BIPV nasuprot BAPV: Komplementarne uloge u fotonaponskim zgradama

Fotonaponske (PV) konstrukcije mogu se podijeliti u dvije vrste na temelju razine integracije PV modula: PV na zgradi (BAPV) i PV integrirani u zgradu (BIPV) . Iako BIPV ima određene prednosti u smislu cijene i izvedbe, njegov razvoj je još uvijek u ranoj fazi. BAPV, koji se može izravno postaviti na postojeće zgrade, ostaje glavni oblik. U usporedbi s inozemnim tržištima, BIPV instalacije u Japanu, Francuskoj, Italiji i Sjedinjenim Državama dosegnule su 3GW, 2,7GW, 2,5GW odnosno 0,6GW, dok je u Kini to bilo samo 0,7GW u 2020. godini, što ukazuje na značajan potencijal za povećanje BIPV prodora u budućnosti . Nadalje, iz perspektive poslovnog modela, BAPV zadržava više karakteristika PV proizvoda, s projektima koje uglavnom vode tvrtke za proizvodnju PV. S druge strane, BIPV je usko povezan s cjelokupnim građevinskim procesom, oslanjajući se više na EPC sposobnosti građevinskih tvrtki, čime donosi nove mogućnosti rasta građevinskom sektoru. Sveukupno, BAPV i BIPV međusobno nadopunjuju prednosti i slabosti, nudeći značajne prilike za rast i proizvođačima PV-a i građevinskim tvrtkama u industriji fotonaponskih građevina.

Usporedba metoda ugradnje: fotonaponski sustav priključen na zgradu (BAPV) u odnosu na fotonaponski sustav integriran u zgradu (BIPV)

Fotonaponske (PV) primjene u zgradama predstavljaju novu granicu za proizvodnju solarne energije. Ova tehnologija integrira PV sustave s vanjskim strukturama zgrada, povećavajući energetsku učinkovitost i smanjujući potrošnju, što je čini ključnom komponentom u postizanju niskoenergetskih pasivnih zgrada. 

Na temelju stupnja integracije, građevinske PV sustave možemo kategorizirati u dvije vrste:

① Fotonaponski sustav priključen na zgradu (BAPV): Ovo se odnosi na fotonaponske sustave instalirane na postojećim zgradama, koji koriste prazne prostore za proizvodnju energije. BAPV se obično koristi u naknadnoj opremi postojećih struktura.

② Fotonaponski integrirani u zgradu (BIPV): Ovo uključuje fotonaponske sustave koji su istovremeno projektirani, izgrađeni i instalirani sa samom zgradom, neprimjetno se integrirajući sa strukturom zgrade. BIPV sustavi ne samo da proizvode električnu energiju, već pridonose i estetskom izgledu zgrade.

Usporedba metoda gradnje:

① BAPV: Tipično, BAPV sustavi koriste posebne nosače za pričvršćivanje PV modula na postojeću strukturu zgrade. Ovi sustavi prvenstveno služe u funkciji proizvodnje energije bez utjecaja na izvornu funkcionalnost zgrade i smatraju se solarnim PV zgradama 'instalacijskog tipa'.

② BIPV: BIPV sustavi uključuju jednokratni pristup izgradnji i ulaganju, gdje se potporne strukture PV sustava, PV moduli i druge električne komponente izravno ugrađuju tijekom faze izgradnje zgrade. BIPV sustavi ne samo da proizvode električnu energiju nego i zamjenjuju konvencionalne građevinske materijale, služeći i kao strukturna komponenta i ispunjavajući funkcionalne zahtjeve zgrade.

