Réalisation d'une pergola photovoltaïque

Si la pose de panneaux photovoltaïques au sol ne nécessite pas d'autorisation (jusqu'à 3 kWc), les supports à plus de 1m80 doivent être déclarés à l'urbanisme.
La demande préalable a été faite en Juin 2024 mais la réponse positive n'a été reçue qu'en Septembre après de multiples allers et retours avec l'urbanisme ce qui m'a permis de travailler sur les plans du projet.
La structure prévue sera donc une structure en bois composée de 4 poteaux et d'un cadre qui recevra les panneaux.
L'ensemble devra s'adapter à une terrasse déjà construite (écartement des poteaux fixé par la présence de plots béton).

Le kit est composé de 4 panneaux de 1955 mm x 1134 mm x 30 mm, chaque panneau pesant 27 kg (donc 108 kg de charge sur la structure de la pergola). Les panneaux seront disposés 2 par 2 (longueur des panneaux dans la longueur de la pergola). Ils disposent de cadres en aluminium de 30 mm qu'il faudra fixer sur la structure en bois de la pergola.

Le toit de la pergola sera légèrement incliné vers l'avant (50 mm) pour éviter la stagnation de l'eau sur les panneaux en cas de pluie.
La dimension hors tout du projet est de 4m x 2m36 x 2m40.

Le dimensionnement a été fait au feeling car je ne suis pas charpentier, je me suis aidé de SketchUp pour élaborer des ébauches que j'ai corrigées au fur et à mesure que je rencontrais des difficultés potentielles de réalisation ou de montage.

La caractéristique principale de cette pergola est que la ceinture de la pergola sera "pincée" dans des poteaux moisés.

Ce choix a été fait lorsque j'ai commencé à rechercher du bois dans ma région. Au départ je voulais tout faire en Douglas, mais je n'ai pas trouvé de fournisseur avec du stock ou alors à des prix prohibitifs donc je me suis rabattu sur du pin Classe 4 en pensant quand même trouver des poteaux de 145x145 "acceptables" mais tout ce que j'ai vu ce sont des poteaux complètement vrillés et fendus.
Plutôt que de galérer avec des bouts de bois très chers et inutilisables j'ai donc pensé à la solution du moisage.

En fait je prévois d'utiliser un poteau de l'épaisseur des longerons que je boulonnerai à 2 bastaings pour pouvoir moiser les longerons. Cela devrait donner suffisamment d'inertie aux poteaux pour supporter la structure et les panneaux.
Un autre élément déterminant dans la conception est la façon dont les panneaux solaires seront fixés sur la pergola. Ceux ci font 30 mm d'épaisseur et ont un cadre aluminium de 30 mm de largeur (généralement utilisé soient pour être vissé sur des rails en métal soit pour être pincé avec des cavaliers toujours sur des rails - ce qui n'est pas dans mes plans).

Dans mon cas j'ai pensé que la dilatation différentielle entre le bois et les panneaux risque d'être problématique, c'est pourquoi je vais dans un premier temps poser les panneaux sur le cadre de la pergola en laissant un espace de 10/15 mm entre les panneaux afin qu'ils puissent bouger entre eux. Pour les protéger de la prise au vent je compte laisser un débord extérieur de 30 mm de haut avec une épaisseur suffisante pour résister aux intempéries
Cela impose l'épaisseur mini des pièces qui feront le cadre extérieur : 30 mm de cadre du panneau + 15 mm de débattement + 20/30 mm de débord = 60 / 70 mm .
Pour maintenir les panneaux au centre il faut également prévoir une croix dont la section est également fixée par les dimensions du cadre des panneaux: 30 mm + 30 mm + 10/15 mm de débattement : épaisseur 70/75mm.
Pour la fixation proprement dite des panneaux sur la structure, je vais soit bloquer les panneaux dans un profilé alu soit utiliser des petites équerres.

