BIPV vs BAPV : rôles complémentaires dans les bâtiments photovoltaïques

La construction photovoltaïque (PV) peut être divisée en deux types en fonction du niveau d'intégration des modules PV : PV attachés au bâtiment (BAPV) et PV intégré au bâtiment (BIPV) . Bien que le BIPV présente certains avantages en termes de coût et de performances, son développement n’en est qu’à ses débuts. Le BAPV, qui peut être installé directement sur les bâtiments existants, reste la forme dominante. Par rapport aux marchés étrangers, les installations BIPV au Japon, en France, en Italie et aux États-Unis ont atteint respectivement 3 GW, 2,7 GW, 2,5 GW et 0,6 GW, alors qu'en Chine, elles n'étaient que de 0,7 GW en 2020, ce qui indique un potentiel important d'augmentation de la pénétration du BIPV à l'avenir . De plus, du point de vue du modèle économique, BAPV conserve davantage de caractéristiques des produits photovoltaïques, avec des projets principalement menés par des entreprises de fabrication photovoltaïque. D'autre part, le BIPV est étroitement lié au processus de construction global, s'appuyant davantage sur les capacités EPC des entreprises de construction, apportant ainsi de nouvelles opportunités de croissance au secteur de la construction. Dans l'ensemble, BAPV et BIPV complètent leurs forces et leurs faiblesses, offrant des opportunités de croissance substantielles tant aux fabricants de panneaux photovoltaïques qu'aux entreprises de construction du secteur de la construction photovoltaïque.

Comparaison des méthodes d'installation : photovoltaïque attaché au bâtiment (BAPV) et photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV)

Les applications photovoltaïques (PV) dans les bâtiments représentent une nouvelle frontière pour la production d'énergie solaire. Cette technologie intègre les systèmes photovoltaïques aux structures externes des bâtiments, améliorant ainsi l'efficacité énergétique et réduisant la consommation, ce qui en fait un élément crucial dans la réalisation de bâtiments passifs à faible consommation d'énergie. 

En fonction du degré d’intégration, les systèmes photovoltaïques des bâtiments peuvent être classés en deux types :

① Photovoltaïque attaché au bâtiment (BAPV) : il s'agit de systèmes photovoltaïques installés sur des bâtiments existants, utilisant les espaces inutilisés pour la production d'énergie. Le BAPV est couramment utilisé dans la rénovation de structures existantes.

② Photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV) : il s'agit de systèmes photovoltaïques qui sont simultanément conçus, construits et installés avec le bâtiment lui-même, s'intégrant parfaitement à la structure du bâtiment. Les systèmes BIPV génèrent non seulement de l'électricité mais contribuent également à l'esthétique du bâtiment.

Comparaison des méthodes de construction :

① BAPV : En règle générale, les systèmes BAPV utilisent des supports spéciaux pour fixer les modules photovoltaïques à la structure du bâtiment existant. Ces systèmes remplissent principalement la fonction de production d'énergie sans affecter la fonctionnalité d'origine du bâtiment, et ils sont considérés comme des bâtiments solaires photovoltaïques de type « installation ».

② BIPV : les systèmes BIPV impliquent une approche de construction et d'investissement ponctuelle, dans laquelle les structures de support du système photovoltaïque, les modules photovoltaïques et d'autres composants électriques sont directement installés pendant la phase de construction du bâtiment. Les systèmes BIPV génèrent non seulement de l'électricité, mais remplacent également les matériaux de construction conventionnels, servant à la fois de composant structurel et répondant aux exigences fonctionnelles du bâtiment.

