Matériaux d'isolation et de gaine des câbles photovoltaïques à courant continu : Guide technique

Lors de l'évaluation des câbles photovoltaïques à courant continu, l'attention se porte généralement sur le conducteur. Cependant, pour les applications photovoltaïques extérieures à long terme, l'isolation et la gaine extérieure sont tout aussi importantes.

Les couches extérieures d'un câble PV CC sont généralement divisées en deux parties principales :

• Couche isolante – entoure directement le conducteur et assure principalement l'isolation électrique.
• Enveloppe extérieure / Veste – la couche protectrice la plus extérieure, principalement responsable de la résistance aux intempéries, aux UV, à l'abrasion et de la protection mécanique.

Pour les câbles PV typiques tels que H1Z2Z2‑K, différents matériaux d'isolation et de gaine peuvent être sélectionnés en fonction des performances électriques, environnementales, mécaniques et de sécurité requises.

1. XLPE – Polyéthylène réticulé

Le XLPE (polyéthylène réticulé) est un matériau isolant éprouvé, largement utilisé dans les câbles d'alimentation.

Grâce à un procédé de réticulation, le polyéthylène acquiert une structure moléculaire plus stable. Comparé au PE conventionnel, le XLPE présente généralement des propriétés améliorées :

• résistance à la chaleur
• performances d'isolation électrique
• résistance au vieillissement
• résistance chimique
• Stabilité dimensionnelle

Dans les câbles photovoltaïques, le XLPE peut être utilisé à la fois pour la couche isolante et la gaine extérieure, selon la conception et la formulation du câble.

Il convient toutefois de faire une distinction importante :
L'appellation XLPE ne signifie pas automatiquement qu'un matériau est spécifiquement formulé pour des applications photovoltaïques.

Pour les applications photovoltaïques extérieures à long terme, la formulation du matériau doit également offrir une résistance suffisante à :

• rayonnement UV
• Ozone
• vieillissement thermique
• Humidité
• cycles de température
• altération extérieure

Les performances réelles dépendent donc non seulement du polymère de base, mais aussi de la formulation complète du matériau et de la norme de câble applicable.

2. XLPO – Polyoléfine réticulée

Pour les câbles photovoltaïques modernes, le XLPO est une catégorie de matériaux importante.

XLPO signifie polyoléfine réticulée. Contrairement à un polymère spécifique, XLPO désigne une famille de matériaux à base de polyoléfine réticulée dont les formulations peuvent être adaptées à des applications spécifiques de câbles.

Pour les applications photovoltaïques, les formulations XLPO peuvent être optimisées pour fournir :

• Haute résistance aux UV
• résistance à l'ozone
• Résistance à l'humidité
• résistance à la chaleur
• résistance aux basses températures
• Bonne isolation électrique
• résistance aux intempéries à long terme
• Bonne flexibilité

C’est pourquoi les matériaux à base de XLPO sont largement utilisés dans les conceptions modernes de câbles photovoltaïques, y compris les applications associées aux normes de câbles PV1-F et H1Z2Z2-K.

Un câble photovoltaïque peut être installé dans des environnements tels que :
Toitures → Structures de montage photovoltaïques → Chemins de câbles extérieurs → Centrales solaires au sol

Ces installations exposent le câble à des risques à long terme :
Rayonnement UV + températures élevées + variations de température + humidité + ozone + eau de pluie

L'un des avantages du XLPO est que sa formulation peut être spécifiquement conçue pour résister à ces contraintes environnementales.

3. PO – Polyoléfine

Le PO (polyoléfine) est une famille de matériaux plus large qui comprend des polymères tels que le PE et le PP.

Dans l'industrie du câble, les matériaux à base de polyoléfine peuvent être modifiés et formulés pour fournir :

• Bonne isolation électrique
• faible absorption d'eau
• résistance chimique
• résistance aux UV
• Bonne flexibilité

Il convient toutefois de faire une distinction importante :
Le bon de commande standard n'est pas la même chose que le bon de commande XLPO.

Le XLPO subit un processus de réticulation et peut offrir une meilleure stabilité thermique, une résistance environnementale accrue et des performances à long terme dans des conditions exigeantes.

