Une équipe de chercheurs chinois et italiens a étudié l'influence de différents angles d'inclinaison sur la défaillance thermique des modules photovoltaïques. Ils ont constaté qu'au-delà de 30 degrés d'inclinaison, la durée de vie avant défaillance augmentait.

À l'aide d'un panneau radiant uniforme et d'un dispositif expérimental composé d'un panneau incliné, les scientifiques ont suivi la rupture thermique du verre, les températures de surface, le flux de chaleur incident et les caractéristiques de défaillance. Ils ont également simulé le dispositif à l'aide d'un modèle par éléments finis (MEF), mesurant ainsi l'erreur moyenne.

« Les modules photovoltaïques sont composés de verre, un matériau fragile qui peut se briser ou se détacher rapidement en cas d'incendie. Les fissures du verre exposent alors les matériaux combustibles des panneaux photovoltaïques au rayonnement du feu et à l'oxygène, ce qui favorise la défaillance des systèmes photovoltaïques. De plus, si le verre du module se brise et se détache, la partie exposée de la façade photovoltaïque peut se transformer en une vaste surface combustible », a déclaré le groupe. « Or, malgré leur utilisation répandue et leur pertinence, les performances des panneaux photovoltaïques à différents angles d'inclinaison n'ont pas encore été testées. »

L'équipe a utilisé un panneau radiant au propane de 600 mm x 600 mm comme source thermique uniforme. Contre ce panneau, elle a installé un système de montage photovoltaïque constitué d'un cadre en acier galvanisé capable de résister à des températures allant jusqu'à 1 200 °C. À l'intérieur de ce système, elle a placé des panneaux photovoltaïques en silicium monocristallin de 300 mm x 300 mm, dont une couche de verre recuit non trempé de 3,2 mm d'épaisseur. Au total, 15 panneaux ont été testés, soit trois pour chaque angle d'inclinaison : 0°, 15°, 30°, 45° et 60°.

L'analyse a montré que, lorsque les panneaux photovoltaïques sont exposés au rayonnement thermique, les fissures du verre se forment généralement à la limite de la différence de température maximale sur la surface exposée au feu. Elle a également démontré que, du fait de la présence de bandes convergentes à la base du panneau photovoltaïque, les fissures ont tendance à s'y amorcer plutôt qu'aux bords du panneau lorsque l'inclinaison dépasse 45°.

De plus, des bulles de gaz combustibles ont été trouvées entre la couche de verre et la couche de cellules solaires, ainsi qu'entre la plaque arrière et la couche de cellules solaires, qui, selon les scientifiques, pourraient potentiellement s'enflammer avec une étincelle ou lors d'un véritable incendie.

De plus, les mesures ont montré que le temps moyen avant la première défaillance des panneaux photovoltaïques augmentait lorsque leur inclinaison passait de 0° à 60°. Plus précisément, ce temps moyen était de 36 secondes, 33 secondes, 40 secondes, 62 secondes et 71 secondes pour des inclinaisons respectives de 0°, 15°, 30°, 45° et 60°.
« Le temps avant défaillance a augmenté de manière significative lorsque l'inclinaison des panneaux photovoltaïques a dépassé 30°, un angle critique pour la défaillance thermique », ont indiqué les chercheurs. « Bien que les temps de défaillance aient varié selon les cas, les écarts de température critiques étaient faibles, compris entre 61 et 84 °C, et la plupart des fissures sont apparues pour des valeurs de puissance thermique comprises entre 8 et 15 kW/m². »

Le groupe a ensuite développé un modèle numérique par éléments finis (MEF) du système à l'aide du logiciel Abaqus, en limitant la simulation à 100 secondes, car la première rupture du verre devrait se produire durant cet intervalle. Comparé aux résultats expérimentaux, le modèle MEF a atteint une erreur moyenne de 13,5 % pour les distributions de température et inférieure à 15 % pour les délais de première rupture.

« Compte tenu des difficultés engendrées par les bulles de gaz de l'éthylène-acétate de vinyle (EVA) et la dilatation du Tedlar-polyester-Tedlar (TPT), cette concordance suggère que le modèle thermique pourrait prédire les champs de température des panneaux photovoltaïques », ont conclu les scientifiques. « L'hypothèse d'une élévation de température sur trois couches s'avère pertinente pour les cas de fortes inclinaisons. »

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