BIPV vs. BAPV: Doplnkové úlohy vo fotovoltaických budovách

Fotovoltické (FV) konštrukcie možno rozdeliť do dvoch typov na základe úrovne integrácie FV modulov: Stavebné PV (BAPV) a FV integrovaná do budovy (BIPV) . Aj keď má BIPV určité výhody z hľadiska nákladov a výkonu, jeho vývoj je stále v počiatočnom štádiu. BAPV, ktorý je možné priamo inštalovať na existujúce budovy, zostáva hlavnou formou. V porovnaní so zámorskými trhmi dosiahli inštalácie BIPV v Japonsku, Francúzsku, Taliansku a Spojených štátoch amerických 3 GW, 2,7 GW, 2,5 GW a 0,6 GW, zatiaľ čo v Číne to bolo len 0,7 GW v roku 2020, čo naznačuje významný potenciál pre zvýšenie penetrácie BIPV v budúcnosti . Navyše, z pohľadu obchodného modelu si BAPV zachováva viac charakteristík fotovoltaických produktov, pričom projekty vedú najmä spoločnosti vyrábajúce fotovoltaiku. Na druhej strane je BIPV úzko spätý s celkovým stavebným procesom, pričom sa viac spolieha na EPC schopnosti stavebných spoločností, čím prináša nové možnosti rastu do stavebného sektora. Celkovo BAPV a BIPV navzájom dopĺňajú svoje silné a slabé stránky a ponúkajú značné príležitosti na rast ako pre výrobcov fotovoltických zariadení, tak aj pre stavebné firmy v odvetví stavebníctva fotovoltiky.

Porovnanie spôsobov inštalácie: Fotovoltaika pripojená k budove (BAPV) vs. Fotovoltika integrovaná do budovy (BIPV)

Fotovoltické (FV) aplikácie v budovách predstavujú novú hranicu pre výrobu solárnej energie. Táto technológia integruje fotovoltaické systémy s vonkajšími štruktúrami budov, čím zvyšuje energetickú účinnosť a znižuje spotrebu, čo z nej robí kľúčový komponent pri dosahovaní nízkoenergetických pasívnych budov. 

Na základe stupňa integrácie možno budovy FV systémy rozdeliť do dvoch typov:

① Building-Attached Photovoltaic (BAPV): Týka sa to fotovoltických systémov inštalovaných na existujúcich budovách, ktoré využívajú nevyužité priestory na výrobu energie. BAPV sa bežne používa pri modernizácii existujúcich konštrukcií.

② Fotovoltika integrovaná do budovy (BIPV): Zahŕňa fotovoltické systémy, ktoré sú súčasne navrhnuté, skonštruované a inštalované so samotnou budovou, pričom sa hladko integrujú do štruktúry budovy. Systémy BIPV nielen vyrábajú elektrickú energiu, ale prispievajú aj k estetickému vzhľadu budovy.

Porovnanie stavebných metód:

① BAPV: Systémy BAPV zvyčajne používajú špeciálne konzoly na pripevnenie FV modulov k existujúcej konštrukcii budovy. Tieto systémy slúžia predovšetkým na výrobu energie bez ovplyvnenia pôvodnej funkčnosti budovy a sú považované za solárne FV budovy 'inštalačného typu'.

② BIPV: Systémy BIPV zahŕňajú jednorazový stavebný a investičný prístup, pri ktorom sa nosné konštrukcie FV systému, FV moduly a iné elektrické komponenty inštalujú priamo počas fázy výstavby budovy. Systémy BIPV nielen vyrábajú elektrinu, ale aj nahrádzajú konvenčné stavebné materiály, pričom slúžia ako konštrukčný prvok a zároveň spĺňajú funkčné požiadavky budovy.

