BIPV vs. BAPV: Komplementære roller i fotovoltaiske bygninger

Fotovoltaisk (PV) konstruksjon kan deles inn i to typer basert på integreringsnivået til PV-moduler: Bygningsfestet PV (BAPV) og Bygningsintegrert PV (BIPV) . Selv om BIPV har visse fordeler når det gjelder kostnader og ytelse, er utviklingen fortsatt i de tidlige stadiene. BAPV, som kan installeres direkte på eksisterende bygninger, forblir hovedformen. Sammenlignet med oversjøiske markeder har BIPV-installasjoner i Japan, Frankrike, Italia og USA nådd henholdsvis 3GW, 2.7GW, 2.5GW og 0.6GW, mens det i Kina bare var 0.7GW i 2020, noe som indikerer et betydelig potensial for økt BIPV-penetrasjon i fremtiden . Videre, fra et forretningsmodellperspektiv, beholder BAPV flere egenskaper ved PV-produkter, med prosjekter hovedsakelig ledet av PV-produsenter. På den annen side er BIPV nært knyttet til den generelle byggeprosessen, og stoler mer på EPC-evnen til byggefirmaer, og gir dermed nye vekstmuligheter til byggesektoren. Totalt sett utfyller BAPV og BIPV hverandres styrker og svakheter, og tilbyr betydelige vekstmuligheter for både PV-produsenter og byggefirmaer i PV-konstruksjonsindustrien.

Sammenligning av installasjonsmetoder: Building-Attached Photovoltaic (BAPV) vs Building-Attached Photovoltaic (BIPV)

Fotovoltaiske (PV) applikasjoner i bygninger representerer en ny grense for generering av solenergi. Denne teknologien integrerer PV-systemer med de ytre strukturene til bygninger, forbedrer energieffektiviteten og reduserer forbruket, noe som gjør den til en avgjørende komponent for å oppnå passive bygninger med lav energi. 

Basert på graden av integrasjon, kan bygningsPV-systemer kategoriseres i to typer:

① Building-Attached Photovoltaic (BAPV): Dette refererer til PV-systemer installert på eksisterende bygninger, som utnytter ledige rom for energiproduksjon. BAPV brukes ofte i ettermontering av eksisterende strukturer.

② Building-Integrated Photovoltaic (BIPV): Dette involverer PV-systemer som samtidig er designet, konstruert og installert med selve bygningen, og integreres sømløst med bygningens struktur. BIPV-systemer genererer ikke bare strøm, men bidrar også til bygningens estetiske utseende.

Sammenligning av byggemetoder:

① BAPV: Vanligvis bruker BAPV-systemer spesielle braketter for å feste PV-moduler til den eksisterende bygningsstrukturen. Disse systemene tjener primært funksjonen til energiproduksjon uten å påvirke den opprinnelige funksjonaliteten til bygningen, og de regnes som «installasjonstype» solcellebygg.

② BIPV: BIPV-systemer involverer en engangskonstruksjons- og investeringstilnærming, der PV-systemstøttestrukturer, PV-moduler og andre elektriske komponenter installeres direkte i bygningens byggefase. BIPV-systemer genererer ikke bare strøm, men erstatter også konvensjonelle byggematerialer, og fungerer både som en strukturell komponent og oppfyller bygningens funksjonelle krav.

Komplementære fordeler og ulemper ved BAPV og BIPV, med BIPV som gir større økonomiske fordeler

Building-Attached Photovoltaic (BAPV) og Building-Integrated Photovoltaic (BIPV) systemer har komplementære styrker og svakheter. BIPV er generelt mer økonomisk. Ifølge beregninger for et takprosjekt av stålkonstruksjon fra Polaris Solar PV Network , ved bruk av en BIPV taksystem kan spare omtrent 164 RMB per kvadratmeter i materialkostnader. I tillegg, BIPV-systemer har en designlevetid på over 50 år, noe som gir betydelige omfattende økonomiske fordeler. En spesifikk sammenligning er som følger:

1) Bygningsestetikk

·BIPV: Som et integrert fotovoltaisk system er BIPV integrert i den overordnede arkitektoniske utformingen, noe som resulterer i et mer sammenhengende og estetisk tiltalende bygningsutseende.

·BAPV: Som et ettermontert system, er BAPV lagt til etter konstruksjon, noe som fører til et mindre sammenhengende utseende.

2) Takbærende

·BIPV: Taket i BIPV-konstruksjoner er en enkel bærende konstruksjon, med tydelig kraftfordeling, som sikrer høy sikkerhet.

·BAPV: På grunn av sin ettermonterte natur, opplever taket i BAPV-systemer mer komplekse belastningsforhold, som under langvarig vindbelastning og deformasjon kan forårsake utmattelseseffekter som kan kompromittere strukturell sikkerhet.

