Explication des écrous solaires : comment les choisir, les utiliser et les serrer correctement pour l'installation de votre panneau solaire

Les écrous solaires sont l'un des composants les plus négligés dans une installation photovoltaïque, mais ils sont directement responsables de la sécurité de vos panneaux pendant des décennies de vent, de pluie, de cycles thermiques et de contraintes mécaniques. Que vous installiez un réseau résidentiel sur le toit, un système commercial monté au sol ou une structure d'abri d'auto, les écrous que vous choisissez et la manière dont vous les installez déterminent si votre système de rayonnage reste serré pendant 25 ans ou commence à se desserrer et à se déplacer au bout de quelques saisons. Ce guide couvre tout ce qui est pratique : ce que sont les écrous solaires, quels types sont utilisés dans les systèmes de rayonnages modernes, la sélection des matériaux, les exigences de couple et ce qui ne va pas lorsque les installateurs raccourcissent les délais.

Que sont les noix solaires et pourquoi elles sont importantes

Les écrous solaires sont des composants de fixation filetés spécialement sélectionnés ou conçus pour être utilisés dans les systèmes de montage et de rayonnage de panneaux solaires. Le terme couvre une gamme de types d'écrous - des écrous hexagonaux et écrous à bride standard aux écrous spécialisés à rainure en T, aux écrous à canal et aux écrous de positionnement à ressort qui font partie intégrante des systèmes de rayonnages sur rails en aluminium. Ils fonctionnent en combinaison avec des boulons, des boulons de carrosserie et des vis mécaniques pour serrer les cadres de modules, les pinces centrales, les pinces d'extrémité, les épissures de rail et les pieds de montage ensemble dans un assemblage structurel unifié.

La raison pour laquelle les écrous de panneaux solaires méritent une attention particulière – plutôt que de simplement récupérer du matériel dans un bac de fixations général – se résume à trois facteurs : la résistance à la corrosion, la compatibilité galvanique et la résistance aux vibrations. Un panneau solaire devrait fonctionner pendant 25 à 30 ans dans un environnement extérieur. Les écrous standard en acier au carbone zingués ou non revêtus se corroderont rapidement dans cette fenêtre d'exposition, en particulier dans les environnements côtiers ou les régions à forte humidité, cycles de gel-dégel ou de précipitations acides. Les fixations corrodées se grippent, ce qui rend l'entretien futur et le remplacement des panneaux extrêmement difficiles et, dans les cas graves, elles perdent complètement leur intégrité structurelle.

La compatibilité galvanique est également critique. La plupart des rails de rayonnage solaire sont en aluminium anodisé. L'association de l'aluminium avec des fixations en acier au carbone crée un couple galvanique qui accélère la corrosion du métal le moins noble – dans ce cas, l'acier – réduisant considérablement la durée de vie des fixations. C'est pourquoi pratiquement tout le matériel de montage solaire de qualité professionnelle spécifie des fixations en acier inoxydable ou en aluminium pour une utilisation dans les systèmes de rayonnages en aluminium.

Types d'écrous solaires utilisés dans les systèmes de montage

Les systèmes de rayonnage solaire modernes utilisent plusieurs types d'écrous distincts, chacun remplissant une fonction structurelle ou d'installation spécifique. Comprendre ce que fait chaque type vous aide à commander le bon matériel et à l'installer correctement.

Écrous à rainure en T (écrous à profilé)

Les écrous à rainure en T, également appelés écrous à canal ou écrous en T, sont les écrous de montage de panneaux solaires les plus couramment utilisés dans les systèmes de rayonnage sur rail de fabricants comme Unirac, IronRidge, Schletter et K2. Ils sont conçus pour glisser dans le canal ouvert en forme de T sur la face supérieure du rail de montage, permettant aux pinces centrales, aux pinces d'extrémité et au matériel de liaison d'être positionnés n'importe où le long de la longueur du rail avant d'être verrouillés en place en serrant le boulon. Cette possibilité de réglage est essentielle pour s'adapter aux différentes largeurs de cadre de module, aux positions d'épissure de rail et aux espacements de pénétration du toit.