Doplnkové výhody a nevýhody BAPV a BIPV, pričom BIPV ponúka väčšie ekonomické výhody

Fotovoltaické systémy pripojené k budove (BAPV) a fotovoltaické systémy integrované do budovy (BIPV) majú vzájomne sa dopĺňajúce silné a slabé stránky. BIPV je vo všeobecnosti ekonomickejší. Podľa výpočtov pre projekt strechy továrne s oceľovou konštrukciou od spoločnosti Polaris Solar PV Network s použitím a Strešný systém BIPV môže ušetriť približne 164 RMB na meter štvorcový v nákladoch na materiál. okrem toho Systémy BIPV majú konštrukčnú životnosť viac ako 50 rokov, čo poskytuje významné komplexné ekonomické výhody. Konkrétne porovnanie je nasledovné:

1) Estetika budov

·BIPV: Ako integrovaný fotovoltaický systém je BIPV začlenený do celkového architektonického návrhu, čo vedie k súdržnejšiemu a estetickejšiemu vzhľadu budovy.

·BAPV: Keďže ide o dodatočne namontovaný systém, BAPV sa pridáva po konštrukcii, čo vedie k menej súdržnému vzhľadu.

2) Nosnosť strechy

·BIPV: Strecha v konštrukciách BIPV je priamočiara nosná konštrukcia, s jasným rozložením síl, zaisťujúca vysokú bezpečnosť.

·BAPV: Strecha v systémoch BAPV je vďaka svojej dodatočnej povahe vystavená zložitejším zaťažovacím podmienkam, ktoré pri dlhodobom zaťažení vetrom a deformácii môžu spôsobiť únavové účinky, ktoré by mohli ohroziť bezpečnosť konštrukcie.

3) Hydroizolácia

·BIPV: Používa hydrofóbne sklenené panely v kombinácii s hlavnými vodnými kanálmi, vodotesnými tesneniami a ďalšími prvkami na vytvorenie komplexného systému odvodnenia strechy. Modulárne kombinácie strešnej konštrukcie, lemovania a pásov svetlíkov môžu dosiahnuť vynikajúce hydroizolačné vlastnosti.

·BAPV: Neposkytuje vo svojej podstate hydroizoláciu; spolieha sa na to, že existujúca strecha má dostatočnú hydroizolačnú schopnosť.

4) Stavebná náročnosť

·BIPV: Ako kritický konštrukčný komponent musí BIPV spĺňať vysoké štandardy pre hydroizoláciu, izoláciu a ďalšie kritériá architektonického výkonu, čím je inštalácia náročnejšia.

·BAPV: Zahŕňa jednoduché pridanie PV komponentov na existujúcu strechu, vďaka čomu je inštalácia relatívne jednoduchá.

5) Prevádzka a údržba

·BIPV: Strechy sú navrhnuté s modulárnymi FV panelmi, ale údržba si vyžaduje zabezpečiť, aby funkcie strechy zostali nedotknuté, čo zvyšuje zložitosť prevádzky a údržby.

·BAPV: Údržbu je možné vykonávať priamo na streche s relatívne jednoduchou demontážou a opätovnou montážou, čím sú operácie a údržba menej náročné.

BIPV vs. BAPV: Komplexné porovnanie nákladov

Porovnávacie položky	Systém BIPV	Systém BAPV
Hliníkovo-horčíkovo-mangánové strešné panely	/	Vrátane zvislých uzamykateľných hliníkových-horčík-mangánových strešných panelov a podpier typu T z hliníkovej zliatiny, približne 200/㎡
Príslušenstvo systémových konzol	Vrátane nosných gáfrových pásikov, pásikov z hliníkovej zliatiny, gumených tesniacich pásikov, upevňovacích prvkov atď. približne ￥0,6/W*120W/㎡=￥72	Vrátane svoriek, vodiacich líšt, upevňovacích prvkov atď. približne ￥0,3 /W*120W/㎡ = ￥36
Doska modulu fotovoltického modulu na výrobu energie	Vrátane fotovoltaických panelov a rámov zo zliatiny Ming, približne 120 W/㎡'* ￥ 2,8 /W= ￥336	Vrátane fotovoltaických panelov a rámov zo zliatiny Ming, približne 120 W/㎡* ￥ ​​2,8 /W = ￥336
Komplexné náklady (cena materiálu)	Príslušenstvo systémovej konzoly + doska súčiastok na výrobu fotovoltaickej energie =￥408 /㎡	Hliníkovo-horčíkovo-mangánové strešné panely + príslušenstvo k systémovému držiaku + doska súčiastok na výrobu fotovoltaickej energie = ￥572 /㎡
Jednotková cena (yuan/meter štvorcový)	408	572
Záver	Použitie fotovoltaického integrovaného strešného systému budovy môže ušetriť materiál ￥160 /㎡

