BIPV kontra BAPV: Kiegészítő szerepek a fotovoltaikus épületekben

A fotovoltaikus (PV) konstrukció a PV modulok integrációs szintje alapján két típusra osztható: Épülethez csatolt PV (BAPV) és Épületbe integrált PV (BIPV) . Bár a BIPV rendelkezik bizonyos előnyökkel a költségek és a teljesítmény tekintetében, fejlesztése még mindig a kezdeti szakaszban van. A BAPV, amely közvetlenül felszerelhető a meglévő épületekre, továbbra is a mainstream forma marad. A tengerentúli piacokhoz képest a BIPV-telepítések Japánban, Franciaországban, Olaszországban és az Egyesült Államokban elérték a 3 GW-ot, a 2,7 GW-ot, a 2,5 GW-ot és a 0,6 GW-ot, míg Kínában ez csak 0,7 GW volt 2020-ban, ami jelentős potenciált jelez a BIPV penetráció növekedésére a jövőben . Ezen túlmenően az üzleti modell szempontjából a BAPV megőrzi a fotovillamos termékek több jellemzőjét, a projekteket főként fotovoltaikus gyártó cégek vezetik. Másrészt a BIPV szorosan kapcsolódik az általános építési folyamathoz, jobban támaszkodik az építőipari vállalatok EPC-képességeire, ezáltal új növekedési lehetőségeket hoz az építőipar számára. Összességében a BAPV és a BIPV kiegészítik egymás erősségeit és gyengeségeit, jelentős növekedési lehetőségeket kínálva mind a napelem-gyártók, mind az építőipari cégek számára a fotovillamos építőiparban.

A telepítési módok összehasonlítása: épülethez csatlakoztatott fotovoltaikus (BAPV) vs. épületbe integrált fotovoltaikus (BIPV)

Az épületekben a fotovoltaikus (PV) alkalmazások új határt jelentenek a napenergia-termelésben. Ez a technológia integrálja a fotovoltaikus rendszereket az épületek külső szerkezeteivel, növelve az energiahatékonyságot és csökkentve a fogyasztást, így kulcsfontosságú eleme az alacsony energiafelhasználású passzív épületek kialakításának. 

Az integráltság mértéke alapján az épület napelemes rendszerei két típusra oszthatók:

① Building-Attached Photovoltaic (BAPV): Ez a meglévő épületekre telepített napelemes rendszerekre vonatkozik, amelyek üres tereket használnak fel energiatermelésre. A BAPV-t általában meglévő szerkezetek utólagos felszerelésére használják.

② Épületbe integrált fotovoltaikus (BIPV): Ez olyan fotovoltaikus rendszereket foglal magában, amelyeket egyidejűleg terveznek, építenek és telepítenek magával az épülettel, és zökkenőmentesen integrálódnak az épület szerkezetébe. A BIPV rendszerek nemcsak villamos energiát termelnek, hanem hozzájárulnak az épület esztétikus megjelenéséhez is.

Építési módok összehasonlítása:

① BAPV: A BAPV rendszerek általában speciális konzolokat használnak a PV modulok meglévő épületszerkezethez való rögzítésére. Ezek a rendszerek elsősorban energiatermelési funkciót látnak el anélkül, hogy az épület eredeti funkcionalitását befolyásolnák, és 'telepítési típusú' napelemes épületeknek minősülnek.

② BIPV: A BIPV rendszerek egyszeri építési és beruházási megközelítést foglalnak magukban, ahol a napelemes rendszer tartószerkezeteit, a fotovoltaikus modulokat és az egyéb elektromos alkatrészeket közvetlenül az épület építési szakaszában telepítik. A BIPV rendszerek nemcsak villamos energiát termelnek, hanem a hagyományos építőanyagokat is helyettesítik, mind szerkezeti elemként szolgálnak, mind az épület funkcionális követelményeit teljesítik.