Par conséquent, lors de l'achat de câbles photovoltaïques, la simple mention « polyoléfine » ne garantit pas l'utilisation d'un matériau de haute performance adapté à l'application photovoltaïque. Il est impératif de toujours vérifier les spécifications complètes du matériau et la norme applicable.

4. PVC – Chlorure de polyvinyle

Le PVC (polychlorure de vinyle) est l'un des matériaux d'isolation et de gaine les plus utilisés dans l'industrie du câble.

Ses avantages comprennent :

• Coût des matériaux relativement faible
• Traitement facile
• Bonne flexibilité
• Bonnes performances mécaniques
• Propriétés ignifuges ajustables par formulation

Cependant, pour les applications photovoltaïques extérieures à long terme, le PVC nécessite une attention particulière.

Exposition à long terme à :
Rayonnement UV + température élevée + oxydation + humidité
peut entraîner les problèmes suivants pour certaines formulations de PVC :

• Vieillissement
• durcissement
• Craquement
• Dégradation de surface

Par conséquent, le PVC standard n'est généralement pas le matériau de prédilection pour les câbles photovoltaïques d'extérieur destinés à une utilisation intensive et de longue durée. Néanmoins, il reste largement utilisé pour les câbles d'intérieur et les applications où les exigences environnementales sont moins contraignantes.

5. EPR – Caoutchouc éthylène-propylène

L'EPR (caoutchouc éthylène-propylène) est un matériau isolant élastomère.

Ses principales caractéristiques sont les suivantes :

• Excellente flexibilité
• haute résistance à la chaleur
• Excellente résistance à l'humidité
• performances d'isolation électrique élevées
• résistance à l'ozone
• Bonne résistance au vieillissement environnemental

L'EPR est donc important dans certains câbles d'alimentation haute performance et applications de câbles spécialisés.

L'un de ses principaux avantages est sa capacité à maintenir de bonnes performances dans des conditions telles que :
Exigences élevées en matière de température, d'humidité et de flexibilité

Cependant, l'EPR est généralement moins courant que les matériaux à base de polyoléfines dans les applications standard de câbles PV CC.

6. TPU – Polyuréthane thermoplastique

Le TPU (polyuréthane thermoplastique) est un matériau particulièrement intéressant pour le gainage des câbles.

Ses principaux avantages sont liés à la protection mécanique, notamment :

• Excellente résistance à l'abrasion
• Résistance à la déchirure
• résistance à l'huile
• résistance chimique
• Grande flexibilité
• résistance aux dommages mécaniques
• Bonne flexibilité à basse température

Le TPU peut donc s'avérer avantageux pour les câbles soumis à des mouvements répétés, à des frottements, à des flexions ou à des frictions mécaniques.

Les applications typiques peuvent inclure :

• Équipement mobile
• Systèmes robotiques
• systèmes de suivi solaire
• Équipement spécialisé pour l'extérieur

Cependant, le TPU n'est pas nécessairement le matériau de gaine standard pour toutes les conceptions de câbles photovoltaïques.

7. LSZH / LS0H – Faible émission de fumée et sans halogène

LSZH (faible émission de fumée et zéro halogène), également écrit LS0H, est mieux compris comme une catégorie de performance des matériaux plutôt que comme un plastique spécifique.

Son objectif principal est de réduire :
génération de fumée
émissions de gaz contenant des halogènes
pendant un incendie.

Les matériaux LSZH peuvent être particulièrement pertinents pour :

• Bâtiments
• Systèmes électriques intérieurs
• Zones à forte occupation
• Tunnels
• centres de données
• Installations industrielles spécialisées

Les formulations LSZH typiques se concentrent sur :
Faible dégagement de fumée + sans halogène + ignifuge
plutôt que de simplement minimiser le coût des matériaux.

Quelles sont les fonctions de la « couche extérieure » d'un câble photovoltaïque ?

Une façon simple de comprendre un câble photovoltaïque est :
Le conducteur transporte le courant électrique, tandis que l'isolation et la gaine du câble protègent le système électrique.