Les écrous à rainure en T pour les applications solaires sont généralement fabriqués en acier inoxydable (le plus courant) ou en aluminium anodisé et sont disponibles en deux variantes : des écrous en T coulissants standard qui nécessitent que l'écrou soit inséré depuis l'extrémité du rail, et des écrous à rainure en T à ressort qui peuvent être déposés dans la fente du canal par le haut à tout moment et tourner en position verrouillée lorsque le boulon est serré. Les variantes à ressort accélèrent considérablement l'installation, en particulier sur les longues baies commerciales.

Écrous hexagonaux et contre-écrous à insert en nylon (Nyloc)

Des écrous hexagonaux standard de tailles M6, M8, M10 ou 1/4"-20 et 5/16"-18 sont utilisés dans tous les ensembles de rayonnages solaires pour connecter les pieds de montage aux fixations du toit, sécuriser les épissures de rail et fixer les cosses de terre et les cavaliers de liaison. Dans n'importe quelle position soumise à des vibrations, en particulier sur les systèmes de toiture en métal ou les systèmes de montage au sol exposés aux oscillations induites par le vent, les contre-écrous à insert en nylon (communément appelés écrous Nyloc) sont préférés car l'insert en nylon adhère au filetage du boulon et résiste au desserrage sous l'effet des vibrations sans nécessiter de composés frein-filet.

Écrous à bride

Les écrous à bride intègrent une bride circulaire large, dentelée ou lisse à la base qui répartit la charge de serrage sur une plus grande surface. Dans le montage solaire, les écrous à bride dentelée sont fréquemment utilisés pour établir une liaison électrique entre les sections de rail en aluminium et le matériel de montage, car les dentelures mordent dans la surface anodisée de l'aluminium, coupant la couche d'oxyde non conductrice pour créer un contact électrique métal sur métal. Cette fonction en fait un composant à double usage : fixation mécanique et mise à la terre/liaison.

Noix borgnes et noix borgnes

Les écrous borgnes (écrous à dôme) sont utilisés dans les installations solaires principalement aux extrémités des boulons exposées sur les pinces d'extrémité et les terminaisons de rail où une extrémité de boulon filetée saillante présenterait autrement un risque de blessure pour le personnel d'entretien ou causerait des dommages par abrasion aux membranes de toiture. Ils protègent également le filetage du boulon de l'exposition directe à l'humidité, réduisant ainsi le risque de corrosion du filetage aux points de connexion critiques.

Écrous d'accouplement (entretoises hexagonales)

Les écrous d'accouplement, également appelés entretoises hexagonales ou écrous d'extension, sont des écrous hexagonaux de forme longue utilisés pour joindre deux tiges filetées bout à bout ou pour prolonger le filetage d'un boulon. Dans les installations solaires, ils apparaissent dans les systèmes de rayonnages à toit plat lestés et dans les ensembles de pieds réglables pour les structures au sol où un réglage de la hauteur est nécessaire pour niveler le réseau sur un terrain accidenté.

Sélection des matériaux : acier inoxydable, aluminium et autres options

Le matériau de vos écrous de fixation solaires détermine leurs performances contre la corrosion à long terme et leur compatibilité avec le reste du système de rayonnage. Voici une comparaison directe des matériaux les plus couramment spécifiés pour les écrous de montage de panneaux solaires :

Pour la plupart des systèmes solaires de toit résidentiels et commerciaux légers utilisant des rayonnages en aluminium, les écrous de panneaux solaires en acier inoxydable 304 constituent le choix standard et approprié. Les projets situés à moins d’un mile de l’eau salée devraient être entièrement mis à niveau vers l’acier inoxydable 316. Sur les structures en acier montées au sol où tous les composants sont en acier, les écrous galvanisés à chaud sont acceptables, mais vérifiez que l'épaisseur du revêtement de zinc répond aux minimums ASTM A153 classe C ou D pour l'exposition extérieure.