3) Vanntetting

·BIPV: Bruker hydrofobe glasspaneler kombinert med hovedvannkanaler, vanntette tetninger og andre elementer for å danne et omfattende takdreneringssystem. Modulære kombinasjoner av takkonstruksjon, blinkende og takvinduer kan oppnå overlegen vanntettingsytelse.

·BAPV: Gir ikke i seg selv vanntetting; den er avhengig av at det eksisterende taket har tilstrekkelig vanntettingsevne.

4) Konstruksjonsvanskeligheter

·BIPV: Som en kritisk strukturell komponent må BIPV oppfylle høye standarder for vanntetting, isolasjon og andre arkitektoniske ytelseskriterier, noe som gjør installasjonen mer utfordrende.

·BAPV: Innebærer ganske enkelt å legge til PV-komponenter til et eksisterende tak, noe som gjør installasjonen relativt enkel.

5) Drift og vedlikehold

·BIPV: Tak er designet med modulære PV-paneler, men vedlikehold krever at man sikrer at takfunksjonene forblir intakte, noe som øker kompleksiteten i drift og vedlikehold.

·BAPV: Vedlikehold kan utføres direkte på taket med relativt enkel demontering og montering, noe som gjør drift og vedlikehold mindre utfordrende.

BIPV vs. BAPV: Omfattende kostnadssammenligning

Sammenligningselementer	BIPV system	BAPV System
Takpaneler av aluminium-magnesium-mangan	/	Inkludert vertikale låsekanter av aluminium-magnesium-mangan takpaneler og aluminiumslegering T-type støtter, ca. ￥200/㎡
Systembrakett tilbehør	Inkludert støttende kamferstrimler for lette potter, strips av aluminiumslegering, tetningslister av gummi, fester osv. ca. ￥0,6/W*120W/㎡=￥72	Inkludert klemmer, styreskinner, fester osv. ca. ￥0,3 /W*120W/㎡ = ￥36
Photovoltaic Power Generation Module enhet Board	Inkludert solcellepaneler og Ming-legeringsrammer, ca. 120W/㎡'* ￥ 2,8 /W= ￥336	Inkludert fotovoltaiske paneler og Ming-legeringsrammer, ca. 120W/㎡* ￥ ​​2,8 /W = ￥336
Omfattende kostnad (materialpris)	Tilbehør til systembrakett + komponentkort for fotovoltaisk kraftproduksjon =￥408 /㎡	Aluminium-magnesium-mangan takpaneler + systembrakett tilbehør + fotovoltaisk kraftproduksjon komponent enhetskort = ￥572 /㎡
Enhetskostnad (yuan/kvadratmeter)	408	572
Konklusjon	Bruk av fotovoltaisk bygningsintegrert taksystem kan spare materialer ￥160 /㎡

Data fra  Polaris Solar PV Network

BIPV vs. BAPV

Sammenligningselementer	BIPV system	BAPV System
Bygningens utseende	Innlemmet i den generelle utformingen av bygningen, uten å miste skjønnhet	Sen installasjon, dårlig integritet
Designliv	Levetiden kan nå mer enn 50 år	20-25 år
Takstress	Taket er et enkelt tak med tydelig konstruksjonsspenning og høy konstruksjonssikkerhet	Komplekse belastninger, langvarig vindbelastning og deformasjon kan gi utmattelseseffekter som påvirker strukturell sikkerhet
Vanntetthet	Takavløpssystemet er dannet av hydrofobe glasspaneler, hovedvanntanker. vanntette tetninger osv. Takkonstruksjonen, blinkkanter, lyslister osv. er modulært sammensatt for å unngå lekkasjefarer	Det er ikke nødvendig å gi vanntettingsevne, bare det eksisterende taket må ha vanntettingsevne
Konstruksjonsvanskelighet	Hiah installasjonsnøyaktighet, påtar seg vanntetting av tak, varmeisolering og andre funksjoner, og har store konstruksjonsvansker	Konstruksjon i to faser, lav vanskelighetsgrad ved komponentinstallasjon
Drift og vedlikehold	Taket er modulært utformet og montert med en enkelt batterimodul som en enhet. Ved inspeksjon og reparasjon er det også nødvendig å vurdere om taket fungerer komplett, og drift og vedlikehold er vanskelig	Kan inspiseres og repareres direkte på taket, demontering og montering er relativt praktisk, og betjening og vedlikehold er enkelt

Data fra Polaris Solar PV Network

Tekniske systemer: Krystallinsk silisium og tynnfilm som hovedkomponentmaterialer

Fotovoltaiske (PV) celler er de grunnleggende kjernekomponentene i PV-kraftproduksjonssystemer. De er primært kategorisert i krystallinske silisiumsolceller og tynnfilmsolceller basert på materialene som brukes. Krystallinske silisiumceller dominerer markedsandelen, mens tynnfilmceller forventes å se økt penetrasjon på grunn av veksten av solcellebygg.