Avantages et inconvénients complémentaires du BAPV et du BIPV, le BIPV offrant de plus grands avantages économiques

Les systèmes photovoltaïques attachés au bâtiment (BAPV) et intégrés au bâtiment (BIPV) présentent des forces et des faiblesses complémentaires. Le BIPV est généralement plus économique. Selon les calculs d'un projet de toit d'usine à structure en acier réalisé par Polaris Solar PV Network , à l'aide d'un Le système de toiture BIPV peut économiser environ 164 RMB par mètre carré en coûts de matériaux. En plus, Les systèmes BIPV ont une durée de vie de plus de 50 ans, offrant des avantages économiques complets et significatifs. Une comparaison spécifique est la suivante :

1) Esthétique du bâtiment

·BIPV : en tant que système photovoltaïque intégré, le BIPV est incorporé dans la conception architecturale globale, ce qui donne un aspect de bâtiment plus cohérent et plus esthétique.

·BAPV : étant un système modernisé, le BAPV est ajouté après la construction, ce qui conduit à une apparence moins cohérente.

2) Toit porteur

·BIPV : Le toit des constructions BIPV est une structure porteuse simple, avec une répartition claire des forces, garantissant une sécurité élevée.

·BAPV : En raison de sa nature modernisée, le toit des systèmes BAPV subit des conditions de charge plus complexes qui, sous une charge de vent et une déformation à long terme, peuvent provoquer des effets de fatigue susceptibles de compromettre la sécurité structurelle.

3) Imperméabilisation

·BIPV : utilise des panneaux de verre hydrophobes combinés avec des canaux d'eau principaux, des joints étanches et d'autres éléments pour former un système complet de drainage du toit. Les combinaisons modulaires de structure de toit, de solins et de bandes de lucarnes peuvent obtenir des performances d'étanchéité supérieures.

·BAPV : N'assure pas intrinsèquement l'étanchéité ; il faut que le toit existant ait une capacité d'étanchéité adéquate.

4) Difficulté de construction

·BIPV : en tant que composant structurel essentiel, le BIPV doit répondre à des normes élevées en matière d'imperméabilisation, d'isolation et d'autres critères de performance architecturale, ce qui rend l'installation plus difficile.

·BAPV : implique simplement l'ajout de composants photovoltaïques à un toit existant, ce qui rend l'installation relativement simple.

5) Fonctionnement et entretien

·BIPV : Les toits sont conçus avec des panneaux photovoltaïques modulaires, mais la maintenance nécessite de s'assurer que les fonctions de la toiture restent intactes, ce qui augmente la complexité des opérations et de la maintenance.

·BAPV : la maintenance peut être effectuée directement sur le toit avec un démontage et un remontage relativement faciles, ce qui rend les opérations et la maintenance moins difficiles.

BIPV vs BAPV : comparaison complète des coûts

Éléments de comparaison	Système BIPV	Système BAPV
Panneaux de toit en aluminium-magnésium-manganèse	/	Y compris les panneaux de toit verticaux en aluminium-magnésium-manganèse et les supports de type T en alliage d'aluminium, environ ￥200/㎡
Accessoires de support de système	Y compris les bandes de camphre pour pot lumineux, les bandes en alliage d'aluminium, les bandes d'étanchéité en caoutchouc, les fixations, etc. environ ￥0,6/W*120W/㎡=￥72	Y compris les pinces, les rails de guidage, les fixations, etc. environ ￥0,3 /W*120W/㎡ = ￥36
Carte d'unité de module de production d'énergie photovoltaïque	Y compris les panneaux photovoltaïques et les cadres en alliage Ming, environ 120 W/㎡'* ￥ 2,8 /W= ￥ 336	Y compris les panneaux photovoltaïques et les cadres en alliage Ming, environ 120 W/㎡* ￥ ​​2,8 /W = ￥336
Coût global (prix du matériau)	Accessoires de support de système + carte d'unité de composant de production d'énergie photovoltaïque = ￥ 408 /㎡	Panneaux de toit en aluminium-magnésium-manganèse + accessoires de support de système + carte de composants de production d'énergie photovoltaïque = ￥572 /㎡
Coût unitaire (yuans/mètre carré)	408	572
Conclusion	L'utilisation d'un système de toiture photovoltaïque intégré au bâtiment peut économiser des matériaux ￥160 /㎡

