La baisse de la résistance à la compression du verre des modules solaires serait-elle en partie responsable de certains modes de défaillance spécifiques observés sur le terrain et associés aux nouveaux modèles de modules ultra-grand format ? Pour le savoir, nous avons interrogé un expert en fiabilité du verre.
JAMES WEBB, CORNING
Le Dr James Webb est directeur de recherche senior en sciences de la fiabilité chez Corning, un fabricant de verre pionnier fondé en 1851. Aujourd’hui, Corning propose des produits de pointe destinés à diverses applications, telles que les communications optiques, l’électronique grand public mobile, les écrans, les équipements automobiles et les sciences de la vie. Les activités de recherche, de développement et d’ingénierie du Dr Webb sont au cœur des innovations de l’entreprise en matière de produits et de procédés dans les domaines de la céramique et du verre de spécialité.
RETC : Quels sont les défis liés à l'utilisation du verre comme matériau de structure ?
JW : Le verre est un matériau unique, largement utilisé pour deux propriétés principales : sa stabilité chimique et sa transparence visuelle. Certes, le verre n’est généralement pas utilisé comme poutre principale pour soutenir un bâtiment, mais on l’utilise tout de même, en quelque sorte, pour gérer les charges appliquées. Ce qui est intéressant avec le verre en tant que matériau de structure, c’est que sa résistance est en grande partie une propriété extrinsèque, ce qui signifie qu’elle dépend d’un traitement que l’on applique au verre et qui modifie sa résistance. La résistance des fibres optiques en verre de la meilleure qualité disponibles dans le commerce est de l’ordre de 10 à 14 gigapascals, ce qui se rapproche des limites théoriques. À titre de comparaison, la résistance pratique du verre plat est inférieure de plusieurs ordres de grandeur, de l’ordre de 70 à 100 mégapascals (MPa). Ce qui détermine la résistance du verre, c’est en grande partie le traitement que les fabricants appliquent à sa surface. Par exemple, le trempage thermique confère une résistance à la compression à la surface du verre. Cette résistance à la compression offre une protection contre les défauts de surface qui, sans cela, altéreraient la résistance intrinsèque du verre. Les défauts résultant des processus de fabrication, de manutention ou de l’exposition à l’environnement réduisent la résistance structurelle du verre.
RETC : En quoi le verre renforcé thermiquement diffère-t-il du verre trempé ?
JW : La meilleure façon de comprendre ces différences est de se référer à la norme ASTM C1048 intitulée « Spécification standard pour le verre renforcé thermiquement et le verre entièrement trempé ». Cette norme établit une distinction entre le verre entièrement trempé et le verre renforcé thermiquement en fonction des niveaux de contrainte de surface et des types de rupture. Par exemple, la norme définit le verre trempé comme présentant une contrainte de surface minimale de 69 MPa, tandis que le verre thermoressorbié présente une contrainte de compression superficielle comprise entre 24 et 52 MPa. En ce qui concerne les modes de rupture, le niveau de contrainte du verre trempé est conçu pour garantir, dans un souci de sécurité accrue, que le verre se brise en petits morceaux cubiques plutôt qu’en éclats pointus et irréguliers. Alors que le verre entièrement trempé répond aux exigences du code de la construction en matière de verre de sécurité, ce n’est pas le cas du verre renforcé thermiquement. Le verre recuit [verre flotté ordinaire] présente une résistance à la compression superficielle inférieure à 24 MPa et peut se briser en éclats coupants, ce qui peut présenter un risque de blessure.
RETC : Y a-t-il un lien entre l'épaisseur du verre et son renforcement thermique ?
JW : Lorsqu’une pièce de verre est trempée, sa température est portée à une valeur comprise entre les températures de recuit et de ramollissement, ce qui permet au verre d’ajuster rapidement ses contraintes internes. Elle est ensuite refroidie rapidement. Pendant le refroidissement, la surface du verre se contracte en premier, tandis que l’intérieur du verre conserve sa capacité à s’écouler. Une compression superficielle s’installe alors à mesure que l’intérieur achève son processus de refroidissement, de retrait et de solidification. Il en résulte une contrainte de traction au centre du verre et une contrainte de compression sur la surface extérieure. Ce qui détermine le processus de trempe, c’est la capacité du fabricant à créer un différentiel de température sur toute l’épaisseur du verre.
RETC : Est-il possible de tremper entièrement des feuilles de verre plus fines ?