A BAPV és a BIPV kiegészítő előnyei és hátrányai, a BIPV nagyobb gazdasági előnyöket kínál

Az épülethez csatlakoztatott fotovoltaikus (BAPV) és az épületbe integrált fotovoltaikus (BIPV) rendszereknek vannak egymást kiegészítő erősségei és gyengeségei. A BIPV általában gazdaságosabb. acélszerkezetű gyári tetőprojektjére vonatkozó számítások szerint A Polaris Solar PV Network a A BIPV tetőrendszer négyzetméterenként körülbelül 164 RMB anyagköltséget takaríthat meg. Ezenkívül A BIPV rendszerek tervezési élettartama több mint 50 év, ami jelentős átfogó gazdasági előnyöket biztosít. Egy konkrét összehasonlítás a következő:

1) Épületesztétika

· BIPV: Integrált fotovoltaikus rendszerként a BIPV beépül az általános építészeti tervezésbe, ami összefüggőbb és esztétikusabb épület megjelenést eredményez.

· BAPV: Mivel utólag felszerelt rendszer, a BAPV-t az építés után adják hozzá, ami kevésbé kohéziós megjelenést eredményez.

2) Tető teherhordó

·BIPV: A BIPV konstrukciókban a tető egyszerű teherhordó szerkezet, tiszta erőelosztással, magas biztonságot garantálva.

·BAPV: A tetőszerkezete utólagosan felszerelt jellege miatt BAPV rendszerek bonyolultabb terhelési viszonyok között van jelen, ami hosszú távú szélterhelés és deformáció esetén a szerkezeti biztonságot veszélyeztető kifáradási hatásokat okozhat.

3) Vízszigetelés

·BIPV: Hidrofób üvegpaneleket használ fő vízcsatornákkal, vízálló tömítésekkel és egyéb elemekkel kombinálva egy átfogó tetővízelvezető rendszer kialakításához. A tetőszerkezet, a burkolólapok és a felülvilágító szalagok moduláris kombinációi kiváló vízszigetelési teljesítményt érhetnek el.

·BAPV: természeténél fogva nem biztosít vízszigetelést; a meglévő tető megfelelő vízszigetelő képességére támaszkodik.

4) Építési nehézség

·BIPV: Kritikus szerkezeti elemként a BIPV-nek meg kell felelnie a vízszigetelésre, szigetelésre és egyéb építészeti teljesítménykritériumokra vonatkozó magas követelményeknek, így a telepítés nagyobb kihívást jelent.

· BAPV: Egyszerűen hozzá kell adni a fotovoltaikus alkatrészeket egy meglévő tetőhöz, így a telepítés viszonylag egyszerű.

5) Üzemeltetés és karbantartás

·BIPV: A tetőket moduláris PV panelekkel tervezték, de a karbantartás során biztosítani kell, hogy a tetőfedő funkciók sértetlenek maradjanak, ami megnöveli a műveletek és a karbantartás bonyolultságát.

·BAPV: A karbantartást közvetlenül a tetőn lehet elvégezni, viszonylag egyszerű szét- és összeszereléssel, így a műveletek és a karbantartás kevésbé bonyolult.

BIPV vs. BAPV: Átfogó költség-összehasonlítás

Összehasonlítás ltems	BIPV rendszer	BAPV rendszer
Alumínium-magnézium-mangán tetőpanelek	/	Beleértve a függőleges zárható élű alumínium-magnézium-mangán tetőpaneleket és az alumíniumötvözetből készült T-típusú tartókat, körülbelül 200 ￥/㎡
Rendszertartó tartozékok	Beleértve az alátámasztó kámforcsíkokat, alumíniumötvözet csíkokat, gumi tömítőcsíkokat, rögzítéseket stb. kb. 0,6 ￥/W*120W/㎡=￥72	Beleértve a bilincseket, vezetősíneket, rögzítéseket stb. kb. 0,3 ￥ /W*120W/㎡ = ￥36
Fotovoltaikus áramtermelő modul egység tábla	Beleértve a fotovoltaikus paneleket és a Ming ötvözet kereteket, körülbelül 120 W/㎡'* ￥ 2,8 /W= ￥336	Beleértve a fotovoltaikus paneleket és a Ming ötvözet kereteket, körülbelül 120 W/㎡* ￥ ​​2,8 /W = ￥ 336
Átfogó költség (anyagár)	Rendszertartó tartozékok + fotovoltaikus áramfejlesztő alkatrészegység kártya =￥408 /㎡	Alumínium-magnézium-mangán tetőpanelek + rendszertartó tartozékok + fotovoltaikus energiatermelő egység kártya = 572 ￥ /㎡
Egységköltség (jüan/négyzetméter)	408	572
Következtetés	A fotovoltaikus épületbe integrált tetőrendszer használatával 160 ￥ /㎡ anyagot takaríthatunk meg