Spécifications de couple pour les écrous de montage solaire

Le couple correct est l'une des étapes les plus fréquemment ignorées dans l'installation solaire, mais il détermine directement si l'intégrité mécanique et électrique du générateur est maintenue tout au long de sa durée de vie. Sous-couple noix solaires permettent aux pinces de se déplacer sous la charge du vent, risquent de microfissuration du panneau en raison du mouvement et créent des connexions électriques à haute résistance aux points de liaison. Des écrous trop serrés dénudent les filetages en aluminium du rail, fissurent la surface anodisée et peuvent briser les extrusions du cadre du panneau.

Les spécifications de couple varient selon la taille des fixations, le fabricant de rayonnages et le type de connexion. Suivez toujours le manuel d'installation du fabricant du système de rayonnage en tant que source faisant autorité. Le tableau ci-dessous montre les valeurs de couple représentatives pour les tailles courantes d'écrous de montage solaire :

Utilisez une clé dynamométrique calibrée ou un tournevis dynamométrique pour toutes les connexions de fixations solaires – et non un tournevis à percussion réglé sur une approximation « tactile ». Les visseuses à percussion sont appropriées pour faire descendre rapidement les fixations, mais ne doivent jamais être utilisées comme étape de couple finale sur le matériel de rayonnage solaire. Une fois le couple initial appliqué, marquez chaque écrou avec une bande de couple (une ligne tracée à travers l'écrou et le boulon avec un marqueur de peinture) afin que toute rotation ultérieure due au desserrage soit immédiatement visible lors de l'inspection.

Comment fonctionnent les écrous solaires à rainure en T dans les systèmes de rayonnages sur rails

Étant donné que les écrous à rainure en T sont les écrous de montage solaire les plus largement utilisés et sont souvent mal compris par les nouveaux installateurs, cette section couvre leur mécanique et leur installation en détail.

Installation d'écrou coulissant standard à rainure en T

Les écrous à rainure en T standard doivent être chargés dans le canal du rail à partir de l'extrémité ouverte du rail avant que les embouts ou les butées de rail ne soient installés. Ils glissent librement le long du canal jusqu'à ce qu'un boulon soit inséré par le haut à travers la pince ou le matériel fixé, vissé dans l'écrou en T et serré. Lorsque le boulon est serré, les ailes de l'écrou en T sont tirées contre la face inférieure des lèvres du canal, bloquant ainsi l'écrou en position. La limitation de ce type est qu'une fois les extrémités du rail fermées ou obstruées, aucun écrou en T supplémentaire ne peut être ajouté sans démontage.

Installation d'écrous à fente en T à ressort

Les écrous à rainure en T à ressort - également appelés écrous en T ou écrous en T quart de tour - comportent un ressort qui maintient le corps de l'écrou à un angle de 45 degrés, lui permettant d'être inséré à travers l'ouverture étroite de la fente par le haut. Une fois inséré, le ressort fait tourner l'écrou à plat et les ailes s'engagent sous les lèvres du canal. Cette conception permet d'ajouter des écrous en T n'importe où le long d'un rail déjà installé à tout moment pendant l'installation, ce qui facilite grandement les ajustements de disposition à mi-installation. Sur les grands projets commerciaux, les économies de main-d'œuvre liées à l'utilisation d'écrous profilés à ressort au lieu d'écrous en T coulissants standard sont significatives.

Vérification de l'engagement de l'écrou en T avant le couple final

Avant d'appliquer le couple final à toute connexion d'écrou à rainure en T, vérifiez que l'écrou est complètement engagé en essayant de faire glisser doucement le matériel le long du rail tout en maintenant une légère pression manuelle sur le boulon. Si le matériel glisse librement, l'écrou n'est pas engagé : il peut être mal aligné, à l'envers ou posé sur le dessus du rebord du canal plutôt qu'en dessous. Un écrou en T non engagé semblera se serrer correctement mais se retirera sous charge. Ce mode de défaillance est responsable d’une proportion importante des défaillances structurelles des panneaux solaires lors d’événements de vents violents.