JW : Oui, c'est vrai. Cependant, la différence de température dans le verre diminue à mesure que la distance physique entre l'intérieur et l'extérieur diminue. À moins de prendre des mesures pour extraire rapidement davantage de chaleur de la surface d'un verre plus fin, la différence de température ne sera pas suffisante pour générer une contrainte de trempe. Avec un verre de 2,0 mm [0,08 pouce], une forme de refroidissement accéléré — tel que l’air pulsé — est nécessaire pour le tremper. Cependant, cela peut nécessiter des équipements de fabrication différents et poser éventuellement des problèmes en termes de coût. Lorsque l’on utilise l’infrastructure de fabrication existante pour produire du verre plus fin destiné à des applications architecturales, il se peut que l’on ne puisse produire que du verre renforcé thermiquement.
RETC : Existe-t-il des alternatives pratiques au renforcement thermique pour le verre solaire ?
JW : Le trempage chimique est une alternative au trempage thermique. Corning utilise le trempage chimique pour fabriquer son verre Gorilla Glass, qui est utilisé dans les produits des secteurs de l’électronique grand public mobile et de l’automobile. Le trempage chimique consiste à plonger le verre dans un bain de sel de potassium fondu et à remplacer les ions sodium par des ions potassium. Le potassium étant beaucoup plus gros que le sodium, le processus revient en quelque sorte à enfoncer un ion plus gros dans un petit trou. Le trempage chimique génère des contraintes de compression qui peuvent être bien supérieures à celles obtenues par trempage thermique. Bien qu’il s’agisse d’un procédé efficace pour produire du verre présentant un profil de résistance impressionnant, une analyse coûts-avantages est nécessaire pour déterminer s’il convient aux applications solaires. Le trempage thermique offre un bon équilibre entre coût et résistance. Une autre option consiste, pour les fabricants, à optimiser la résistance du verre en adoptant des stratégies de conception des panneaux, des procédés et des systèmes qui réduisent les contraintes subies par le verre, améliorent sa manipulation et limitent les dommages limitant sa résistance.
«Malheureusement, le simple fait d'acheter du verre résistant et de l'intégrer dans un processus de fabrication ne garantit pas nécessairement l'obtention d'un module solaire résistant. Le verre doit conserver sa résistance tout au long de l'assemblage du module, ce qui n'est pas un processus anodin. »
RETC : L'utilisation d'un verre plus fin est-elle un bon moyen pour les fabricants de modules de réduire leurs coûts ?
JW : On pense souvent que le verre devient moins cher à mesure qu’il s’amincit, ce qui n’est pas nécessairement vrai. Il est certain que l’on peut réduire le poids en utilisant du verre plus fin. De même, on peut produire davantage de verre en fonction de la quantité de matière première introduite dans le bac. Cependant, l’épaisseur de verre la plus rentable dépend en partie du procédé de fabrication. La fabrication du verre flotté est un processus complexe. La vitesse du processus doit être adaptée. Des rouleaux sont utilisés pour étirer le verre. Des rouleaux servent également à obtenir la texture AR (antireflet) utilisée sur le verre solaire. À mesure que le verre s'amincit, les exigences en matière de manutention évoluent également. Les équipements de manutention, de prélèvement et de mise en place, ainsi que les équipements de laminage, doivent être adaptés pour tenir compte de la flexibilité accrue d’un verre plus fin. Les ajustements courants consistent notamment à réduire l’espacement entre les rouleaux et les ventouses. Les bords du verre fin présentent des rayons plus petits, ce qui peut avoir des implications en termes de résistance aux chocs pendant le processus de fabrication. Il peut y avoir une augmentation à court terme des problèmes de manutention à mesure que le verre solaire s’amincit. S’il est possible de fabriquer du verre plus fin et très résistant, il s’agit également d’un processus d’apprentissage.
RETC : Comment le secteur de l'énergie solaire peut-il remédier aux problèmes liés au bris de verre ?
JW : Tous les fabricants de verre disposent d’un processus relativement structuré pour faire passer le verre de leurs chaînes de production à un emballage en vue de son expédition. Ils ont tous mis en place des stratégies pour emballer, séparer et livrer le verre au client. Bien qu’il puisse exister de légères différences d’un fabricant à l’autre, il est raisonnable de supposer que le verre sortant de ces emballages respecte généralement les spécifications de résistance à la compression définies dans la norme ASTM C1048. Malheureusement, le simple fait d’acheter du verre résistant et de l’intégrer dans un processus de fabrication ne garantit pas nécessairement l’obtention d’un module solaire résistant. Le verre doit conserver sa résistance tout au long de l’assemblage du module, qui n’est pas un processus anodin. Si les fabricants de modules ne prêtent pas attention à ce qu’ils font pendant le processus d’assemblage, ils peuvent introduire des défauts qui réduisent la résistance du verre. Il en va de même lors de l’installation, de l’exploitation et de la maintenance. Il est important de veiller à préserver la résistance du verre.
Cet entretien avec James Webb a été initialement publié dans la rubrique « Tendances du secteur » du rapport « PV Module Index » de 2024.
