Cadre aluminium

1. Rôle

Le cadre aluminium remplit trois fonctions simultanées sur un module photovoltaïque :

• Rigidité mécanique — il transforme un sandwich verre/EVA/cellules/EVA/backsheet, fragile pris seul, en un objet manipulable et capable d'encaisser les charges climatiques (neige sur la face avant, vent en arrachement sur la face arrière). Sans cadre, le verre se déformerait sous charge et casserait les cellules.
• Interface de fixation — il définit la zone d'appui des clamps (pinces) qui solidarisent le module aux rails de la structure de toiture. La géométrie de la gouttière interne et la position des perçages déterminent jusqu'où on peut serrer sans déformer le profilé.
• Continuité électrique — il sert de masse métallique commune des éléments conducteurs accessibles. Il doit être relié au conducteur de protection (PE) pour l'équipotentialité de l'installation.

2. Matériau

Les cadres de modules PV utilisent quasi-systématiquement un alliage d'aluminium de la série 6000 (alliage Al-Mg-Si), dans une variante adaptée à l'extrusion et au vieillissement artificiel.

• 6063-T5 : alliage le plus répandu pour les cadres PV. Bon compromis entre résistance mécanique, extrudabilité (formes complexes possibles) et coût.
• 6005-T5 : alternative de plus en plus utilisée, plus résistante que le 6063 tout en restant bien soudable et formable. Privilégiée pour les modules grand format ou en environnement sévère.
• 6061-T6 : utilisé par certains fabricants, résistance mécanique encore supérieure mais légèrement plus difficile à extruder finement.

La surface est ensuite traitée par anodisation électrolytique, qui crée une couche d'oxyde d'aluminium dure et corrosion-résistante. L'épaisseur typique est de 15 µm ou plus, en finition argent (aluminium naturel) ou noir (anodisation colorée), selon le rendu esthétique recherché par le fabricant.

3. Procédé de fabrication

1. Coulée du billet — l'alliage 6063 ou 6005 est coulé en billet cylindrique.
2. Extrusion à chaud — le billet, porté à ~450-500 °C, est poussé à travers une matrice qui lui donne sa section (profilé en U avec gouttière interne, perçages plus tard).
3. Trempe et revenu T5 — refroidissement contrôlé en sortie de matrice puis vieillissement artificiel au four (revenu) pour atteindre la dureté T5.
4. Coupe à longueur — les profilés sont coupés aux longueurs des grands et petits côtés du module.
5. Perçage CNC — trous de drainage, trous de fixation et trou de mise à la terre (souvent identifié par un pictogramme).
6. Anodisation — bain d'acide sulfurique sous tension : l'aluminium s'oxyde en surface, formation d'une couche d'Al₂O₃ poreuse, colorée optionnellement, puis colmatée à l'eau bouillante.
7. Assemblage — les 4 sections sont assemblées en cadre fermé par sertissage d'angles (clips coins) ou vissage/collage selon le fabricant. Le module est ensuite inséré et fixé dans la gouttière du cadre.

4. Caractéristiques techniques

• Hauteur du profilé : 30 à 40 mm typiquement pour les modules résidentiels et commerciaux 60/72 cellules ou 108/144 demi-cellules.
• Section : profilé en U avec gouttière interne tapissée d'un joint silicone ou butyl recevant le bord du verre et du backsheet.
• Trous de fixation : généralement 4 trous sur la face arrière des grands côtés pour fixation directe à des crochets/vis, complémentaires aux clamps serrés sur les bords.
• Point de mise à la terre : un trou identifié (souvent symbole « ⏚ ») prévu pour vis M5 ou M6, avec rondelle crantée qui mord à travers l'anodisation pour assurer le contact électrique avec l'aluminium nu.
• Trous de drainage : petits perçages sur la face inférieure (côté bas en position installée) pour évacuer la condensation interne et éviter l'accumulation d'eau dans la gouttière.

5. Standards & normes

• IEC 61215(Design qualification & type approval) — impose un test de charge mécanique uniforme : trois cycles d'une heure à 2400 Pa appliqués alternativement sur les faces avant et arrière (charge vent équivalente ~130-150 km/h selon configuration de pose). Un test de charge enforcée à 5400 Pa sur la face avant simule l'accumulation neige (~ 1 à 1,5 m de couche sur le module). Le cadre est l'élément dimensionnant pour ces tests.
• IEC 61730-2 (Module safety qualification — Testing) — décrit les essais de sécurité électrique et mécanique du module. Le cadre, considéré comme structure auxiliaire de montage, peut être mis à la terre dans ce cadre.
• IEC 60364-7-712 (Installations électriques BT — partie 7-712 : alimentations photovoltaïques) — exige la connexion des masses métalliques accessibles au conducteur de protection pour l'équipotentialité. Référence européenne applicable en Belgique.
• RGIE — le règlement belge renvoie à l'équipotentialité et la mise à la terre des masses métalliques des installations électriques, applicable aux modules PV via leur cadre.

6. Modes de défaillance

• Corrosion galvanique — contact direct entre l'aluminium du cadre et un acier (vis, clamp, rail) sans isolation peut amorcer une corrosion bimétallique en milieu humide. Les clamps et accessoires acier inox sont préférés, avec rondelle plastique si la corrosion est suspectée.
• Délamination de l'anodisation — en environnement marin (sel) ou sous UV intenses, la couche anodisée peut s'écailler localement, laissant l'aluminium nu exposé. Visible à l'œil : taches blanches ou voile blanchâtre.
• Déformation par charge neige excessive — au-delà du dimensionnement IEC, le cadre peut prendre une flèche permanente qui désaffleure le verre et fissure des cellules. Diagnostic terrain : règle posée sur le grand côté qui révèle un creux.
• Mise à la terre desserrée — vis du point de terre qui se détend par cycles thermiques répétés. Vérification périodique au couple recommandé par le fabricant, et contrôle de continuité PE depuis le tableau jusqu'au cadre.
• Infiltration par gouttière encrassée — les feuilles ou pollen qui s'accumulent dans la gouttière du cadre peuvent à terme retenir l'humidité contre le bord du verre et favoriser la délamination du laminé.

7. Points d'attention installation

• Mise à la terre obligatoire — chaque module (ou chaîne de modules par continuité de cadres) doit être relié au PE de l'installation, conformément à IEC 60364-7-712 et au RGIE. Le câble PE doit être en cuivre, section conforme à la réglementation locale.
• Continuité entre cadres— sur une string, la continuité entre les cadres successifs est en général assurée par les clamps métalliques qui mordent l'anodisation. La continuité doit être vérifiée à l'ohmmètre (cible < 1 Ω entre cadre et PE).
• Couple de serrage des clamps — toujours respecter la valeur fabricant indiquée dans la fiche technique du module et du rail. Un serrage trop faible fait perdre la continuité électrique et la résistance au vent ; un serrage excessif déforme le cadre et peut fissurer le verre.
• Dilatation thermique — l'aluminium se dilate d'environ 0,024 mm/m/°C. Sur de longues files de modules en série, prévoir un jeu entre les modules (souvent 10 mm est préconisé par les fabricants de rails) pour éviter les contraintes en compression l'été.
• Compatibilité bimétallique — éviter le contact direct cuivre nu / aluminium nu (couple galvanique défavorable). Utiliser des cosses bimétal ou des intercalaires adaptés au point de mise à la terre.