Le choix d'une section "acceptable des pièces compte tenu du poids des panneaux (108 kg) ajouté au poids de la structure devra donc permettre d'éviter une flèche marquée au centre: les panneaux n'apprécieraient pas trop.
Sans trop essayer de faire de savants calculs, je suis parti sur une section de 145 mm pour la croix centrale et une section minimale de 175 mm sur la ceinture de la pergola.
L'épaisseur de la ceinture conditionne également le dimensionnement des poteaux moisés dont l'espace intérieur doit correspondre à celui de la ceinture.

Au final, après avoir fait établir plusieurs devis (chaque fournisseur ne disposant pas toujours de toutes les dimensions du marché en stock) le choix retenu a été le suivant (confirmé par le fournisseur après consultation de ses abaques de dimensionnement).

• Ceinture : Bastaings de 220x70 en 4m (longueur) et 5m (pour 2 largeurs)
• Croix intérieure : Bastaings de 145 x 70 en 4m et 3m
• Poteaux moisés : Bastaings de 145 x 70 en 5m + poteau de 70 x 70 (moisage)
• Traverses de renforts: planches de 145 x 45 en 4m et 3 m

Le hic c'est qu'il y a 330 kg de bois dont les longerons de la longueur (3m90) en 220 x 70 de 35 kg.
En plus je ne suis pas du tout équipé pour travailler de tels mastodontes

• Une scie à onglets
• Une scie plongeante Festool limitée à 45 mm avec le rail
• Une défonceuse Bosch
• Une perceuse bien fatiguée
• Une ponceuse à bande Parkside
• Des outils à mains (scie, ciseaux à bois).

Au départ, je comptais assembler le cadre au sol puis à l'aide d'un support type échelle le monter progressivement sur les poteaux moisés.
Un rapide calcul m'a montré que le cadre et la ceinture feraient plus 120 kg et qu'il ne serait pas possible de monter le tout à 2m40. (je ne compte pas ameuter le quartier pour ça). Il faut donc que j'adapte les plans et l'assemblage pour faire ça sans trop d'effort.
Pour cela, il faut que ma structure devienne stable dès les premières étapes d'assemblage c'est pourquoi j'ai imaginé le scénario suivant

Cet assemblage permet à la structure d'être auto stable dès que les traverses arrière sont fixées et de pouvoir monter le reste de la pergola pièce par pièce sans se soucier de maintenir en équilibre des pièces très lourdes (poteaux de 40 kg, longerons de 35 kg etc..)
Pour cela il faut pouvoir emboiter les pièces sans avoir à modifier la structure de la pergola (comme on le fait quand on doit assembler un cadre par tenons/mortaise par exemple).
Donc pas d'assemblage sophistiqué (du reste est ce que j'en serais capable ?). Les pièces seront vissées ou mieux boulonnées entre elles (c'est préférable pour les assemblages soumis aux intempéries). Pour éviter d'avoir à galérer pour positionner les pièces je prévois de réaliser des épaulements de 20 mm qui permettront de positionner les pièces par le dessus avant vissage

Plan des poteaux moisés

Je prévois de boulonner les 3 pièces (2 bastaing de 145x70 entourant un poteau de 70x70) avec des tiges de 12 mm (même avec une classe de résistance faible type 4.8, ce type de boulonnage a une résistance au cisaillement et à la traction de plusieurs tonnes.)

Il y a quand même une petite difficulté à la chose car je compte biseauter la partie intérieure basse des longerons (principalement pour enlever un peu de poids mais aussi pour alléger visuellement le raccord entre la croix intérieure et les longerons) ce qui donne un profil un peu particulier en haut à l'intérieur des poteaux (compliqué également par le fait qu'il faut donner une légère pente à l'ensemble vu que les poteaux avant sont moins hauts qu'à l'arrière).

Je comptais aller plus loin dans l'allègement de la ceinture et évider l'intérieur des longerons complètement (en gardant toutefois 45 mm d'épaisseur) mais j'ai eu peur pour ma Festool car j'ai déjà déclenché plusieurs fois la protection thermique en essayant de la faire travailler en délignage.

