300 vis/jour |
| Compatibilité du sol | La plupart des sols ; pauvres en roches | sols meubles à moyens | Tout type de sol (nécessite un nivellement) | La plupart des sols ; pauvres en roches/gravier |
| Risque de corrosion | Modéré (HDG) / Faible (ZAM) | Modéré (HDG) / Faible (ZAM) | Faible (béton passif) | Modéré (HDG) / Faible (ZAM) |
| Amovible | Difficulté modérée | Facile (dévisser) | Facile (à retirer) | Facile (dévisser) |
| Terrain en pente | Excellente adaptabilité | Bonne adaptabilité | Mauvais (nécessite un nivellement) | Bonne adaptabilité |
| Meilleure adéquation au marché | Brésil, Thaïlande, Philippines | Europe, Afrique du Sud | Sites rocheux, décharges | Sols sableux, MENA |
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- Conception structurale : considérations relatives au vent, à la neige et aux charges sismiques
Les structures solaires au sol doivent résister à trois types de charges principales sur une durée de vie nominale de plus de 25 ans. La charge prépondérante varie selon la zone géographique : la poussée du vent domine dans les zones tropicales et côtières ; la charge de neige est prépondérante aux latitudes nordiques ; et les forces sismiques prédominent dans les régions tectoniquement actives.
4.1 Conception de la charge du vent
Le vent est la charge déterminante pour les systèmes photovoltaïques au sol sur environ 80 % des sites de projets dans le monde. Le principal défi en ingénierie éolienne est d'ordre aérodynamique : les panneaux solaires se comportent comme des plaques planes inclinées, générant des forces de pression (au vent) et d'aspiration (sous le vent) qui varient selon la direction du vent, l'intensité des turbulences et la géométrie du panneau.
Les paramètres critiques de conception du vent comprennent : la vitesse du vent de conception selon la norme applicable (ASCE 7-16, EN 1991-1-4, AS/NZS 1170.2, NBR 6123, NSCP 2015), la catégorie de terrain et l'exposition (le terrain ouvert contrôle généralement), les facteurs d'amplification topographique (critiques pour les sites de crête) et les coefficients de pression aérodynamique (les zones de bord et de coin du réseau subissent une pression 1,5 à 2,5 fois supérieure à celle des zones intérieures).
Pépite de réponse : Pour les antennes au sol installées en terrain dégagé, le coefficient de forme aérodynamique (Cp.net) varie généralement de 0,8 à 1,6, la valeur maximale s'appliquant au bord d'attaque de la première rangée et aux angles de l'antenne. Le sous-dimensionnement des fixations des rangées périphériques, dû à l'utilisation de coefficients de pression de zone interne, constitue le mode de défaillance structurelle le plus fréquent dans les systèmes au sol de grande puissance.
4.2 Conception de la charge de neige
Sur les marchés européens (France, Allemagne) et en haute altitude, la charge de neige peut atteindre 0,5 à 2,5 kN/m². Les principaux facteurs à prendre en compte sont la répartition inégale de la neige (le congèrement entraîne une charge plus élevée sur les rangs sous le vent), l'accumulation de neige par glissement des rangs supérieurs vers les rangs inférieurs sur les terrains en pente, et les cas de charges combinées neige + vent conformément aux exigences de la norme EN 1991-1-3/ASCE 7-16.
4.3 Conception parasismique
Pour les projets situés dans des régions sismiques (Mexique, Colombie, Philippines, certaines parties de l'Asie du Sud-Est), il est impératif de résister aux forces sismiques latérales grâce à un encastrement adéquat des pieux, des liaisons résistantes aux moments et à la prise en compte du risque de liquéfaction des sols. Une évaluation des risques sismiques spécifique au site, conformément aux normes ASCE 7-16 chapitres 11 et 12 ou EN 1998-1, est requise pour les sites situés dans des zones de sismicité modérée à élevée.
- Optimisation de l'espacement des rangs : équilibrer l'utilisation des terres et le rendement énergétique
L’espacement entre les rangs est le principal levier permettant de contrôler à la fois l’efficacité de l’utilisation des terres (MW par hectare) et le rendement énergétique (MWh par MW). L’optimisation de ce paramètre nécessite de trouver un équilibre entre les objectifs contradictoires de minimisation du coût foncier et de maximisation de la production annuelle.