Dimensionnement des écrous solaires : faire correspondre le bon écrou à votre système de rayonnage

Les écrous de montage du panneau solaire doivent correspondre à la fois aux spécifications de filetage du boulon et aux dimensions de la fente du canal de rail. Le mélange de fixations à filetage métrique et impérial – une erreur courante lors du mélange de matériel de différents fournisseurs – produit des connexions qui semblent assemblées mais ont un engagement de filetage minimal et échoueront sous la charge.

• Le pas du filetage doit correspondre exactement au boulon. Un boulon M8 x 1,25 nécessite un écrou M8 x 1,25 – et non un écrou à pas fin M8 x 1,0. Un filetage croisé est possible lorsque le pas ne correspond pas, ce qui entraîne de fausses lectures de couple et une force de serrage négligeable.
• Les dimensions du corps de l'écrou à rainure en T doivent correspondre au profil du canal de rail. Différents fabricants de rayonnages utilisent différentes largeurs et profondeurs de canaux. Un écrou en T dimensionné pour un rail IronRidge XR10 ne s'adaptera pas correctement à un rail Unirac SolarMount. Procurez-vous toujours des écrous à rainure en T auprès du fabricant du système de rayonnage ou d'un fournisseur de pièces de rechange compatible vérifié.
• La hauteur des écrous est importante dans les applications à section mince. Dans les applications où le jeu entre l'écrou et l'intérieur d'un canal est serré, une hauteur de corps d'écrou surdimensionnée peut empêcher l'engagement complet des ailes de l'écrou, réduisant ainsi la force d'arrachement.
• L’utilisation de la laveuse doit suivre les directives du fabricant. Certains systèmes de rayonnages spécifient des rondelles plates sous l'écrou pour répartir la charge ; d'autres sont conçus pour être utilisés sans. L'ajout de rondelles non spécifiées dans le manuel d'installation peut modifier la géométrie de serrage et réduire la force de serrage efficace sur le cadre du module.

Liaison électrique et mise à la terre : le rôle des écrous solaires dans la sécurité du système

En plus de leur fonction mécanique, les écrous de fixation des panneaux solaires jouent un rôle direct dans la sécurité électrique d'un système photovoltaïque. Les articles NEC 690 et CEI 62548 exigent que toutes les parties métalliques exposées d'un générateur photovoltaïque, y compris les cadres de modules, les rails de rack et les structures de montage, soient collées ensemble et connectées à un système d'électrodes de mise à la terre. Cette liaison équipotentielle évite les différences de tension dangereuses entre les surfaces conductrices en cas de défaut à la terre.

Plusieurs méthodes pour réaliser cette liaison reposent directement sur les écrous et le matériel solaires à chaque point de connexion. Les écrous à bride dentelée, les rondelles de liaison (telles que les rondelles Wiley Electronics WEEB) et les pinces intermédiaires de liaison répertoriées utilisent tous la force mécanique de la fixation pour pénétrer dans la couche anodisée des composants en aluminium et établir un chemin électrique métal sur métal à faible résistance. Si ces fixations sont sous-serrées, les dentelures ou les dents de liaison ne pénètrent pas complètement dans la couche d'oxyde et la connexion de liaison présente une résistance excessivement élevée, qui peut ne pas être détectée lors d'un test de continuité standard, mais peut ne pas transporter le courant de défaut en toute sécurité lors d'un événement réel de défaut à la terre.

Lors de l'installation des écrous solaires utilisés à des fins de liaison, vérifiez que le couple correct est appliqué et que les surfaces de contact sont exemptes de saleté, d'humidité et d'oxydation excessive avant l'assemblage. Dans les situations de rénovation ou de maintenance où le matériel de liaison a été retiré et réinstallé, utilisez de nouveaux écrous dentelés plutôt que de réutiliser les originaux : les dents dentelées se déforment lors de la première installation et ne pénétreront pas aussi efficacement dans la couche d'oxyde lors de la réinstallation.