Assemblage des longerons entre eux

Sur les longerons de la longueur je prévois les petits tenons de 20 mm qui se glisseront par le dessus dans les embrèvements des longerons de la largeur.
Je ne vais pas lésiner sur ce raccord qui sera sans doute le point faible de ma structure. 2 tirefonds de 140 x 10 traverseront les longerons le tout renforcé par une équerre de 90mm x 90mm x 3mm boulonnée sur chaque longeron.

Assemblage de la croix intérieure

Je prévois un assemblage de type mi bois mais en gardant une épaisseur de bois plus importante (90 mm) sur la partie longitudinale de la croix de manière à limiter la flèche (je renforcerai l'assemblage au milieu avec une équerre en acier).

Assemblage des traverses arrière

Pour cette assemblage, il y aura un embrèvement de la partie arrière intérieure des poteaux de manière à venir visser les traverses de 4m sur les poteaux par 2 vis de 8x90.
Ces traverses font un peu office de contreventement mais seront surtout utilisées pour supporter et cacher le micro-onduleur et les câbles le reliant aux panneaux (il y aura 8 câbles en tout, 2 par panneau).

Au final j'ai le plan de ma pergola et je l'ai suffisamment détaillé pour ne pas avoir besoin de plan papier, c'est l'avantage de SketchUp.

Il n'y a plus qu'à passer à la réalisation.

Réalisation de la ceinture de la pergola

La scie à onglet m'a permis assez facilement de débiter les pièces à la bonne dimension. La découpe des longerons et le biseautage ont été réalisés avec la scie plongeante Festool qui a montré ses limites (plusieurs déclenchements de la protection thermique). j'ai quand même réussi à obtenir ce que je voulais.
Toutefois il y a un peu plus de travail sur les longerons latéraux avec une finition du biseautage au ciseau.

On passe ensuite à la réalisation des tenons sur les longerons longitudinaux : Pas trop de difficulté, je les ai fait 2 par 2 à la scie plongeante (comme ça je suis sûr d'avoir les mêmes longueurs) avec le rail et les réglages de profondeur de la Festool c'est pratique.

Les embrèvements sur les longerons latéraux ont été réalisés également à la scie plongeante deux par deux, puis repris au ciseau à bois et enfin finis à la défonceuse.
Je réalise en même temps les embrèvements pour les tenons de la croix intérieure de la pergola.

Ici les deux longerons longitudinaux finis (2 mastodontes de 3,895m et 30/35 kg chacun)

Réalisation du cadre intérieur

Avec les bastaings de 70x145 je réalise 4 tenons de 20mm à la scie plongeante et termine à la scie à main et au ciseau à bois pour obtenir les tenons de 70x120x20.
Je fais la même chose avec les renforts latéraux de 45x145

Avec une scie à main et des ciseaux à bois, je réalise les embrèvements pour l'assemblage mi bois en laissant 90 mm sur la partie longitudinale et seulement 55 mm sur les éléments latéraux.

Ne pas oublier de mettre sous presse à la fin du travail afin que les pièces ne travaillent pas trop (malheureusement elle se gauchissent toujours un peu surtout sur les grandes longueurs)

Réalisation des poteaux moisés

La première étape consiste à travailler sur le poteau intérieur de 70x70 pour lui donner le profil de biseauté voulu (à la scie plongeante inclinée à 45°: j'avais gardé le réglage de profondeur du biseautage des longerons). De plus il faut incliner le rail pour avoir 2 mm de plus à l'arrière afin de prendre en compte l'inclinaison du cadre de la pergola.
Cela donne le profil du biseautage en un trait de scie. Les 4 poteaux sont sciés de cette manière mais il faut enlever maintenant le reste de la matière pour obtenir le profil voulu (toujours à la scie plongeante verticale cette fois ci avec le rail toujours incliné pour obtenir 2mm de plus à l'arrière. au final j'obtiens mon profil.

J'assemble ensuite les 3 éléments des poteaux en les mettant sous presse et en les boulonnant après perçage (220 mm quand même) avec des boulons de 12 mm .