Komplementarne prednosti i nedostaci BAPV-a i BIPV-a, pri čemu BIPV nudi veće ekonomske koristi

Fotonaponski sustavi priključeni na zgradu (BAPV) i fotonaponski sustavi integrirani u zgradu (BIPV) imaju komplementarne prednosti i slabosti. BIPV je općenito ekonomičniji. Prema izračunima za projekt krova tvornice čelične konstrukcije od strane Polaris Solar PV Network , koristeći a BIPV krovni sustav može uštedjeti otprilike 164 RMB po četvornom metru u troškovima materijala. Dodatno, BIPV sustavi imaju projektirani životni vijek od preko 50 godina, pružajući značajne sveobuhvatne ekonomske prednosti. Konkretna usporedba je sljedeća:

1) Estetika građenja

·BIPV: Kao integrirani fotonaponski sustav, BIPV je uključen u cjelokupni arhitektonski dizajn, što rezultira kohezivnijim i estetski ugodnijim izgledom zgrade.

·BAPV: Budući da je naknadno ugrađen sustav, BAPV se dodaje nakon izgradnje, što dovodi do manje kohezivnog izgleda.

2) Nosivost krova

·BIPV: Krov u BIPV konstrukcijama je jednostavna nosiva konstrukcija, s jasnom raspodjelom sila, što osigurava visoku sigurnost.

·BAPV: Zbog svoje naknadno opremljene prirode, krov u BAPV sustavima doživljava složenije uvjete opterećenja, koji, pod dugotrajnim opterećenjem vjetrom i deformacijom, mogu uzrokovati učinke zamora koji bi mogli ugroziti konstrukcijsku sigurnost.

3) Hidroizolacija

·BIPV: koristi hidrofobne staklene ploče u kombinaciji s glavnim kanalima za vodu, vodonepropusnim brtvama i drugim elementima za formiranje sveobuhvatnog sustava odvodnje krova. Modularne kombinacije krovne konstrukcije, opšava i traka za svjetlarnike mogu postići vrhunsku hidroizolaciju.

·BAPV: Ne osigurava hidroizolaciju; oslanja se na postojeći krov kako bi imao odgovarajuću hidroizolacijsku sposobnost.

4) Poteškoće konstrukcije

·BIPV: Kao kritična strukturna komponenta, BIPV mora zadovoljiti visoke standarde za vodonepropusnost, izolaciju i druge kriterije arhitektonske izvedbe, što instalaciju čini izazovnijom.

·BAPV: Uključuje jednostavno dodavanje PV komponenti na postojeći krov, čineći instalaciju relativno jednostavnom.

5) Rad i održavanje

·BIPV: Krovovi su dizajnirani s modularnim fotonaponskim panelima, ali održavanje zahtijeva osiguravanje da krovne funkcije ostanu netaknute, što povećava složenost rada i održavanja.

·BAPV: Održavanje se može izvesti izravno na krovu uz relativno jednostavno rastavljanje i ponovno sastavljanje, čineći rad i održavanje manje izazovnim.

BIPV naspram BAPV: Sveobuhvatna usporedba troškova

Stavke za usporedbu	BIPV sustav	BAPV sustav
Aluminij-magnezij-mangan krovne ploče	/	Uključujući vertikalne krovne ploče od aluminija-magnezija-mangana sa zaključanim rubom i nosače T-tipa od aluminijske legure, oko 200 JPY/㎡
Pribor za nosače sustava	Uključujući potporne trake od kamfora za svjetlo, trake od aluminijske legure, gumene trake za brtvljenje, pričvršćivače itd. oko ¥0,6/W*120W/㎡=72 ￥	Uključujući stezaljke, vodilice, pričvršćivače itd. oko 0,3 ￥ /W*120W/㎡ = 36 ￥
Ploča jedinice fotonaponskog modula za proizvodnju energije	Uključujući fotonaponske ploče i okvire od legure Ming, oko 120 W/㎡'* 2,8 ￥ /W= 336 ￥	Uključujući fotonaponske ploče i okvire od legure Ming, oko 120 W/㎡* 2,8 ￥ /W = 336 ￥
Sveobuhvatni trošak (cijena materijala)	Pribor za nosače sustava + ploča jedinice fotonaponske komponente za proizvodnju energije = 408 ￥/㎡	Aluminij-magnezij-mangan krovne ploče + pribor za nosače sustava + ploča jedinice fotonaponske komponente za proizvodnju energije = 572 ￥/㎡
Jedinična cijena (yuan/kvadratni metar)	408	572
Zaključak	Korištenje integriranog krovnog sustava fotonaponske zgrade može uštedjeti materijale 160 ￥/㎡