L'isolation et la gaine remplissent plusieurs fonctions essentielles.

1. Isolation électrique

   La couche isolante sépare le conducteur de l'environnement extérieur et contribue à prévenir :
   Courts-circuits entre conducteurs, contact avec des équipements, contact humain accidentel, courants de fuite et défauts à la terre

2. Tension de tenue au système

   Par exemple, un câble photovoltaïque de 1 500 V CC doit conserver une isolation électrique stable sous contrainte de tension continue prolongée. Le choix des matériaux doit donc prendre en compte des paramètres tels que la rigidité diélectrique, la résistance d’isolement, la résistivité volumique et la tenue au vieillissement électrique à long terme. La seule résistance mécanique ne suffit pas à déterminer si un matériau convient à un câble photovoltaïque haute tension.

3. Résistance aux UV

   L'exposition aux UV est l'une des principales différences entre les câbles conventionnels et les câbles photovoltaïques. Un câble conventionnel peut être installé à l'intérieur, dans des conduits ou dans des chemins de câbles protégés. Un câble photovoltaïque, en revanche, est souvent installé directement en plein soleil. Une exposition prolongée peut entraîner une combinaison de facteurs : rayonnement UV → chaleur → oxydation → vieillissement du matériau. Par conséquent, les matériaux des câbles photovoltaïques nécessitent généralement des formulations spécifiques conçues pour résister aux UV et aux intempéries sur le long terme.

4. Résistance aux cycles de température

   Un câble photovoltaïque peut subir les variations suivantes : basses températures le matin, températures élevées à midi, puis refroidissement la nuit. Ces cycles thermiques peuvent se répéter des milliers de fois au cours de la durée de vie d’une installation solaire. Par conséquent, les matériaux utilisés pour les câbles doivent présenter les caractéristiques suivantes : stabilité thermique, résistance au vieillissement thermique et flexibilité à basse température.

5. Résistance à l'eau et à l'humidité

   Ceci est particulièrement important pour : les systèmes photovoltaïques agricoles, les centrales solaires au sol, les projets côtiers, les environnements à forte humidité et les systèmes photovoltaïques en toiture. Les câbles photovoltaïques peuvent être exposés à la pluie, à l’humidité et à la condensation. Par conséquent, l’absorption d’eau et la résistance à l’humidité à long terme sont des critères importants à prendre en compte lors du choix des matériaux.

6. Résistance à l'ozone et au vieillissement environnemental

   Les câbles photovoltaïques extérieurs sont exposés non seulement aux rayons UV, mais aussi à l'ozone et à d'autres agents oxydants. Avec le temps, les matériaux inadaptés peuvent présenter les problèmes suivants : fissuration de surface → propagation des fissures → réduction des performances d'isolation. C'est pourquoi la résistance à l'ozone et au vieillissement environnemental sont des paramètres essentiels pour les applications photovoltaïques extérieures de longue durée.

7. Protection mécanique

   Lors de l'installation et de l'utilisation, les câbles photovoltaïques peuvent subir des tractions, des flexions, des abrasions, des compressions, des frottements contre les structures de montage, des chocs ou des piétinements accidentels. La gaine extérieure assure donc bien plus qu'une simple isolation : elle constitue également une importante couche de protection mécanique.

Une méthode pratique pour comprendre le choix des matériaux des câbles photovoltaïques

Pour les contenus techniques destinés aux entreprises EPC, aux fabricants de modules photovoltaïques, aux fabricants de faisceaux de câbles, aux distributeurs et aux développeurs de projets solaires, il est préférable de ne pas simplement affirmer qu'un matériau est « le meilleur ».

Une approche plus professionnelle consiste à évaluer la candidature dans son intégralité :

Le matériau d'isolation et de gaine approprié dépend de l'environnement d'installation, de la tension du système, de la plage de température, des contraintes mécaniques, de la durée de vie requise et de la norme de câble applicable.

Pour l'achat de câbles photovoltaïques, il est donc important d'évaluer non seulement le nom du polymère, mais aussi la formulation complète du matériau, la construction du câble, les exigences de test, la certification et l'environnement d'application prévu.