A adatai Polaris Solar PV Network

BIPV kontra BAPV

Összehasonlítás ltems	BIPV rendszer	BAPV rendszer
Épület megjelenése	Beépült az épület általános kialakításába, anélkül, hogy elveszítené a szépségét	Késői telepítés, rossz integritás
Tervezési élet	Az élettartam elérheti az 50 évet	20-25 év
Tető stressz	A tető egyszerű tető, egyértelmű szerkezeti igénybevétellel és magas szerkezeti biztonsággal	Az összetett igénybevétel, a hosszan tartó szélterhelés és a deformáció kifáradási hatásokat válthat ki, ami befolyásolja a szerkezeti biztonságot
Vízállóság	A tető vízelvezető rendszerét hidrofób üvegpanelek, fő víztartályok, vízálló tömítések stb. alkotják. A tetőszerkezet, a szegélyek, a fénycsíkok stb. moduláris felépítésűek a szivárgásveszély elkerülése érdekében	Nem szükséges vízszigetelő képességet biztosítani, csak a meglévő tetőnek kell vízszigetelő képességgel rendelkeznie
Építési nehézség	Hiah beépítési pontosság, vállal tető vízszigetelést, hőszigetelést és egyéb funkciókat, és nagy építési nehézségekkel küzd	Az építés két fázisban történik, a komponensek beszerelése alacsony nehézséggel
Üzemeltetés és karbantartás	A tető modulárisan dezánizált, és egyetlen akkumulátormodullal van felszerelve. Az ellenőrzés és javítás során azt is figyelembe kell venni, hogy a tető funkciói teljesek-e, az üzemeltetés és karbantartás nehézkes-e	Közvetlenül a tetőn ellenőrizhető és javítható, a szétszerelés és összeszerelés viszonylag kényelmes, a kezelés és a karbantartás egyszerű

A adatai Polaris Solar PV Network

Műszaki rendszerek: Kristályos szilícium és vékony film, mint fő alkotóelemek

A fotovoltaikus (PV) cellák a fotovoltaikus energiatermelő rendszerek alapelemei. A felhasznált anyagok alapján elsősorban kristályos szilícium napelemekre és vékonyfilmes napelemekre osztják őket. A kristályos szilícium cellák uralják a piaci részesedést, míg a vékonyfilmes cellák várhatóan megnövekszik a penetráció a fotovoltaikus építési alkalmazások növekedése miatt.

1) Kristályos szilícium cellák:

A kristályos szilícium napelemek több évtized alatt fejlődtek, ami egy kiforrott technológiai rendszerhez vezetett, amely folyamatosan javul a fotoelektromos átalakítási hatékonysággal. Az ipar is gyorsan bővült, jelentősen csökkentve a gyártási határköltségeket. A jelenlegi fotovoltaikus iparban a kristályos szilícium cellák a piaci részesedés több mint 95%-át birtokolják a méretgazdaságosságból eredő gazdasági költségelőnyök és a magas átalakítási hatékonyság miatt. Közülük a monokristályos szilícium cellákat magas fotoelektromos konverziós hatékonyság és magas gyártási költségek jellemzik, míg a polikristályos szilícium cellák konverziós hatékonysága valamivel alacsonyabb, de olcsó az előállításuk, és nem szenvednek jelentős hatékonyságcsökkenést. 2017 előtt a polikristályos cellák 73%-os piaci részesedéssel rendelkeztek. 2017 óta az új gyártási technológiák bevezetése jelentősen csökkentette a monokristályos szilícium előállítási költségeit, a PERC technológia fokozott elterjedése pedig jelentősen javította a monokristályos szilícium konverziós hatékonyságát, amely ma már a kristályos szilícium cellák piacának mintegy 90%-át teszi ki.