Údaje zo siete  Polaris Solar PV Network

BIPV vs. BAPV

Porovnávacie položky	Systém BIPV	Systém BAPV
Vzhľad budovy	Začlenené do celkového dizajnu budovy bez straty krásy	Neskorá inštalácia, slabá integrita
Dizajnový život	Životnosť môže dosiahnuť viac ako 50 rokov	20-25 rokov
Stres strechy	Strecha je jednoduchá strecha s jasným konštrukčným namáhaním a vysokou konštrukčnou bezpečnosťou	Komplexné napätie, dlhodobé zaťaženie vetrom a deformácia môžu spôsobiť únavové účinky, ktoré ovplyvňujú bezpečnosť konštrukcie
Vodotesnosť	Strešný odvodňovací systém je tvorený hydrofóbnymi sklenenými panelmi, hlavnými nádržami na vodu. Vodotesné tesnenia atď. Strešná konštrukcia, lemovanie, svetelné pásy atď. sú modulárne zostavené, aby sa predišlo nebezpečenstvu úniku	Nie je potrebné zabezpečiť hydroizolačnú schopnosť, hydroizolačnú schopnosť musí mať iba existujúca strecha
Stavebná náročnosť	Presnosť inštalácie Hiah, vykonáva hydroizoláciu strechy, tepelnú izoláciu a ďalšie funkcie a má veľké konštrukčné ťažkosti	Výstavba v dvoch fázach, nízka náročnosť inštalácie komponentov
Prevádzka a údržba	Strecha je modulárne navrhnutá a inštalovaná s jedným batériovým modulom ako jednotkou. Pri kontrole a opravách je potrebné zvážiť aj to, či je strecha plne funkčná a či je prevádzka a údržba náročná	Dá sa priamo kontrolovať a opravovať na streche, demontáž a montáž sú relatívne pohodlné a obsluha a údržba jednoduchá

Údaje zo siete Polaris Solar PV Network

Technické systémy: Kryštalický kremík a tenký film ako hlavné komponenty

Fotovoltické (PV) články sú základnými základnými komponentmi systémov na výrobu PV energie. Primárne sú kategorizované na kryštalické kremíkové solárne články a tenkovrstvové solárne články na základe použitých materiálov. Kryštalické kremíkové články dominujú podielu na trhu, zatiaľ čo u tenkovrstvových článkov sa očakáva zvýšená penetrácia v dôsledku rastu aplikácií fotovoltaických budov.

1) Kryštalické kremíkové články:

Kryštalické kremíkové solárne články sa vyvíjali niekoľko desaťročí, čo viedlo k vyspelému technologickému systému s neustále sa zlepšujúcou účinnosťou fotoelektrickej premeny. Priemysel sa tiež rýchlo rozšíril, čím sa výrazne znížili marginálne výrobné náklady. V súčasnom fotovoltaickom priemysle majú kryštalické kremíkové články viac ako 95 % podielu na trhu vďaka výhodám z hľadiska ekonomických nákladov, ktoré prinášajú úspory z rozsahu, a ich vysokej účinnosti konverzie. Medzi nimi monokryštalické kremíkové články sa vyznačujú vysokou účinnosťou fotoelektrickej konverzie a vysokými výrobnými nákladmi, zatiaľ čo polykryštalické kremíkové články majú o niečo nižšiu účinnosť konverzie, ale ich výroba je lacná a netrpia výraznou degradáciou účinnosti. Pred rokom 2017 mali polykryštalické články podiel na trhu až 73 %. Od roku 2017 zavedenie nových výrobných technológií výrazne znížilo výrobné náklady monokryštalického kremíka a zvýšená penetrácia technológie PERC podstatne zlepšila účinnosť konverzie monokryštalického kremíka, ktorý v súčasnosti predstavuje približne 90 % trhu s kryštalickými kremíkovými článkami.