1) Krystallinske silisiumceller:

Krystallinske silisiumsolceller har utviklet seg over flere tiår, noe som har ført til et modent teknologisk system med kontinuerlig forbedring av fotoelektrisk konverteringseffektivitet. Industrien har også ekspandert raskt, noe som har redusert marginale produksjonskostnader betydelig. I den nåværende PV-industrien har krystallinske silisiumceller over 95 % av markedsandelen på grunn av de økonomiske kostnadsfordelene med stordriftsfordeler og deres høye konverteringseffektivitet. Blant dem er monokrystallinske silisiumceller preget av høy fotoelektrisk konverteringseffektivitet og høye produksjonskostnader, mens polykrystallinske silisiumceller har litt lavere konverteringseffektivitet, men er billige å produsere og lider ikke av betydelig effektivitetsforringelse. Før 2017 hadde polykrystallinske celler en markedsandel på hele 73 %. Siden 2017 har introduksjonen av nye produksjonsteknologier redusert produksjonskostnadene for monokrystallinsk silisium betydelig, og den økte penetrasjonen av PERC-teknologi har betydelig forbedret konverteringseffektiviteten til monokrystallinsk silisium, som nå utgjør omtrent 90 % av markedet for krystallinske silisiumceller.

2) Tynnfilmceller:

Tynnfilmceller har ennå ikke oppnådd stor markedsskala på grunn av deres relativt lavere fotoelektriske konverteringseffektivitet. Imidlertid viser de sterk ytelse i lite lys, noe som gjør dem betydelig mer effektive enn krystallinske silisiummoduler i noen ikke-sørvendte BAPV/BIPV-prosjekter. I tillegg, fordi tynnfilmceller har en bedre temperaturkoeffisient, kan de opprettholde ytelsen under ekstreme høytemperaturforhold, og effektivt kompensere for manglene til krystallinsk silisium. Krystallinske silisiumceller er først og fremst tilgjengelig i dype blå og lyseblå farger, som er noe monotone og ikke kan dekke de ulike fargebehovene til solcellebygg. I motsetning til dette tilbyr tynnfilmceller fordelen med justerbar farge, med dagens markedsprodukter som dekker nesten alle vanlige fargevalg. Videre er tynnfilmceller relativt lette, noe som reduserer konstruksjonsvansker og produksjonskostnadene til støttestrukturer ved bruk av tynnfilm PV-moduler.

Sammenligning av krystallinsk silisium og tynnfilmceller innen bygging av solceller

	Krystallinske silisium solceller	Tynnfilmsolceller
Strøm per enhetsareal	En solcellekraftstasjon i krystallinsk silisium med et takareal på 1000 kvadratmeter har en kapasitet på cirka 100 kW.	En tynnfilm solcellekraftstasjon med et takareal på 1000 kvadratmeter har en kapasitet på cirka 70 kW.
Lite-lys ytelse	Krystallinske silisiumsolceller har relativt dårlig ytelse ved lite lys. For eksempel, i en sørkinesisk by, oppnår krystallinske silisium PV-moduler installert rett sørvendt kun 59 % av sin maksimale effektivitet under suboptimale lysforhold.	Tynnfilmsolceller har sterk ytelse i svakt lys og er mindre følsomme for installasjonsvinkler. De genererer elektrisitet i lengre perioder under dårlige lysforhold sammenlignet med krystallinske silisiumceller, noe som gjør dem mer egnet for ikke-sørvendte installasjoner, gardinvegger og BlPV-prosjekter i overskyede eller kalde områder.
Temperaturkoeffisient	Temperaturkoeffisienten er relativt høy. Når driftstemperaturen overstiger 25°c, reduseres maksimal effekt med 0,40-0,45 % for hver økning på 1°c.	Temperaturkoeffisienten er relativt lav. Når driftstemperaturen overstiger 25 ℃, reduseres maksimal effekt med bare 0,19-0,21 % for hver økning på 1 °C.
Fargemangfold	Fargealternativene er hovedsakelig i blånyanser, som dypblå og lyseblå.	Tynnfilmsmoduler kan produseres i ulike farger etter behov.
Modulvekt	Modulene er relativt tunge.	De er relativt lette, noe som reduserer takkonstruksjonsproblemer og kostnader. I tillegg, når de brukes i gardinveggapplikasjoner, krever tynnfilm Py-moduler mindre strukturell støtte og medfører lavere kostnader sammenlignet med krystallinske silisiummoduler.