Le taux de couverture au sol (TCS) — défini comme le rapport entre la surface du module et la surface totale du terrain — est l'indicateur clé. Pour les systèmes à inclinaison fixe :
GCR = 0,35–0,40 : Conception conservatrice. Faible ombrage inter-rangées ( 35°), aux modules bifaciaux et aux marchés fonciers haut de gamme.
GCR = 0,40–0,50 : Conception optimisée. Ombrage inter-rangs modéré (perte annuelle de 2 à 4 %, compensée par une capacité CC plus élevée par hectare). Convient à la plupart des projets à grande échelle aux latitudes de 15 à 35°.
GCR = 0,50–0,60 : Conception performante. Pertes dues à l’ombrage plus importantes (4–8 %) mais rendement maximal en MW/ha. Idéal pour les sites de basse latitude (
Pépite de réponse : Pour un site de 100 MW situé à 25° de latitude, l'augmentation du GCR de 0,38 à 0,48 réduit la surface foncière requise d'environ 21 % (de 185 hectares à 146 hectares), tout en n'augmentant les pertes annuelles dues à l'ombrage que de 1,8 à 2,2 %. Avec des tarifs de location foncière typiques de 300 à 1 200 $/ha/an, cette optimisation permet d'économiser entre 12 000 et 47 000 $ par an.
- Protection contre la corrosion : Adaptation de la stratégie de matériaux aux conditions du sol
Contrairement aux systèmes de toiture, les fondations au sol sont en contact permanent avec le sol, un milieu électrolytique qui favorise la corrosion par l'humidité, les sels dissous, les acides et l'activité microbienne. La stratégie de protection contre la corrosion doit être adaptée à l'agressivité du sol spécifique au site.
| État du sol | Risque de corrosion | Protection recommandée | Durée de vie prévue |
| pH neutre (6,5–7,5), résistivité > 10 000 Ω·cm | Faible | Galvanisé à chaud (G90/Z275) ou anodisé Al AA15 | Plus de 25 ans |
| Légèrement acide/alcalin, résistivité 2 000–10 000 | Modéré | Acier galvanisé à chaud (G115/Z350) ou acier ZAM (Zn-Al-Mg) | 20–25 ans |
| Acide (pH | Haut | Acier ZAM (Zn-Al-Mg) avec revêtement équivalent minimum Z275 | 15 à 25 ans avec ZAM |
| Milieu côtier/marin, chlorures > 500 ppm, résistivité | Grave | Acier ZAM + revêtement supplémentaire ou aluminium de qualité marine | 15 à 20 ans minimum |
Pépite de réponse : L'acier revêtu de ZAM (zinc-aluminium-magnésium) offre une résistance à la corrosion 10 à 20 fois supérieure à celle de l'acier galvanisé à chaud standard (HDG) en sols agressifs, comme le confirment les essais de corrosion cyclique et de brouillard salin neutre selon la norme ISO 9227. Pour les projets situés dans les régions tropicales du Brésil, sur les côtes d'Asie du Sud-Est ou sur les sols acides d'Afrique du Sud, les fondations en acier ZAM permettent d'allonger la durée de vie de 8 à 12 ans (HDG) à plus de 20 à 25 ans.
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- Stratégies d'optimisation des coûts pour les projets de centrales au sol à grande échelle
L'optimisation des coûts des systèmes au sol exige une approche systémique ; optimiser chaque composant individuellement conduit souvent à une rentabilité globale du projet inférieure aux attentes. Les stratégies suivantes ont été validées dans l'ensemble du portefeuille de projets à grande échelle d'AISINEE.
| Stratégie d'optimisation | Économies potentielles | Approche de mise en œuvre | Considérations relatives aux risques |
| Sous-composants pré-assemblés | 0,005–0,01 $/W | Pré-assemblage en usine des colliers, des fixations et des petits sous-ensembles | Volume d'expédition légèrement supérieur |
| Conception de pieux optimisée géotechniquement | 0,005–0,015 $/W | Profondeur d'encastrement adaptée au site et à la zone de sol, et non conception uniforme | Nécessite des données géotechniques détaillées |
| Angle d'inclinaison normalisé | 0,003–0,008 $/W | Inclinaison unique sur l'ensemble du site contre optimisation en fonction de la latitude par zone | Pénalité énergétique annuelle faible (0,5 à 1,5 %) |
| Chargement optimisé pour les conteneurs | 0,002–0,005 $/W | L'imbrication des composants et le chargement mixte permettent une utilisation maximale du conteneur. | Augmentation marginale du temps de tri sur site |
| Acier ZAM uniquement dans les zones agressives | 0,003–0,007 $/W | Double spécification : ZAM pour les zones à forte corrosion, HDG pour les zones non corrosives | Nécessite une cartographie des zones à partir du rapport géotechnique |
Combinées et correctement mises en œuvre, ces stratégies peuvent réduire le coût total d'installation au sol de 0,02 à 0,04 $/W par rapport à une configuration de référence non optimisée, ce qui représente 200 000 à 400 000 $ pour un projet de 10 MW et 2 à 4 millions de dollars pour une installation à l'échelle du service public de 100 MW.
