BIPV срещу BAPV: Допълнителни роли във фотоволтаичните сгради

Фотоволтаичната (PV) конструкция може да бъде разделена на два типа въз основа на нивото на интеграция на фотоволтаичните модули: PV към сградата (BAPV) и Интегрирана в сградата PV (BIPV) . Въпреки че BIPV има определени предимства по отношение на цена и производителност, неговото развитие е все още в ранен етап. BAPV, който може да се инсталира директно върху съществуващи сгради, остава основната форма. В сравнение с задграничните пазари, BIPV инсталациите в Япония, Франция, Италия и Съединените щати достигнаха съответно 3GW, 2,7GW, 2,5GW и 0,6GW, докато в Китай бяха само 0,7GW през 2020 г., което показва значителен потенциал за увеличено навлизане на BIPV в бъдеще . Освен това, от гледна точка на бизнес модела, BAPV запазва повече характеристики на фотоволтаичните продукти, като проектите се ръководят главно от фотоволтаични производствени компании. От друга страна, BIPV е тясно свързан с цялостния строителен процес, като разчита повече на EPC възможностите на строителните компании, като по този начин предоставя нови възможности за растеж на строителния сектор. Като цяло, BAPV и BIPV взаимно допълват силните и слабите си страни, като предлагат значителни възможности за растеж както на фотоволтаичните производители, така и на строителните фирми в фотоволтаичната строителна индустрия.

Сравнение на методите за инсталиране: Фотоволтаични модули, прикрепени към сградата (BAPV) срещу интегрирани в сгради фотоволтаици (BIPV)

Фотоволтаичните (PV) приложения в сгради представляват нова граница за генериране на слънчева енергия. Тази технология интегрира фотоволтаични системи с външните структури на сградите, като повишава енергийната ефективност и намалява потреблението, което я прави решаващ компонент за постигане на нискоенергийни пасивни сгради. 

Въз основа на степента на интеграция, изграждането на фотоволтаични системи може да се категоризира в два типа:

① Фотоволтаични системи, свързани със сгради (BAPV): Това се отнася за фотоволтаични системи, инсталирани на съществуващи сгради, използващи свободни пространства за генериране на енергия. BAPV обикновено се използва при преоборудване на съществуващи конструкции.

② Интегрирана в сградата фотоволтаична система (BIPV): Това включва фотоволтаични системи, които са проектирани, конструирани и инсталирани едновременно със самата сграда, като се интегрират безпроблемно със структурата на сградата. BIPV системите не само генерират електричество, но и допринасят за естетическия вид на сградата.

Сравнение на строителните методи:

① BAPV: Обикновено BAPV системите използват специални скоби за закрепване на фотоволтаични модули към съществуващата сградна конструкция. Тези системи основно служат за генериране на енергия, без да засягат първоначалната функционалност на сградата, и се считат за слънчеви PV сгради от 'инсталационен тип'.

② BIPV: BIPV системите включват еднократен строителен и инвестиционен подход, при който опорните структури на фотоволтаичната система, фотоволтаичните модули и други електрически компоненти се инсталират директно по време на строителната фаза на сградата. BIPV системите не само генерират електричество, но и заместват конвенционалните строителни материали, служейки едновременно като структурен компонент и изпълнявайки функционалните изисквания на сградата.

Допълнителни предимства и недостатъци на BAPV и BIPV, като BIPV предлага по-големи икономически ползи

Сградните фотоволтаични (BAPV) и интегрираните в сградите фотоволтаични (BIPV) системи имат допълващи се силни и слаби страни. BIPV обикновено е по-икономичен. Според изчисления за проект за покрив на завод за стоманена конструкция от Polaris Solar PV Network , използвайки a BIPV покривната система може да спести приблизително 164 RMB на квадратен метър в материални разходи. Освен това, BIPV системите имат проектен живот от над 50 години, осигурявайки значителни цялостни икономически предимства. Конкретно сравнение е следното:

1) Строителна естетика

·BIPV: Като интегрирана фотоволтаична система, BIPV е включена в цялостния архитектурен дизайн, което води до по-сплотен и естетически приятен външен вид на сградата.

·BAPV: Тъй като е преоборудвана система, BAPV се добавя след изграждането, което води до по-малко сплотен външен вид.

2) Издръжливост на покрива

·BIPV: Покривът при BIPV конструкциите е праволинейна носеща конструкция, с ясно разпределение на силата, осигуряваща висока безопасност.