Podaci  solarne PV mreže Polaris

BIPV protiv BAPV

Stavke za usporedbu	BIPV sustav	BAPV sustav
Izgled zgrade	Uključeno u cjelokupni dizajn zgrade, bez gubitka ljepote	Kasna instalacija, loša cjelovitost
Život dizajna	Životni vijek može doseći više od 50 godina	20-25 godina
Stres na krovu	Krov je jednostavan krov s jasnim strukturnim naprezanjem i visokom strukturnom sigurnošću	Složeni stres, dugotrajno opterećenje vjetrom i deformacija mogu proizvesti učinke zamora, utječući na strukturnu sigurnost
Vodonepropusnost	Krovni odvodni sustav sastoji se od hidrofobnih staklenih ploča, glavnih spremnika za vodu. vodonepropusnih brtvi itd. Krovna konstrukcija, bljeskajući rubovi, svjetlosne trake itd. modularno su sastavljeni kako bi se izbjegle opasnosti od curenja	Ne treba osigurati hidroizolaciju, samo postojeći krov treba imati hidroizolaciju
Poteškoće u izgradnji	Visoka točnost ugradnje, preuzima hidroizolaciju krova, toplinsku izolaciju i druge funkcije i ima velike poteškoće u izgradnji	Izgradnja u dvije faze, mala težina ugradnje komponenti
Rad i održavanje	Krov je modularno projektiran i montiran s jednim baterijskim modulom kao cjelinom. Tijekom pregleda i popravka također je potrebno razmotriti jesu li krovne funkcije potpune, a rad i održavanje otežani	Može se izravno pregledati i popraviti na krovu, rastavljanje i sastavljanje su relativno praktični, a rad i održavanje su jednostavni

Podaci solarne PV mreže Polaris

Tehnički sustavi: Kristalni silicij i tanki film kao glavni sastavni materijali

Fotonaponske (PV) ćelije su temeljne komponente jezgre PV sustava za proizvodnju električne energije. Prvenstveno se kategoriziraju u solarne ćelije od kristalnog silicija i tankoslojne solarne ćelije na temelju korištenih materijala. Ćelije od kristalnog silicija dominiraju tržišnim udjelom, dok se za tankoslojne ćelije očekuje povećan prodor zbog rasta fotonaponskih primjena u zgradama.

1) Ćelije od kristalnog silicija:

solarne ćelije od kristalnog silicija razvijale su se tijekom nekoliko desetljeća, što je dovelo do zrelog tehnološkog sustava sa stalnim poboljšanjem učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe. Industrija se također brzo proširila, značajno smanjujući granične troškove proizvodnje. U trenutnoj fotonaponskoj industriji ćelije od kristalnog silicija drže preko 95% tržišnog udjela zbog ekonomskih troškovnih prednosti koje donosi ekonomija razmjera i njihova visoka učinkovitost pretvorbe. Među njima, ćelije monokristalnog silicija karakteriziraju visoka učinkovitost fotoelektrične pretvorbe i visoki troškovi proizvodnje, dok ćelije polikristalnog silicija imaju nešto nižu učinkovitost pretvorbe, ali su jeftine za proizvodnju i ne pate od značajnog pada učinkovitosti. Prije 2017. polikristalne ćelije držale su tržišni udio od čak 73%. Od 2017. godine uvođenje novih proizvodnih tehnologija značajno je smanjilo proizvodne troškove monokristalnog silicija, a povećani prodor PERC tehnologije značajno je poboljšao učinkovitost pretvorbe monokristalnog silicija, koji sada čini približno 90% tržišta ćelija kristalnog silicija.