2) Tenkovrstvové bunky:

Tenkovrstvové články ešte nedosiahli veľký trhový rozsah kvôli ich relatívne nižšej účinnosti fotoelektrickej konverzie. Vykazujú však silný výkon pri slabom osvetlení, vďaka čomu sú výrazne účinnejšie ako moduly kryštalického kremíka v niektorých projektoch BAPV/BIPV, ktoré nie sú orientované na juh. Navyše, pretože tenkovrstvové články majú lepší teplotný koeficient, dokážu si zachovať výkon v extrémnych podmienkach s vysokou teplotou, čím účinne kompenzujú nedostatky kryštalického kremíka. Kryštalické kremíkové články sú primárne dostupné v sýtomodrých a svetlomodrých farbách, ktoré sú trochu monotónne a nedokážu uspokojiť rôznorodé farebné potreby fotovoltaických budov. Naproti tomu tenkovrstvové články ponúkajú výhodu nastaviteľnej farby, pričom súčasné produkty na trhu pokrývajú takmer všetky bežné farebné schémy. Okrem toho sú tenkovrstvové články relatívne ľahké, čo znižuje náročnosť konštrukcie a výrobné náklady nosných konštrukcií pri použití tenkovrstvových fotovoltických modulov.

Porovnanie kryštalického kremíka a tenkovrstvových článkov v oblasti stavebnej fotovoltaiky

	Kryštalické kremíkové solárne články	Tenkovrstvové solárne články
Výkon na jednotku plochy	Kryštalická kremíková fotovoltaická elektráreň so strešnou plochou 1000 metrov štvorcových má výkon približne 100 kW.	Tenkovrstvová fotovoltaická elektráreň so strešnou plochou 1000 metrov štvorcových má výkon približne 70 kW.
Výkon pri slabom osvetlení	Kryštalické kremíkové solárne články majú relatívne slabý výkon pri slabom osvetlení. Napríklad v južnom čínskom meste dosahujú kryštalické kremíkové fotovoltaické moduly inštalované priamo na juh iba 59 % svojej maximálnej účinnosti za neoptimálnych svetelných podmienok.	Tenkovrstvové solárne články majú silný výkon pri slabom osvetlení a sú menej citlivé na uhly inštalácie. V porovnaní s kryštalickými kremíkovými článkami generujú elektrickú energiu dlhší čas pri slabom osvetlení, vďaka čomu sú vhodnejšie pre inštalácie, ktoré nie sú orientované na juh, závesné steny a projekty BlPV v zamračených alebo studených oblastiach.
Teplotný koeficient	Teplotný koeficient je pomerne vysoký. Keď prevádzková teplota prekročí 25 °C, maximálny výstupný výkon sa zníži o 0,40 – 0,45 % pri každom zvýšení o 1 °C.	Teplotný koeficient je relatívne nízky. Keď prevádzková teplota prekročí 25 ℃, maximálny výstupný výkon sa zníži len o 0,19-0,21% pri každom zvýšení o 1°C.
Farebná rozmanitosť	Farebné možnosti sú najmä v odtieňoch modrej, ako je sýto modrá a svetlomodrá.	Tenkovrstvové moduly je možné vyrobiť v rôznych farbách podľa potreby.
Hmotnosť modulu	Moduly sú pomerne ťažké.	Sú relatívne ľahké, čo znižuje náročnosť a náklady na výstavbu strechy. Okrem toho, keď sa používajú v aplikáciách na steny, tenkovrstvové Py moduly vyžadujú menšiu konštrukčnú podporu a spôsobujú nižšie náklady v porovnaní s modulmi kryštalického kremíka.

Zdroj do roku 2021 Technológia BIPV a trhové fórum kryštalického kremíka, tenkých vrstiev a perovskitu

Celkovo sa kryštalický kremík a tenkovrstvové technologické systémy v oblasti fotovoltaických budov navzájom dopĺňajú. Tenkovrstvová technológia má výraznú výhodu v špecifických projektoch fotovoltaických budov, ako sú strechy, ktoré nie sú orientované na juh, závesné steny a prispôsobené scenáre. Podľa štúdie Fraunhoferovho inštitútu pre solárne energetické systémy v Nemecku z roku 2018 o európskych projektoch BIPV približne 90 % strešných projektov BIPV využíva technológiu kryštalického kremíka, zatiaľ čo približne 56 % fasádnych projektov BIPV využíva technológiu tenkých vrstiev.