2) Vékonyrétegű cellák:

A vékonyfilmes cellák viszonylag alacsonyabb fotoelektromos átalakítási hatékonyságuk miatt még nem értek el nagy piaci léptéket. Azonban gyenge fényviszonyok mellett is erős teljesítményt mutatnak, így néhány nem déli fekvésű BAPV/BIPV projektben jelentősen hatékonyabbak, mint a kristályos szilícium modulok. Ezen túlmenően, mivel a vékonyfilmes celláknak jobb a hőmérsékleti együtthatója, képesek fenntartani teljesítményüket extrém magas hőmérsékleti körülmények között is, hatékonyan kompenzálva a kristályos szilícium hiányosságait. A kristályos szilícium cellák elsősorban mélykék és világoskék színben kaphatók, amelyek kissé monotonok, és nem tudják kielégíteni a fotovoltaikus épületek sokszínű színigényét. Ezzel szemben a vékonyfilmes cellák az állítható szín előnyeit kínálják, a jelenlegi piaci termékek szinte minden elterjedt színsémát lefednek. Ezenkívül a vékonyfilmes cellák viszonylag könnyűek, csökkentve az építési nehézségeket és a tartószerkezetek gyártási költségeit vékonyfilmes PV-modulok használata esetén.

Kristályos szilícium és vékonyréteg cellák összehasonlítása az épület fotovoltaikában

	Kristályos szilícium napelemek	Vékonyrétegű napelemek
Teljesítmény egységnyi területen	Egy 1000 négyzetméteres tetőterületű kristályos szilícium fotovoltaikus erőmű megközelítőleg 100 kW teljesítményű.	Egy 1000 négyzetméteres tetőterületű vékonyrétegű fotovoltaikus erőmű megközelítőleg 70 kW teljesítményű.
Gyenge megvilágítású teljesítmény	A kristályos szilícium napelemek gyenge fényviszonyok mellett is viszonylag gyenge teljesítményt nyújtanak. Például egy dél-kínai városban a közvetlenül dél felé telepített kristályos szilícium PV modulok a maximális hatásfok mindössze 59%-át érik el szuboptimális fényviszonyok mellett.	A vékonyrétegű napelemek gyenge fényviszonyok mellett is erős teljesítményt nyújtanak, és kevésbé érzékenyek a beépítési szögekre. A kristályos szilícium cellákhoz képest gyenge fényviszonyok mellett hosszabb ideig termelnek áramot, így jobban megfelelnek nem déli fekvésű berendezésekhez, függönyfalakhoz és BlPV-projektekhez felhős vagy hideg területeken.
Hőmérséklet együttható	A hőmérsékleti együttható viszonylag magas. Ha az üzemi hőmérséklet meghaladja a 25°C-ot, a maximális kimeneti teljesítmény 0,40-0,45%-kal csökken minden 1°C-os emelés után.	A hőmérsékleti együttható viszonylag alacsony. Ha az üzemi hőmérséklet meghaladja a 25 ℃-ot, a maximális teljesítmény csak 0,19-0,21%-kal csökken minden 1°C-os emelés után.
Színek sokszínűsége	A színválaszték elsősorban a kék árnyalataiban található, például mélykék és világoskék.	A vékonyrétegű modulok igény szerint többféle színben gyárthatók.
Modul súlya	A modulok viszonylag nehezek.	Viszonylag könnyűek, csökkentve a tetőfedés építési nehézségeit és költségeit. Ezenkívül, ha függönyfalakban használják, a vékonyrétegű Py-modulok kevesebb szerkezeti támogatást igényelnek, és alacsonyabb költségekkel járnak, mint a kristályos szilícium modulok.

Forrás: 2021 Kristályos szilícium, vékonyfilm és perovszkit BIPV technológia és piaci fórum

Összességében a kristályos szilícium és a vékonyréteg technológiai rendszerek egymást kiegészítő szerepet töltenek be a fotovoltaikus épületek területén. A vékonyréteg-technológia határozott előnyt jelent bizonyos fotovoltaikus épületprojektekben, mint például a nem déli fekvésű tetők, függönyfalak és egyedi forgatókönyvek. A 2018-as tanulmány szerint Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems által az európai németországi BIPV-projektekről szóló a tetőtéri BIPV-projektek körülbelül 90%-a kristályos szilícium-technológiát használ, míg a homlokzati BIPV-projektek körülbelül 56%-a vékonyréteg-technológiát használ.