Données du  réseau solaire photovoltaïque Polaris

BIPV vs BAPV

Éléments de comparaison	Système BIPV	Système BAPV
Apparence du bâtiment	Incorporé dans la conception globale du bâtiment, sans perdre en beauté	Installation tardive, mauvaise intégrité
Vie de conception	La durée de vie peut atteindre plus de 50 ans	20-25 ans
Contrainte du toit	Le toit est un toit simple avec des contraintes structurelles claires et une sécurité structurelle élevée	Des contraintes complexes, des charges de vent à long terme et des déformations peuvent produire des effets de fatigue, affectant la sécurité structurelle
Imperméabilité	Le système de drainage du toit est constitué de panneaux de verre hydrophobes, de réservoirs d'eau principaux, de joints étanches, etc. La structure du toit, les bordures de solin, les bandes lumineuses, etc. sont composés de manière modulaire pour éviter les risques de fuite.	Pas besoin de fournir une capacité d'étanchéité, seul le toit existant doit avoir une capacité d'étanchéité
Difficulté de construction	Précision d'installation Hiah, entreprend l'imperméabilisation du toit, l'isolation thermique et d'autres fonctions, et présente de grandes difficultés de construction	Construction en deux phases, faible difficulté d'installation des composants
Fonctionnement et entretien	Le toit est conçu de manière modulaire et installé avec un seul module de batterie comme une unité. Lors de l'inspection et de la réparation, il est également nécessaire de déterminer si les fonctions du toit sont complètes et si l'exploitation et l'entretien sont difficiles.	Peut être directement inspecté et réparé sur le toit, le démontage et le montage sont relativement pratiques, et le fonctionnement et l'entretien sont faciles

Données du réseau solaire photovoltaïque Polaris

Systèmes techniques : silicium cristallin et couches minces comme composants principaux

Les cellules photovoltaïques (PV) sont les composants fondamentaux des systèmes de production d’énergie photovoltaïque. Ils sont principalement classés en cellules solaires en silicium cristallin et en cellules solaires à couches minces en fonction des matériaux utilisés. Les cellules au silicium cristallin dominent la part de marché, tandis que les cellules à couches minces devraient connaître une pénétration accrue en raison de la croissance des applications photovoltaïques dans les bâtiments.

1) Cellules au silicium cristallin :

Les cellules solaires au silicium cristallin se sont développées sur plusieurs décennies, conduisant à un système technologique mature avec une efficacité de conversion photoélectrique en constante amélioration. L’industrie s’est également développée rapidement, réduisant considérablement les coûts marginaux de fabrication. Dans l’industrie photovoltaïque actuelle, les cellules en silicium cristallin détiennent plus de 95 % des parts de marché en raison des avantages économiques apportés par les économies d’échelle et de leur rendement de conversion élevé. Parmi elles, les cellules en silicium monocristallin se caractérisent par un rendement de conversion photoélectrique élevé et des coûts de fabrication élevés, tandis que les cellules en silicium polycristallin ont un rendement de conversion légèrement inférieur mais sont peu coûteuses à produire et ne souffrent pas de dégradation significative du rendement. Avant 2017, les cellules polycristallines détenaient une part de marché pouvant atteindre 73 %. Depuis 2017, l'introduction de nouvelles technologies de production a considérablement réduit les coûts de production du silicium monocristallin, et la pénétration accrue de la technologie PERC a considérablement amélioré l'efficacité de conversion du silicium monocristallin, qui représente désormais environ 90 % du marché des cellules en silicium cristallin.