·BAPV: Поради модернизирания си характер, покривът в BAPV системите изпитва по-сложни условия на натоварване, които при дългосрочно натоварване от вятър и деформация могат да причинят ефекти на умора, които биха могли да компрометират структурната безопасност.

3) Хидроизолация

·BIPV: Използва хидрофобни стъклени панели, комбинирани с главни водни канали, водоустойчиви уплътнения и други елементи, за да образува цялостна дренажна система на покрива. Модулните комбинации от покривна конструкция, облицовка и капандури могат да постигнат превъзходни хидроизолационни характеристики.

·BAPV: Не осигурява по своята същност хидроизолация; разчита се на съществуващия покрив, за да има адекватна хидроизолационна способност.

4) Трудност на строителството

·BIPV: Като критичен структурен компонент, BIPV трябва да отговаря на високи стандарти за хидроизолация, изолация и други критерии за архитектурно изпълнение, което прави монтажа по-предизвикателен.

·BAPV: Включва просто добавяне на фотоволтаични компоненти към съществуващ покрив, което прави инсталирането относително лесно.

5) Експлоатация и поддръжка

·BIPV: Покривите са проектирани с модулни фотоволтаични панели, но поддръжката изисква да се гарантира, че покривните функции остават непокътнати, което увеличава сложността на операциите и поддръжката.

·BAPV: Поддръжката може да се извършва директно на покрива с относително лесно разглобяване и повторно сглобяване, което прави операциите и поддръжката по-малко предизвикателни.

BIPV срещу BAPV: Изчерпателно сравнение на разходите

Елементи за сравнение	BIPV система	BAPV система
Алуминиево-магнезиево-манганови покривни панели	/	Включително вертикални алуминиево-магнезиево-манганови покривни панели със заключващи се ръбове и T-образни опори от алуминиева сплав, около 200 ￥/㎡
Аксесоари за системни скоби	Включително поддържащи светлинни ленти от камфор, ленти от алуминиева сплав, гумени уплътнителни ленти, фиксатори и др. около ¥0,6/W*120W/㎡=72 ￥	Включително скоби, водещи релси, фиксатори и др. около ¥0,3 /W*120W/㎡ = ¥36
Платка на модула за фотоволтаично генериране на електроенергия	Включително фотоволтаични панели и рамки от сплав Ming, около 120 W/㎡'* 2,8 ￥ /W= 336 ￥	Включително фотоволтаични панели и рамки от сплав Ming, около 120 W/㎡* 2,8 ￥ /W = 336 ￥
Пълна цена (цена на материала)	Аксесоари за системна скоба + платка на фотоволтаичния компонент за генериране на електроенергия = 408 ￥ /㎡	Алуминиево-магнезиево-манганови покривни панели + аксесоари за системни конзоли + платка на фотоволтаични компоненти за производство на електроенергия = ¥572 /㎡
Единична цена (юан/квадратен метър)	408	572
Заключение	Използването на интегрирана покривна система за фотоволтаични сгради може да спести материали 160 ¥ /㎡

Данни от  Polaris Solar PV Network

BIPV срещу BAPV

Елементи за сравнение	BIPV система	BAPV система
Външен вид на сградата	Вписва се в цялостния дизайн на сградата, без да губи красота	Късна инсталация, лоша цялост
Живот на дизайна	Продължителността на живота може да достигне повече от 50 години	20-25 години
Напрежение на покрива	Покривът е прост покрив с ясно структурно напрежение и висока структурна безопасност	Сложното напрежение, дългосрочното натоварване от вятър и деформацията могат да предизвикат ефекти на умора, засягащи структурната безопасност
Водоустойчивост	Покривната дренажна система е оформена от хидрофобни стъклени панели, главни резервоари за вода, водоустойчиви уплътнения и др. Покривната конструкция, мигащите кантове, светлинните ленти и т.н. са модулно съставени, за да се избегнат опасности от течове	Не е необходимо да се осигурява хидроизолация, само съществуващият покрив трябва да има хидроизолация
Трудност на строителството	Hiah точност на монтажа, поема хидроизолация на покрива, топлоизолация и други функции и има голяма строителна трудност	Изграждане на две фази, ниска трудност при монтаж на компоненти
Експлоатация и поддръжка	Покривът е модулно проектиран и монтиран с единичен батериен модул като цяло. При инспектирането и ремонта е необходимо също така да се вземе предвид дали функциите на покрива са завършени и дали експлоатацията и поддръжката са трудни	Може да се проверява и ремонтира директно на покрива, разглобяването и сглобяването са относително удобни, а работата и поддръжката са лесни

Данни от Polaris Solar PV Network

Технически системи: кристален силиций и тънкослойни материали като основни компоненти

Фотоволтаичните (PV) клетки са основните основни компоненти на фотоволтаичните системи за генериране на електроенергия. Те се категоризират предимно в кристални силициеви слънчеви клетки и тънкослойни слънчеви клетки въз основа на използваните материали. Кристалните силициеви клетки доминират пазарния дял, докато тънкослойните клетки се очаква да видят по-голямо проникване поради растежа на приложенията за фотоволтаични сгради.