Kilde innen 2021 Krystallinsk silisium, tynnfilm og perovskitt BIPV-teknologi og markedsforum

Samlet sett spiller krystallinsk silisium og tynnfilmsteknologiske systemer komplementære roller innen solcellebygg. Tynnfilmteknologi har en klar fordel i spesifikke fotovoltaiske byggeprosjekter, som ikke-sørvendte tak, gardinvegger og skreddersydde scenarier. I følge en studie fra 2018 fra Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems i Tyskland på europeiske BIPV-prosjekter , bruker omtrent 90 % av tak-BIPV-prosjektene krystallinsk silisiumteknologi, mens omtrent 56 % av fasade-BIPV-prosjektene bruker tynnfilmteknologi.

Klassifisering og karakteristikker av de viktigste tekniske systemene til fotovoltaiske celler

Teknologisk system	Spesifikke materialer	Fotoelektrisk konverteringseffektivitet	Fordel	Ulempe
Krystallinske silisium solceller	Monokrystallinsk silisium	16 % - 18 %	Lang levetid (vanligvis opptil 20-30 år), høy fotoelektrisk konverteringseffektivitet	Høy produksjonskostnad, lang produksjonstid, dårlig ytelse i lite lys
	Polykrystallinsk silisium	14 % - 16 %	Høy lysstabilitet, lav pris, enkel produksjon og ingen åpenbar effektivitetsnedgang	Dårlig kraftgenerering ved lite lys
Tynnfilmsolceller	Amorft silisium	6 % - 9 %	Moden teknologi, lav produksjonsterskel	Begrenset fotoelektrisk konverteringseffektivitet
	Kobberindiumgalliumselenid (ClGS)	11 %	Lave produksjonskostnader, lav forurensning, ingen nedgang, god ytelse i lite lys, høy fotoelektrisk konverteringseffektivitet	Teknologien er svært følsom for elementære forhold, og strukturen er kompleks og krever ekstremt streng prosessering og forberedelse forhold
	Kadmiumtellurid (CdTe)	9 % - 12 %	Lave produksjonskostnader, høy konverteringseffektivitet, lavtemperaturkoeffisient (utmerket ytelse ved lav temperatur), god lavlyseffekt	Knappheten på råvarer og toksisiteten til kadmium nødvendiggjør et resirkuleringssystem i stor skala, noe som gjør storskala applikasjoner vanskelig

Kilde av Research on the application of solar photovoltaics in buildings, Overview of the development of copper indium gallium selenide thin-film solcelle industry

BAPV (Building-Attached Photovoltaic) er for tiden mainstream-formen for å bygge solceller.

Fra dagens industrilandskap er BAPV fortsatt den dominerende formen for bygningsintegrerte solceller. Dette er først og fremst fordi bygging av nybygg begrenses hvert år, og standardene for BIPV er ennå ikke helt etablert. Selv om BIPV skulle tas i bruk umiddelbart, vil det fortsatt ta 3-5 år før bygningene når tildekningsstadiet før BIPV kan tas i bruk. I motsetning til dette er det relativt enklere å ettermontere eksisterende hustak, og overfloden av eksisterende takressurser gjør det mer egnet for rask utvikling av distribuert solcelleanlegg på dette stadiet.

Sammenlignet med modne oversjøiske markeder har BIPV betydelig potensial for økt penetrasjon i fremtiden.

I utviklede land begynte bygningsintegrerte solceller (BIPV) tidligere, med mange land som implementerte ulike insentivpolitikker og utviklingsplaner så tidlig som på slutten av 1900-tallet. For eksempel har Tyskland, Italia, Japan og USA alle etablert «Solar PV Roof Programs», som setter klare mål for å bygge PV-installasjonskapasitet i de kommende årene. Fra 2018, ifølge en rapport fra BIPVBOOST-organisasjonen, hadde Japan den høyeste kumulative BIPV-installasjonen globalt, med en kapasitet på 3 GW, etterfulgt av Frankrike (2,7 GW), Italia (2,5 GW) og USA (0,6 GW). I motsetning til dette var Kinas kumulative BIPV-installasjon bare 0,1 GW (omtrent 0,7 GW innen 2020).

Når man sammenligner den historiske installasjonskapasiteten til utviklede regioner, tilsvarer Kinas nåværende totale BIPV-installasjon nivåene Japan og Europa nådde for rundt 5 til 10 år siden. Denne banen indikerer at markedet i Kina er langt fra modent, og det er betydelig rom for BIPV-penetrasjon til å øke i fremtiden.