2) Cellules à couche mince :

Les cellules à couches minces n’ont pas encore atteint une grande échelle de marché en raison de leur efficacité de conversion photoélectrique relativement faible. Cependant, ils présentent de fortes performances en basse lumière, ce qui les rend nettement plus efficaces que les modules en silicium cristallin dans certains projets BAPV/BIPV non orientés au sud. De plus, comme les cellules à couches minces ont un meilleur coefficient de température, elles peuvent maintenir leurs performances dans des conditions de températures extrêmement élevées, compensant ainsi efficacement les défauts du silicium cristallin. Les cellules de silicium cristallin sont principalement disponibles dans des couleurs bleu foncé et bleu clair, qui sont quelque peu monotones et ne peuvent pas répondre aux divers besoins de couleurs des bâtiments photovoltaïques. En revanche, les cellules à couche mince offrent l’avantage d’une couleur réglable, les produits actuels du marché couvrant presque toutes les palettes de couleurs courantes. De plus, les cellules à couches minces sont relativement légères, ce qui réduit les difficultés de construction et les coûts de fabrication des structures de support lors de l'utilisation de modules photovoltaïques à couches minces.

Comparaison du silicium cristallin et des cellules à couches minces dans le domaine du photovoltaïque du bâtiment

	Cellules solaires en silicium cristallin	Cellules solaires à couches minces
Puissance par unité de surface	Une centrale photovoltaïque en silicium cristallin d'une superficie de toit de 1 000 mètres carrés a une capacité d'environ 100 kW.	Une centrale photovoltaïque à couches minces d'une superficie de toit de 1 000 mètres carrés a une puissance d'environ 70 kW.
Performances en basse lumière	Les cellules solaires en silicium cristallin ont des performances relativement médiocres dans des conditions de faible luminosité. Par exemple, dans une ville du sud de la Chine, les modules photovoltaïques en silicium cristallin installés directement au sud n’atteignent que 59 % de leur efficacité maximale dans des conditions d’éclairage sous-optimales.	Les cellules solaires à couches minces ont de fortes performances dans des conditions de faible luminosité et sont moins sensibles aux angles d'installation. Ils génèrent de l'électricité pendant des périodes plus longues dans des conditions de faible luminosité que les cellules en silicium cristallin, ce qui les rend plus adaptés aux installations non orientées au sud, aux murs-rideaux et aux projets BlPV dans les régions nuageuses ou froides.
Coefficient de température	Le coefficient de température est relativement élevé. Lorsque la température de fonctionnement dépasse 25 °C, la puissance maximale diminue de 0,40 à 0,45 % pour chaque augmentation de 1 °C.	Le coefficient de température est relativement faible. Lorsque la température de fonctionnement dépasse 25 ℃, la puissance maximale diminue de seulement 0,19 à 0,21 % pour chaque augmentation de 1 °C.
Diversité des couleurs	Les options de couleurs sont principalement dans les tons de bleu, comme le bleu profond et le bleu clair.	Les modules à couches minces peuvent être produits en différentes couleurs selon les besoins.
Poids du module	Les modules sont relativement lourds.	Ils sont relativement légers, ce qui réduit les difficultés et les coûts de construction de la toiture. De plus, lorsqu'ils sont utilisés dans des applications de murs-rideaux, les modules Py à couches minces nécessitent moins de support structurel et entraînent des coûts inférieurs à ceux des modules en silicium cristallin.

Source d’ici 2021 Technologie et forum de marché du silicium cristallin, des couches minces et de la pérovskite BIPV

Globalement, le silicium cristallin et les systèmes technologiques à couches minces jouent des rôles complémentaires dans le domaine des bâtiments photovoltaïques. La technologie des couches minces présente un avantage certain dans des projets de bâtiments photovoltaïques spécifiques, tels que les toits non orientés au sud, les murs-rideaux et les scénarios personnalisés. Selon une étude réalisée en 2018 par l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire en Allemagne sur européens les projets BIPV , environ 90 % des projets BIPV sur toiture utilisent la technologie du silicium cristallin, tandis qu'environ 56 % des projets BIPV sur façade utilisent la technologie des couches minces.