1) Кристални силициеви клетки:

Кристалните силициеви слънчеви клетки са разработени в продължение на няколко десетилетия, което води до зряла технологична система с непрекъснато подобряване на ефективността на фотоелектричното преобразуване. Индустрията също бързо се разрасна, като значително намали пределните производствени разходи. В настоящата фотоволтаична индустрия клетките от кристален силиций държат над 95% от пазарния дял поради икономическите предимства на разходите, донесени от икономиите от мащаба и високата им ефективност на преобразуване. Сред тях монокристалните силициеви клетки се характеризират с висока ефективност на фотоелектрично преобразуване и високи производствени разходи, докато поликристалните силициеви клетки имат малко по-ниска ефективност на преобразуване, но са евтини за производство и не страдат от значително влошаване на ефективността. Преди 2017 г. поликристалните клетки държаха пазарен дял до 73%. От 2017 г. въвеждането на нови производствени технологии значително намали производствените разходи за монокристален силиций, а увеличеното навлизане на технологията PERC значително подобри ефективността на преобразуване на монокристален силиций, който сега представлява приблизително 90% от пазара на кристални силициеви клетки.

2) Тънкослойни клетки:

Тънкослойните клетки все още не са постигнали голям пазарен мащаб поради тяхната относително по-ниска ефективност на фотоелектрично преобразуване. Въпреки това, те показват силно представяне при слаба светлина, което ги прави значително по-ефективни от кристалните силициеви модули в някои BAPV/BIPV проекти, които не са с южно изложение. Освен това, тъй като тънкослойните клетки имат по-добър температурен коефициент, те могат да поддържат производителност при условия на екстремни високи температури, ефективно компенсирайки недостатъците на кристалния силиций. Кристалните силициеви клетки се предлагат предимно в наситено сини и светлосини цветове, които са донякъде монотонни и не могат да отговорят на разнообразните цветови нужди на фотоволтаичните сгради. За разлика от това, тънкослойните клетки предлагат предимството на регулируем цвят, като текущите пазарни продукти покриват почти всички обичайни цветови схеми. Освен това, тънкослойните клетки са сравнително леки, което намалява трудността на конструкцията и производствените разходи за носещи конструкции при използване на тънкослойни фотоволтаични модули.

Сравнение на кристален силиций и тънкослойни клетки в областта на изграждането на фотоволтаици

	Слънчеви клетки от кристален силиций	Тънкослойни слънчеви клетки
Мощност на единица площ	Фотоволтаична електроцентрала от кристален силиций с покривна площ от 1000 квадратни метра има капацитет от приблизително 100 kW.	Тънкослойна фотоволтаична електроцентрала с покривна площ от 1000 квадратни метра има мощност от приблизително 70 kW.
Изпълнение при слаба светлина	Слънчевите клетки от кристален силиций имат относително лоша производителност при слаба светлина. Например, в южен китайски град фотоволтаичните модули от кристален силиций, инсталирани директно на юг, постигат само 59% от максималната си ефективност при неоптимални светлинни условия.	Тънкослойните слънчеви клетки имат силно представяне при слаба светлина и са по-малко чувствителни към ъглите на монтаж. Те генерират електричество за по-дълги периоди при условия на слаба осветеност в сравнение с клетките от кристален силиций, което ги прави по-подходящи за инсталации, които не са с южно изложение, окачени фасади и проекти за BlPV в облачни или студени региони.
Температурен коефициент	Температурният коефициент е относително висок. Когато работната температура надвиши 25°c, максималната изходна мощност намалява с 0,40-0,45% за всеки 1°c увеличение.	Температурният коефициент е сравнително нисък. Когато работната температура надвиши 25 ℃, максималната изходна мощност намалява само с 0,19-0,21% за всеки 1°C увеличение.
Цветово разнообразие	Цветовите опции са предимно в нюанси на синьото, като наситено синьо и светло синьо.	Тънкослойните модули могат да бъдат произведени в различни цветове според нуждите.
Тегло на модула	Модулите са сравнително тежки.	Те са сравнително леки, което намалява трудността и разходите за покривна конструкция. Освен това, когато се използват в приложения за фасадни стени, тънкослойните Py модули изискват по-малко структурна опора и имат по-ниски разходи в сравнение с модулите от кристален силиций.