2) Ćelije tankog filma:

Ćelije s tankim filmom još nisu postigle veliki tržišni opseg zbog svoje relativno niže učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe. Međutim, oni pokazuju snažnu izvedbu pri slabom osvjetljenju, što ih čini značajno učinkovitijima od modula kristalnog silicija u nekim BAPV/BIPV projektima koji nisu okrenuti prema jugu. Osim toga, budući da tankoslojne ćelije imaju bolji temperaturni koeficijent, mogu održati performanse u uvjetima ekstremne visoke temperature, učinkovito kompenzirajući nedostatke kristalnog silicija. Ćelije od kristalnog silicija prvenstveno su dostupne u tamno plavoj i svijetlo plavoj boji, koje su pomalo monotone i ne mogu zadovoljiti raznolike potrebe boja fotonaponskih zgrada. Nasuprot tome, ćelije s tankim filmom nude prednost podesive boje, s trenutnim tržišnim proizvodima koji pokrivaju gotovo sve uobičajene sheme boja. Nadalje, ćelije s tankim filmom relativno su lagane, smanjujući poteškoće u konstrukciji i troškove proizvodnje potpornih struktura kada se koriste fotonaponski moduli s tankim filmom.

Usporedba kristalnog silicija i tankoslojnih ćelija u području izgradnje fotonapona

	Solarne ćelije od kristalnog silicija	Tankoslojne solarne ćelije
Snaga po jedinici površine	Fotonaponska elektrana od kristalnog silicija s krovnom površinom od 1000 četvornih metara ima snagu od približno 100 kW.	Tankoslojna fotonaponska elektrana s krovnom površinom od 1000 četvornih metara ima snagu od približno 70 kW.
Izvedba pri slabom osvjetljenju	Solarne ćelije od kristalnog silicija imaju relativno loše performanse pri slabom osvjetljenju. Na primjer, u južnom kineskom gradu, fotonaponski moduli od kristalnog silicija instalirani okrenuti izravno prema jugu postižu samo 59% svoje maksimalne učinkovitosti u uvjetima neoptimalne svjetlosti.	Tankoslojne solarne ćelije imaju dobre performanse pri slabom osvjetljenju i manje su osjetljive na kutove ugradnje. Generiraju električnu energiju dulje vrijeme u uvjetima slabog osvjetljenja u usporedbi s ćelijama od kristalnog silicija, što ih čini prikladnijima za instalacije koje nisu okrenute prema jugu, zidne zavjese i BlPV projekte u oblačnim ili hladnim regijama.
Temperaturni koeficijent	Temperaturni koeficijent je relativno visok. Kada radna temperatura prijeđe 25°c, maksimalna izlazna snaga smanjuje se za 0,40-0,45% za svaki porast od 1°c.	Temperaturni koeficijent je relativno nizak, kada radna temperatura prijeđe 25 ℃, maksimalna izlazna snaga smanjuje se za samo 0,19-0,21% za svaki porast od 1°C.
Raznolikost boja	Opcije boja su uglavnom u nijansama plave, kao što su tamno plava i svijetlo plava.	Tankoslojni moduli se po potrebi mogu proizvesti u raznim bojama.
Težina modula	Moduli su relativno teški.	Relativno su lagani, smanjujući poteškoće i troškove krovne konstrukcije. Osim toga, kada se koriste u primjenama zidnih zavjesa, moduli Py od tankog filma zahtijevaju manje strukturne potpore i imaju niže troškove u usporedbi s modulima kristalnog silicija.

Izvor do 2021. Kristalni silicij, tanki film i perovskit BIPV tehnologija i tržišni forum

Općenito, kristalni silicij i tehnološki sustavi tankog filma igraju komplementarne uloge u području fotonaponskih zgrada. Tehnologija tankog filma ima jasnu prednost u specifičnim projektima fotonaponskih zgrada, kao što su krovovi koji nisu okrenuti prema jugu, zidovi zavjese i prilagođeni scenariji. Prema studiji Fraunhofer instituta za solarne energetske sustave u Njemačkoj o europskim BIPV projektima iz 2018. , približno 90% krovnih BIPV projekata koristi tehnologiju kristalnog silicija, dok oko 56% fasadnih BIPV projekata koristi tehnologiju tankog filma.