J'obtiens ainsi mes 4 poteaux assemblés dont je repère les pièces car chaque poteau est spécifique du fait de la symétrie miroir et de la différence de hauteur arrière / avant.

Il reste une étape pour terminer les poteaux: les embrèvements sur les poteaux arrière qui recevront les traverses. Cette opération a été faite à la scie à main et au ciseau à bois.

Afin de vérifier le bon emboitement des pièces entre elles et réaliser les pré perçages des éléments assemblés je réalise un pré assemblage.

Assemblage au sol de la ceinture

Après quelques ajustements sur la longueur des tenons j'arrive à assembler le cadre de la pergola et j'essaie comme je peux de la sangler pour réaliser les perçages qui recevront les boulons.
Bonne surprise: il y a moins de 1mm d'écart sur mes diagonales cela veut dire que ma pergola est parfaitement rectangulaire (les panneaux photovoltaïques m'en remercient.)

Pré assemblage des côtés

Afin de percer les trous de boulonnage qui permettront de bloquer le moisage des longerons, j'ai essayé d'assembler chaque côté séparément (2 poteaux avant et arrière et le longeron latéral)
Les poteaux tiennent en équilibre seuls mais pour réaliser l'assemblage je les ai plus ou moins bloqués à l'aide d'un escabeau.
Le résultat n'est pas si mal.

En mettant sous presse l'ensemble j'ai pu tracer les emplacement des écrous et percer la structure et j'ai aussi vérifié que c'est du costaud : il va falloir en envoyer des Newton.Mètres pour coucher la pergola.

Pré-assemblage et perçage des traverses arrière

Les traverses sont des planches de 145x45 en 4m, manque de pot, mon plan m'indique que celles-ci devraient être de 4005mm: je ne crois pas que je vais retourner chez mon fournisseur pour acheter de quoi combler les 2,5mm de chaque côté qui vont me manquer.

J'en profite pour regarder où je pourrai implanter mon micro-onduleur

Même si c'est un ouvrage destiné pour l'extérieur, il mérite quand même un minimum de finition.
Le bois n'étant pas d'excellente qualité (nombreux nœuds dont certains sont pourris) je vais procéder à des réparations suivant une méthode apprise à l'ESEA.

Réparation des nœuds et des coups sur le bois

Dans un premier temps on enlève la partie non saine au ciseau à bois, puis on perce des trous dans le nœud avec un foret de 5 ou 6.
En parallèle on prépare des buchettes effilées à l'avant à l'aide d'un ciseau à bois

On enduit les buchettes de colle (j'ai utilisé de l'epoxy pour l'extérieur dans ce cas) et on enfonce les buchettes dans les trous à l'aide d'un maillet).
On prépare également une mixture de colle et des copeaux qu'on arrose sur l'ensemble

On laisse sécher quelques heures et on scie l'excroissance

Il ne reste plus qu'à poncer le tout.
Pour un meilleur résultat visuel on peut répéter l'opération plusieurs fois.
Dans mon cas ce sont des pièces que seul Victor Wembanyama serait susceptible de voir de près, je ne vais pas m'éterniser sur la finition.

Un autre exemple sur un coup de rabot malencontreux du fournisseur

Dégrisement du bois et ponçage

Pour ce faire j'ai commencé par donner un coup de racloir sur tous mes éléments puis j'ai utilisé de l'acide oxalique achetée en cristaux (c'est beaucoup moins onéreux que les produits tout fait du commerce)

Je pense que c'était vraiment utile.

Ensuite ponçage à la ponceuse à bande (grains 60 et 100). C'est fastidieux

Lasurage

C'est parti pour 2 couches de lasure de chez Casto couleur "Teck" (du brun moyen quoi) avec un peu de ponçage entre les 2. Les poteaux ont déjà plus fière allure.

Après 2 couches sur le cadre et 3 sur les poteaux, j'attaque avec la lasure gris Baltimore de chez Casto (gris foncé quoi).
Je ne sais pas si cette lasure est durable dans le temps mais elle a le mérite de bien s'appliquer, de ne pas trop couler (gel) et surtout d'être très vite sèche au toucher.