- Solutions de montage au sol AISINEE pour les projets à grande échelle
AISINEE fournit des systèmes de montage au sol pour de grandes centrales solaires au Brésil, en Thaïlande, aux Philippines, en Afrique du Sud et sur d'autres marchés internationaux. Forte de 19 ans d'expérience dans la fabrication et de sa maîtrise des matériaux bi-composants (aluminium et acier ZAM), AISINEE permet une optimisation sur mesure, impossible à obtenir avec les catalogues de montage standard.
Notre assistance technique pour les installations au sol à grande échelle comprend :
Service complet de conception de fondations : interprétation des données géotechniques, calcul de la capacité portante des pieux (axiale + latérale), optimisation de la profondeur d’encastrement et élaboration des critères de battage des pieux — conformément aux normes structurelles spécifiques au projet (ASCE 7-16, EN 1991, AS/NZS 1170, NBR 6123, NSCP).
Prestations complètes d'ingénierie des structures : coefficients de pression aérodynamique calculés en soufflerie ou par CFD, analyse structurelle (SAP2000/STAAD/RFEM), conception des assemblages (boulonnés et soudés) et vérification de la déformation/vibration
Spécifications de protection contre la corrosion : évaluation de la corrosivité du sol, prédiction de la durée de vie du revêtement selon les normes ISO 9223/9224 et sélection des matériaux (acier ZAM, aluminium anodisé, revêtements complémentaires) adaptés à la durée de vie prévue du projet.
Optimisation de l'espacement des rangées et du rendement énergétique : modélisation PVsyst pour l'optimisation du GCR, évaluation du gain bifacial avec différents espacements de rangées et analyse du compromis entre utilisation des terres et production d'énergie
Pré-assemblage et conditionnement : pré-assemblage en usine des sous-composants répétitifs, conditionnement optimisé par bloc de modules et livraison séquencée pour une installation juste-à-temps, réduisant ainsi la main-d'œuvre sur site de 15 à 25 %.
Documentation de certification complète : certificats d’essai des matériaux (certificats d’usine), rapports d’épaisseur de revêtement, dossiers de calculs de structure pour le permis de construire/l’examen par l’ingénieur du maître d’ouvrage et documentation de conformité pour les exigences de financement du projet
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Soumettez les données de votre site de projet (rapport géotechnique, coordonnées du site, capacité cible et spécifications des modules) pour recevoir sous 48 heures une recommandation complète de système de montage au sol comprenant la conception des fondations, l'analyse structurelle et un devis compétitif.
Courriel : sales@aisinee.com | WhatsApp/WeChat : +86 18959208931 | www.aisinee.com
Clause de non-responsabilité:
Cet article fournit des recommandations générales d'ingénierie pour la conception de systèmes solaires au sol. Toutes les conceptions structurelles doivent être réalisées et certifiées par des ingénieurs professionnels qualifiés, agréés dans la juridiction du projet, sur la base d'une étude géotechnique spécifique au site, d'une analyse structurelle et des normes de construction applicables. Les types de fondations, leurs dimensions et les spécifications de protection contre la corrosion doivent être validés pour chaque site de projet.
À propos de l'auteur
Équipe d'ingénierie technique d'AISINEE
Depuis 2006, AISINEE (Xiamen Art Sign Co., Ltd.) est spécialisée dans la conception et la fabrication de systèmes de montage photovoltaïques en aluminium et en acier ZAM. Forte de 19 ans d'expertise, notre équipe d'ingénierie et de production de 86 personnes accompagne des projets solaires de grande envergure, commerciaux et résidentiels au Brésil, en France, en Thaïlande, aux Philippines, en Colombie, en Afrique du Sud, au Mexique et sur d'autres marchés internationaux. Nous sommes certifiés ISO 9001, CE (EN 1090-1), TÜV Rheinland, SGS et RoHS. Nous proposons une conception sur mesure, aucune quantité minimale de commande pour les accessoires standard et une logistique internationale rapide.
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