Klasifikácia a charakteristika hlavných technických systémov fotovoltických článkov

Technologický systém	Špecifické materiály	Účinnosť fotoelektrickej konverzie	Výhoda	Nevýhoda
Kryštalické kremíkové solárne články	Monokryštalický kremík	16 % – 18 %	Dlhá životnosť (vo všeobecnosti až 20-30 rokov), vysoká účinnosť fotoelektrickej konverzie	Vysoké výrobné náklady, dlhý výrobný čas, slabý výkon pri slabom osvetlení
	Polykryštalický kremík	14 % – 16 %	Vysoká svetelná stabilita, nízke náklady, jednoduchá výroba a žiadny zjavný pokles účinnosti	Slabý výkon výroby energie pri slabom osvetlení
Tenkovrstvové solárne články	Amorfný kremík	6 % – 9 %	Vyspelá technológia, nízky výrobný prah	Obmedzená účinnosť fotoelektrickej konverzie
	Selenid medi indium a gália (ClGS)	11 %	Nízke výrobné náklady, nízke znečistenie, žiadny pokles, dobrý výkon pri slabom osvetlení, vysoká účinnosť fotoelektrickej konverzie	Technológia je vysoko citlivá na elementárne pomery a štruktúra je zložitá, čo si vyžaduje mimoriadne prísne spracovanie a prípravu podmienky
	Telurid kadmia (CdTe)	9 % – 12 %	Nízke výrobné náklady, vysoká účinnosť konverzie, nízkoteplotný koeficient (vynikajúci výkon pri nízkej teplote), dobrý efekt pri slabom osvetlení	Nedostatok surovín a toxicita kadmia si vyžadujú rozsiahly systém recyklácie, čo sťažuje rozsiahle aplikácie

Zdroj Výskumu aplikácie solárnej fotovoltaiky v budovách, Prehľad vývoja priemyslu tenkovrstvových solárnych článkov medi indium a gálium selenid

BAPV (Building-Attached Photovoltaic) je v súčasnosti hlavnou formou budovania fotovoltaiky.

Zo súčasného priemyselného prostredia zostáva BAPV dominantnou formou fotovoltaiky integrovanej do budov. Je to predovšetkým preto, že výstavba nových budov je každý rok obmedzená a štandardy pre BIPV ešte nie sú úplne stanovené. Aj keby bol BIPV prijatý okamžite, stále by trvalo 3 až 5 rokov, kým by sa budovy dostali do štádia obmedzenia, kým sa BIPV bude môcť použiť. Na rozdiel od toho je modernizácia existujúcich striech relatívne jednoduchšia a množstvo existujúcich strešných zdrojov ju robí vhodnejšou pre rýchly rozvoj distribuovanej fotovoltaiky v tejto fáze.

V porovnaní s vyspelými zámorskými trhmi má BIPV významný potenciál pre zvýšenú penetráciu v budúcnosti.

Vo vyspelých krajinách sa s integrovanou fotovoltaikou (BIPV) začalo už skôr, pričom mnohé krajiny zaviedli rôzne motivačné politiky a plány rozvoja už koncom 20. storočia. Napríklad Nemecko, Taliansko, Japonsko a Spojené štáty americké zaviedli „programy solárnych fotovoltických strech“ a stanovili si jasné ciele pre budovanie kapacít fotovoltických zariadení v nasledujúcich rokoch. V roku 2018 malo podľa správy organizácie BIPVBOOST Japonsko s najvyššou kumulatívnou inštaláciou BIPV na celom svete s kapacitou 3 GW, nasledovalo Francúzsko (2,7 GW), Taliansko (2,5 GW) a Spojené štáty americké (0,6 GW). Na rozdiel od toho, čínska kumulatívna inštalácia BIPV bola iba 0,1 GW (približne 0,7 GW do roku 2020).

Pri porovnaní historických inštalačných kapacít rozvinutých regiónov je súčasná celková inštalácia BIPV v Číne ekvivalentná úrovniam, ktoré Japonsko a Európa dosiahli približne pred 5 až 10 rokmi. Táto trajektória naznačuje, že trh v Číne nie je ani zďaleka vyspelý a v budúcnosti existuje značný priestor na zvýšenie penetrácie BIPV.