On dirait une texture Sketchup que j'ai bidouillée

Après 1 mois de travail ma pergola est enfin prête a être assemblée

Comme prévu pour éviter de monter une structure très lourde nous l'avons monté à 2 progressivement. D'abord un côté en l'appuyant sur des escabeaux

Puis on a fixé avec des serre joints les traverses arrière avec le deuxième poteau arrière, ce qui a rendu stable la structure

Ce qui nous a permis de monter le deuxième côté sans problème.

Pour monter le longeron à l'avant (35 kg à monter à 2m40) nous avons sanglé la partie avant de la structure pour avoir l'écartement du longeron et l'empêcher de s'écarter plus au moment du montage.
Après avoir positionné un côté grâce à l'épaulement de 20 mm, j'ai pu glisser le deuxième côté par le dessus sans trop de problème.
En resserrant la sangle, j'ai pu visser les tirefonds de 10x140 pour obtenir un assemblage à peu près correct malgré le fait que les pièces aient tendance à tuiler.

Pour le longeron arrière on a procédé de la même manière

Le reste a été plus facile, les pièces étant moins lourdes

A ce stade avec seulement les 8 tirefonds des longerons et les 12 boulons des poteaux moisés, la structure est déjà très stable (environ 330 kg) rien ne bouge c'est rassurant.
Je vais quand même rajouter les équerres prévues et finir le vissage de toutes les pièces en vérifiant le bon équerrage de la pergola.
Je vais également rajouter une protection des pièces qui supporteront les panneaux (style bande étanche)

Je n'avais pas trop réfléchi à la façon de fixer les panneaux sur le bâti, c'est pourquoi c'est un peu laborieux.
La plupart des kits de fixation utilisent des rails et des cavaliers extérieurs qui bloquent les panneaux entre eux, j'ai voulu utiliser les trous de fixation des panneaux mais il n'y a qu'un espace de 18x18mm pour les visser, du coup c'est un peu problématique.
J'ai donc fabriqué des cornières en alu que je vais visser sur le cadre

Pour ne pas créer de tension sur le cadre du panneau avec la tête de vis, je suis obligé de faire une encoche au niveau des fixations.

Une fois que tout est prêt, on appuie le panneau contre la pergola (belle bête de près de 2m) et on le bascule sur la cadre.
Au préalable j'ai mis en place les 8 vis de 6x15 dont j'ai bloqué la tête avec un peu de membrane d'étanchéité autoadhésive car une fois le panneau en place il est impossible d'accéder à la tête de vis.

Fixation des cornières sous les panneaux. C'est un peu léger comme fixation mais contrairement aux panneaux fixés sur rail il n'y a pas de prise au vent.

En parallèle je prépare le raccordement électrique avec une prise IP66 pour brancher la sortie du micro-onduleur.

Je sais que je vais également avoir du travail pour ajuster les longueurs de câbles jusqu'au micro-onduleur (il va falloir sertir les connecteurs MC4) et les dissimuler dans des goulottes.
En même temps que je monte les panneaux, je repère les fils par une couleur.

Une bande de scotch pour le connecteur MC4 femelle, 2 bandes pour le connecteur mâle. Je ne tiens pas à m'emmêler les pinceaux lorsque j'aurai rajouté des rallonges pour pouvoir connecter les panneaux au micro-onduleur (1 entrée + et une entrée - par panneau).

Après 2 jours de travail le montage est terminé.

Malgré un petit décalage entre les panneaux à peine visible sur les photos (dû je pense à un mauvais équerrage lorsque j'ai vissé les longerons sans vérifier les diagonales), le rendu n'est pas si mal.

Il va falloir penser sérieusement au raccordement.