Classification et caractéristiques des principaux systèmes techniques des cellules photovoltaïques

Système technologique	Matériaux spécifiques	Efficacité de conversion photoélectrique	Avantage	Inconvénient
Cellules solaires en silicium cristallin	Silicium monocristallin	16% - 18%	Longue durée de vie (généralement jusqu'à 20-30 ans), efficacité de conversion photoélectrique élevée	Coût de production élevé, temps de production long, performances médiocres en basse lumière
	Silicium polycristallin	14% - 16%	Stabilité lumineuse élevée, faible coût, production simple et aucune baisse évidente de l'efficacité	Mauvaises performances de production d’énergie en faible luminosité
Cellules solaires à couches minces	Silicium amorphe	6% - 9%	Technologie mature, seuil de fabrication bas	Efficacité de conversion photoélectrique limitée
	Séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (ClGS)	11%	Faible coût de production, faible pollution, pas de déclin, bonnes performances en basse lumière, efficacité de conversion photoélectrique élevée	La technologie est très sensible aux ratios élémentaires et la structure est complexe, nécessitant un traitement et une préparation extrêmement rigoureux. conditions
	Tellurure de cadmium (CdTe)	9% - 12%	Faible coût de fabrication, efficacité de conversion élevée, coefficient de basse température (excellentes performances à basse température), bon effet de faible luminosité	La rareté des matières premières et la toxicité du cadmium nécessitent un système de recyclage à grande échelle, rendant difficile les applications à grande échelle.

Source par Recherche sur l'application de l'énergie solaire photovoltaïque dans les bâtiments, Aperçu du développement de l'industrie des cellules solaires à couches minces en cuivre, indium et séléniure de gallium

Le BAPV (Building-Attached Photovoltaic) est actuellement la forme dominante de photovoltaïque pour les bâtiments.

Dans le paysage industriel actuel, le BAPV reste la forme dominante de photovoltaïque intégré aux bâtiments. Cela s’explique principalement par le fait que la construction de nouveaux bâtiments est limitée chaque année et que les normes en matière de BIPV ne sont pas encore pleinement établies. Même si le BIPV devait être adopté immédiatement, il faudrait encore 3 à 5 ans pour que les bâtiments atteignent le stade du plafonnement avant de pouvoir utiliser le BIPV. En revanche, la rénovation des toits existants est relativement plus facile, et l’abondance des ressources existantes sur les toits les rend plus adaptés au développement rapide du photovoltaïque distribué à ce stade.

Comparé aux marchés étrangers matures, le BIPV présente un potentiel important de pénétration accrue à l’avenir.

Dans les pays développés, le photovoltaïque intégré aux bâtiments (BIPV) a commencé plus tôt, de nombreux pays mettant en œuvre diverses politiques d'incitation et plans de développement dès la fin du 20e siècle. Par exemple, l'Allemagne, l'Italie, le Japon et les États-Unis ont tous mis en place des « programmes de toiture solaire photovoltaïque », fixant des objectifs clairs pour le renforcement des capacités d'installation photovoltaïque dans les années à venir. En 2018, selon un rapport de l'organisation BIPVBOOST, le Japon possédait l'installation BIPV cumulée la plus élevée au monde, avec une capacité de 3 GW, suivi de la France (2,7 GW), de l'Italie (2,5 GW) et des États-Unis (0,6 GW). En revanche, l'installation cumulée de BIPV en Chine n'était que de 0,1 GW (environ 0,7 GW d'ici 2020).

Si l'on compare les capacités d'installation historiques des régions développées, l'installation totale actuelle de BIPV en Chine est équivalente aux niveaux atteints par le Japon et l'Europe il y a environ 5 à 10 ans. Cette trajectoire indique que le marché chinois est loin d’être mature et qu’il existe une marge considérable pour que la pénétration du BIPV augmente à l’avenir.