Podjela i karakteristike glavnih tehničkih sustava fotonaponskih ćelija

Tehnološki sustav	Specifični materijali	Učinkovitost fotoelektrične pretvorbe	Prednost	Nedostatak
Solarne ćelije od kristalnog silicija	Monokristalni silicij	16% - 18%	Dugi životni vijek (općenito do 20-30 godina), visoka učinkovitost fotoelektrične pretvorbe	Visoki troškovi proizvodnje, dugo vrijeme proizvodnje, loša izvedba pri slabom osvjetljenju
	Polikristalni silicij	14% - 16%	Visoka svjetlosna stabilnost, niska cijena, jednostavna proizvodnja i bez očitog pada učinkovitosti	Loša izvedba proizvodnje električne energije pri slabom osvjetljenju
Tankoslojne solarne ćelije	Amorfni silicij	6% - 9%	Zrela tehnologija, nizak proizvodni prag	Ograničena učinkovitost fotoelektrične pretvorbe
	Bakar indij galij selenid (ClGS)	11%	Niski troškovi proizvodnje, nisko zagađenje, nema pada, dobre performanse pri slabom osvjetljenju, visoka učinkovitost fotoelektrične pretvorbe	Tehnologija je vrlo osjetljiva na omjere elemenata, a struktura je složena i zahtijeva izuzetno strogu obradu i pripremu uvjetima
	Kadmijev telurid (CdTe)	9% - 12%	Niski troškovi proizvodnje, visoka učinkovitost pretvorbe, niskotemperaturni koeficijent (izvrsna izvedba na niskim temperaturama), dobar efekt slabog osvjetljenja	Oskudica sirovina i toksičnost kadmija zahtijevaju sustav recikliranja velikih razmjera, što otežava velike primjene

Izvor: Istraživanje primjene solarnih fotonapona u zgradarstvu, Pregled razvoja industrije tankoslojnih solarnih ćelija bakar indija galij selenida

BAPV (engl. Building-Attached Photovoltaic) trenutno je glavni oblik izgradnje fotonaponskih sustava.

Iz trenutnog krajolika industrije, BAPV ostaje dominantan oblik fotonapona integriranih u zgrade. To je prvenstveno zato što je izgradnja novih zgrada svake godine ograničena, a standardi za BIPV još nisu u potpunosti uspostavljeni. Čak i ako bi se BIPV usvojio odmah, ipak bi trebalo 3-5 godina dok zgrade ne dostignu fazu ograničenja prije nego što se BIPV može koristiti. Nasuprot tome, naknadno opremanje postojećih krovova je relativno lakše, a obilje postojećih krovnih resursa čini ga prikladnijim za brzi razvoj distribuiranih fotonaponskih sustava u ovoj fazi.

U usporedbi sa zrelim prekomorskim tržištima, BIPV ima značajan potencijal za povećani prodor u budućnosti.

U razvijenim zemljama, integrirani fotonaponski sustavi (BIPV) počeli su ranije, a mnoge su zemlje implementirale različite politike poticaja i razvojne planove već krajem 20. stoljeća. Na primjer, Njemačka, Italija, Japan i Sjedinjene Države uspostavile su 'Solarne PV krovne programe', postavljajući jasne ciljeve za izgradnju fotonaponskih instalacijskih kapaciteta u narednim godinama. Od 2018. godine, prema izvješću organizacije BIPVBOOST, Japan je imao najveću kumulativnu BIPV instalaciju na svijetu, s kapacitetom od 3 GW, a slijede ga Francuska (2,7 GW), Italija (2,5 GW) i Sjedinjene Države (0,6 GW). Nasuprot tome, kumulativna BIPV instalacija u Kini bila je samo 0,1 GW (približno 0,7 GW do 2020.).

Kada se uspoređuju povijesni instalacijski kapaciteti razvijenih regija, trenutna ukupna BIPV instalacija u Kini ekvivalentna je razinama koje su Japan i Europa dosegli prije otprilike 5 do 10 godina. Ova putanja ukazuje na to da je tržište u Kini daleko od zrelog i da postoji značajan prostor za povećanje prodora BIPV-a u budućnosti.