Източник до 2021 г. Кристален силиций, тънък филм и перовскит BIPV технология и пазарен форум

Като цяло, кристалният силиций и тънкослойните технологични системи играят допълващи се роли в областта на фотоволтаичните сгради. Тънкослойната технология има ясно изразено предимство при специфични проекти за фотоволтаични сгради, като покриви, които не са с южно изложение, окачени фасади и персонализирани сценарии. Според проучване от 2018 г. на Института за слънчеви енергийни системи Fraunhofer в Германия относно европейски BIPV проекти , приблизително 90% от покривните BIPV проекти използват кристална силициева технология, докато около 56% от фасадните BIPV проекти използват тънкослойна технология.

Класификация и характеристики на основните технически системи на фотоволтаичните клетки

Технологична система	Специфични материали	Ефективност на фотоелектричното преобразуване	Предимство	Недостатък
Слънчеви клетки от кристален силиций	Монокристален силиций	16% - 18%	Дълъг живот (обикновено до 20-30 години), висока ефективност на фотоелектрическо преобразуване	Високи производствени разходи, дълго време за производство, лошо представяне при слаба светлина
	Поликристален силиций	14% - 16%	Висока стабилност на светлината, ниска цена, просто производство и без очевиден спад на ефективността	Лоша производителност на генериране на електроенергия при слаба светлина
Тънкослойни слънчеви клетки	Аморфен силиций	6% - 9%	Зряла технология, нисък праг на производство	Ограничена ефективност на фотоелектричното преобразуване
	Медно-индиев галиев селенид (ClGS)	11%	Ниски производствени разходи, ниско замърсяване, без спад, добро представяне при слаба светлина, висока ефективност на фотоелектрическо преобразуване	Технологията е силно чувствителна към съотношенията на елементите и структурата е сложна, изискваща изключително строга обработка и подготовка условия
	Кадмиев телурид (CdTe)	9% - 12%	Ниски производствени разходи, висока ефективност на преобразуване, нискотемпературен коефициент (отлична производителност при ниска температура), добър ефект при слаба светлина	Недостигът на суровини и токсичността на кадмия налагат широкомащабна система за рециклиране, което затруднява широкомащабните приложения

Източник от Изследване на приложението на слънчеви фотоволтаици в сгради, Преглед на развитието на индустрията за тънкослойни слънчеви клетки от мед, индий, галиев селенид

BAPV (Building-Attached Photovoltaic) в момента е основната форма на изграждане на фотоволтаици.

От сегашния индустриален пейзаж BAPV остава доминиращата форма на интегрирани в сградите фотоволтаици. Това е основно защото строителството на нови сгради е ограничено всяка година и стандартите за BIPV все още не са напълно установени. Дори ако BIPV трябваше да бъде приет незабавно, пак ще отнеме 3-5 години, докато сградите достигнат етапа на ограничаване, преди BIPV да може да се използва. Обратно, преоборудването на съществуващи покриви е сравнително по-лесно и изобилието от съществуващи покривни ресурси го прави по-подходящ за бързото развитие на разпределени фотоволтаици на този етап.

В сравнение със зрелите задгранични пазари, BIPV има значителен потенциал за увеличено проникване в бъдеще.

В развитите страни интегрираните в сградите фотоволтаици (BIPV) започнаха по-рано, като много страни прилагаха различни политики за стимулиране и планове за развитие още в края на 20 век. Например Германия, Италия, Япония и Съединените щати са създали „Програми за слънчеви фотоволтаични покриви“, поставяйки ясни цели за изграждане на капацитет за фотоволтаични инсталации през следващите години. Към 2018 г., според доклад на организацията BIPVBOOST, Япония има най-голямата кумулативна BIPV инсталация в световен мащаб, с капацитет от 3 GW, следвана от Франция (2,7 GW), Италия (2,5 GW) и Съединените щати (0,6 GW). За разлика от това, кумулативната BIPV инсталация в Китай беше само 0,1 GW (приблизително 0,7 GW до 2020 г.).

Когато се сравняват историческите инсталационни капацитети на развитите региони, текущата обща BIPV инсталация в Китай е еквивалентна на нивата, достигнати в Япония и Европа преди около 5 до 10 години. Тази траектория показва, че пазарът в Китай далеч не е зрял и има значително място за увеличаване на навлизането на BIPV в бъдеще.