Le raccordement n'est pas très compliqué:
Les panneaux sont équipés de 2 câbles de 2m (le + et le - car les panneaux fournissent du courant continu 30/60V). Ces câbles sont munis de connecteurs MC4 (standard de l'industrie photovoltaïque) et doivent être raccordés aux entrées du micro-onduleur (le mien a 4 entrées donc je n'ai besoin que d'un micro-onduleur (MO) pour mes 4 panneaux).
Comme les panneaux sont plus ou moins éloignés du micro-onduleur le fournisseur prévoit 4 rallonges pour que les 2 panneaux les plus éloignés puissent arriver au MO.

En sortie du micro-onduleur, on retrouve un adapteur permettant de connecter un câble AC 230V (de bonne taille car il faut pouvoir faire passer 8/9A pendant des heures sans échauffement) et le raccorder à la prise IP66 que j'ai posée à l'arrière de la pergola.
En plus de ces branchements, il faut relier les cadres des panneaux à la terre avec un câble de terre de 6mm2 (cela fait 4 câbles supplémentaires à gérer).

La difficulté principale est de cacher un maximum toute cette partie technique (ce qui n'est pas forcement nécessaire pour un kit au sol ou sur toiture) qui de plus n'est pas facile à manipuler vu la section des câbles.
Après plusieurs essais d'implantation, j'ai choisi finalement d'implanter le micro-onduleur à l'horizontale à l'arrière de la pergola.

Cette implantation permet de limiter la longueur des câbles (je n'aurai besoin que de 2 rallonges au lieu de 4) et les rend moins visibles.
Pour les rendre encore moins visibles, j'ai acheté des goulottes pour y ranger les câbles et usiner une gorge dans la traverse arrière. Cela ne permet pas de tout cacher malgré tout.

Après 2 mois de travail, le micro-onduleur produit enfin

Le MO émet également un signal Wifi qui permet d'enregistrer la production électrique via l'application Solarman Smart.

Pour l'instant, la production n'est pas optimale, c'est la journée la plus courte de l'année le soleil est très bas, l'inclinaison de la pergola est faible (en PV l'inclinaison optimale est 35° en hiver) et surtout il y a des pins de 15m de haut tout autour.
Sur le premier jour de production complet, on peut voir l'effet des pins environnants

Les panneaux ne sont vraiment ensoleillés qu'entre 12h et 13h, cela donne environ 200W par panneau.
Ce n'est pas si mal pour des panneaux vendus pour 500Wc lorsque le soleil est très bas à l'horizon (les panneaux sont pratiquement à plat)

Ce qui est décevant c'est qu'on ne voit pas l'effet bifacial des panneaux qui ne donnent que 15-30W par panneau lorsqu'ils ne sont pas ensoleillés.

Une pergola en bois est finalement assez facile à réaliser. Il faut bien détailler ses plans, s'y tenir et prévoir un assemblage en fonction du nombre de personnes disponibles (c'est lourd le bois: environ 300 kg pour 4m x 2m40 avec des pièces de 40 kg à monter à plus de 2m).
Le travail du bois lui même est relativement simple principalement du sciage et du perçage, pour cela il vaut mieux des machines endurantes et pouvant usiner des pièces assez épaisses (70 mm). En tout il y a pour à peu près 3 semaines de travail pour usiner et assembler la pergola (pour un amateur comme moi).
J'aurais quand même dû plus travailler les plans pour la fixation des panneaux et la dissimulation des câbles et connections au micro-onduleur car j'ai tâtonné et perdu du temps pour ça. Si on veut utiliser la pergola comme espace de repos l'été il vaut mieux que le dessous soit esthétiquement réussi (et c'est aussi un élément de sécurité car dans certains câbles il peut passer du courant de 8A).
En terme de coût il y en a pour 640€ de bois classe 4 et environ 200€ de fournitures diverses (produits de finition, cornières alu, équerres, goujons) mais je n'ai pas eu à faire un toit en chevrons.
Le kit photovoltaïque de 2 kWc coûte 900€ (depuis il a même baissé). Si il est trop tôt pour estimer le retour sur investissement, je pense que celui-ci est de 3 ans (environ 300€/an). Je ne compte pas le coût de la pergola elle-même que j'aurais réalisée de toute façon.