A fotovoltaikus cellák főbb műszaki rendszereinek osztályozása és jellemzői

Technológiai rendszer	Specifikus anyagok	Fotoelektromos átalakítási hatékonyság	Előny	Hátrány
Kristályos szilícium napelemek	Monokristályos szilícium	16% - 18%	Hosszú élettartam (általában akár 20-30 év), magas fotoelektromos átalakítási hatékonyság	Magas gyártási költség, hosszú gyártási idő, gyenge teljesítmény gyenge fényviszonyok mellett
	Polikristályos szilícium	14% - 16%	Nagy fénystabilitás, alacsony költség, egyszerű gyártás, és nincs nyilvánvaló hatékonyságcsökkenés	Gyenge energiatermelési teljesítmény gyenge fényviszonyok mellett
Vékonyrétegű napelemek	Amorf szilícium	6% - 9%	Érett technológia, alacsony gyártási küszöb	Korlátozott fotoelektromos átalakítási hatékonyság
	Réz-indium-gallium-szelenid (ClGS)	11%	Alacsony gyártási költség, alacsony szennyezés, nincs csökkenés, jó teljesítmény gyenge fényviszonyok mellett, magas fotoelektromos átalakítási hatékonyság	A technológia rendkívül érzékeny az elemi arányokra, szerkezete összetett, rendkívül szigorú feldolgozást és előkészítést igényel körülmények
	Kadmium-tellurid (CdTe)	9% - 12%	Alacsony gyártási költség, magas konverziós hatékonyság, alacsony hőmérsékleti együttható (kiváló teljesítmény alacsony hőmérsékleten), jó gyenge fényhatás	A nyersanyagok szűkössége és a kadmium toxicitása nagy léptékű újrahasznosítási rendszert tesz szükségessé, ami megnehezíti a nagyszabású alkalmazásokat

Forrás: Kutatás a napelemes fotovoltaik épületekben történő alkalmazásáról

A BAPV (Building-Attached Photovoltaic) jelenleg a fotovoltaikus épületek főbb formája.

A jelenlegi ipari környezetben a BAPV továbbra is az épületbe integrált fotovoltaik domináns formája. Ennek elsősorban az az oka, hogy az új épületek építése minden évben korlátozott, és a BIPV szabványai még nem teljesen megalapozottak. Még ha a BIPV-t azonnal elfogadnák is, akkor is 3-5 évbe telne, amíg az épületek elérik a felső határt, mielőtt a BIPV-t használni lehetne. Ezzel szemben a meglévő háztetők utólagos felszerelése viszonylag egyszerűbb, és a meglévő tetőtéri erőforrások bősége alkalmasabbá teszi az elosztott napelemek gyors fejlesztésére ebben a szakaszban.

Az érett tengerentúli piacokhoz képest a BIPV jelentős potenciállal rendelkezik a jövőbeni nagyobb penetráció tekintetében.

A fejlett országokban az épületbe integrált fotovoltaik (BIPV) korábban elkezdődtek, sok országban már a 20. század végén különféle ösztönző politikákat és fejlesztési terveket valósítottak meg. Például Németország, Olaszország, Japán és az Egyesült Államok mind létrehozta a 'Solar PV Roof Programs' programot, amely egyértelmű célokat tűzött ki a fotovillamos telepítési kapacitások kiépítésére az elkövetkező években. A BIPVBOOST szervezet jelentése szerint 2018-ban Japánban volt a legmagasabb kumulált BIPV-telepítés világszerte, 3 GW kapacitással, ezt követi Franciaország (2,7 GW), Olaszország (2,5 GW) és az Egyesült Államok (0,6 GW). Ezzel szemben Kínában a BIPV összesített telepítése mindössze 0,1 GW volt (2020-ra körülbelül 0,7 GW).

Ha összehasonlítjuk a fejlett régiók történelmi telepítési kapacitásait, akkor Kína jelenlegi teljes BIPV-telepítése megegyezik azzal a szinttel, amelyet Japán és Európa körülbelül 5-10 évvel ezelőtt elért. Ez a pálya azt jelzi, hogy a kínai piac még korántsem kiforrott, és a BIPV penetrációja jelentős mértékben növekedhet a jövőben.