Problèmes courants causés par des écrous solaires incorrects ou mal installés

Les inspections sur le terrain des panneaux solaires, en particulier ceux installés lors de la croissance rapide de l'industrie dans les années 2010, révèlent systématiquement des problèmes liés aux fixations qui compromettent l'intégrité structurelle, la sécurité électrique et les performances à long terme du système. Voici les problèmes les plus fréquemment documentés :

• Fixations corrodées ou grippées : Les écrous en acier au carbone ou zingués se corrodent et se grippent sur les boulons dans les cinq à dix ans dans des environnements extérieurs, ce qui rend le retrait des panneaux pour l'entretien ou le remplacement extrêmement difficile et endommage le matériel de rayonnage au cours du processus.
• Pinces intermédiaires desserrées et panneaux mobiles : Les écrous à rainure en T sous-serrés permettent aux pinces centrales de glisser sous des charges de vent répétées, provoquant le déplacement des panneaux hors de leur position conçue, augmentant la contrainte sur le câblage et les connecteurs et, dans les cas graves, permettant aux panneaux de se soulever partiellement du système de montage.
• Filetages de rail dénudés : Un serrage excessif des écrous dans les rails en aluminium enlève la forme du filetage dans l'aluminium, réduisant ainsi la résistance à l'arrachement à près de zéro. Ces dommages ne sont pas visibles de l’extérieur et peuvent passer inaperçus jusqu’à un événement de vent violent.
• Échec de la continuité de la mise à la terre : Le matériel de liaison installé avec des écrous incorrects ou un couple de serrage insuffisant ne parvient pas à établir une continuité électrique appropriée à travers le réseau, créant une violation du code et un véritable danger pour la sécurité difficile à détecter sans un équipement de test spécialisé à faible résistance.
• Corrosion galvanique aux interfaces mixtes métalliques : L'utilisation d'écrous en acier au carbone ou zingués contre des rayonnages en aluminium crée une corrosion poudreuse blanche (oxyde d'aluminium) et une contamination par la rouille rouge qui affaiblit à la fois la fixation et le rail au point de contact au fil du temps.

Acheter des noix solaires : ce qu'il faut vérifier avant de commander

Lorsque vous recherchez des écrous et du matériel pour panneaux solaires pour une nouvelle installation ou un projet de maintenance, utilisez cette liste de contrôle pour vous assurer que vous commandez le bon produit :

• Confirmez la marque du système de rayonnage et le profil du rail : Les écrous à rainure en T sont spécifiques au rail. Identifiez votre fabricant et votre modèle de rail avant de commander. L'utilisation d'un écrou en T universel ou « compatible » provenant d'un tiers sans vérifier les spécifications dimensionnelles par rapport au dessin du canal de rail est une source courante de problèmes de montage.
• Vérifiez la taille et le pas du filetage : Vérifiez si votre système de rayonnage utilise des fixations métriques (M6, M8, M10) ou impériales (1/4"-20, 5/16"-18, 3/8"-16). La plupart des rayonnages résidentiels nord-américains utilisent des fixations impériales ; de nombreux systèmes européens et certains systèmes commerciaux utilisent des systèmes métriques.
• Spécifiez la qualité du matériau : Pour les rayonnages en aluminium, commandez de l'acier inoxydable 304 ou 316. Demandez une certification de matériau ou au minimum confirmez la qualité sur la liste des produits. Le matériel générique « inoxydable » provenant de sources non vérifiées est parfois de la série 200, qui présente une résistance à la corrosion nettement inférieure à celle du 304 ou du 316.
• Vérifiez si les kits de matériel sont inclus avec les pinces : De nombreux fabricants de rayonnages fournissent des pinces centrales et des pinces d'extrémité avec des écrous et des boulons à rainure en T inclus. Commander des écrous desserrés supplémentaires pour ces composants crée un risque de mélange de matériel incompatible. Comptez ce qui est inclus dans votre kit de serrage avant de commander des attaches supplémentaires.
• Commandez un surplus de 10 à 15 % : Les petits composants de fixation tombent facilement sur les toits ou sont égarés lors de l'installation. Avoir une quantité tampon évite les retards du projet causés par une pénurie d'une taille d'écrou spécifique le jour de l'installation.