BIPV proti BAPV: komplementarne vloge v fotovoltaičnih zgradbah

Fotovoltaične (PV) konstrukcije lahko razdelimo na dve vrsti glede na stopnjo integracije PV modulov: PV na stavbi (BAPV) in PV, vgrajen v zgradbo (BIPV) . Čeprav ima BIPV določene prednosti v smislu stroškov in učinkovitosti, je njegov razvoj še v zgodnjih fazah. BAPV, ki se lahko neposredno namesti na obstoječe stavbe, ostaja glavna oblika. V primerjavi s čezmorskimi trgi so naprave BIPV na Japonskem, v Franciji, Italiji in Združenih državah Amerike dosegle 3 GW, 2,7 GW, 2,5 GW oziroma 0,6 GW, medtem ko je na Kitajskem leta 2020 le 0,7 GW, kar kaže na velik potencial za povečan prodor BIPV v prihodnosti . Poleg tega z vidika poslovnega modela BAPV ohranja več značilnosti fotonapetostnih izdelkov, pri čemer projekte v glavnem vodijo podjetja za proizvodnjo fotonapetostnikov. Po drugi strani pa je BIPV tesno povezan s celotnim procesom gradnje, saj se bolj zanaša na zmogljivosti EPC gradbenih podjetij, s čimer prinaša nove priložnosti za rast gradbenemu sektorju. Na splošno BAPV in BIPV dopolnjujeta prednosti in slabosti drug drugega ter ponujata precejšnje priložnosti za rast tako proizvajalcem PV kot gradbenim podjetjem v industriji PV gradnje.

Primerjava metod namestitve: fotovoltaika, pritrjena na zgradbo (BAPV) v primerjavi s fotovoltaiko, integrirano v zgradbo (BIPV)

Fotovoltaične (PV) aplikacije v stavbah predstavljajo novo mejo za proizvodnjo sončne energije. Ta tehnologija integrira fotonapetostne sisteme z zunanjimi strukturami stavb, s čimer poveča energetsko učinkovitost in zmanjša porabo, zaradi česar je ključna komponenta pri doseganju nizkoenergijskih pasivnih zgradb. 

Glede na stopnjo integracije lahko gradbene PV sisteme razvrstimo v dve vrsti:

① Fotovoltaika, pritrjena na stavbo (BAPV): To se nanaša na fotonapetostne sisteme, nameščene na obstoječih stavbah, ki za proizvodnjo energije uporabljajo prazne prostore. BAPV se običajno uporablja pri naknadnem opremljanju obstoječih struktur.

② Fotovoltaika, vgrajena v stavbo (BIPV): To vključuje fotonapetostne sisteme, ki so zasnovani, izdelani in nameščeni hkrati s samo zgradbo ter se neopazno integrirajo s strukturo stavbe. BIPV sistemi ne proizvajajo le električne energije, ampak prispevajo tudi k estetskemu videzu zgradbe.

Primerjava gradbenih metod:

① BAPV: Običajno sistemi BAPV uporabljajo posebne nosilce za pritrditev fotonapetostnih modulov na obstoječo zgradbo. Ti sistemi služijo predvsem funkciji pridobivanja energije, ne da bi vplivali na prvotno funkcionalnost stavbe, in se štejejo za solarne fotovoltaične zgradbe 'instalacijskega tipa'.

② BIPV: sistemi BIPV vključujejo pristop enkratne gradnje in naložbe, kjer so podporne strukture fotonapetostnega sistema, fotonapetostni moduli in druge električne komponente neposredno nameščene med fazo gradnje stavbe. Sistemi BIPV ne proizvajajo samo električne energije, ampak tudi nadomeščajo običajne gradbene materiale, saj služijo kot strukturna komponenta in izpolnjujejo funkcionalne zahteve zgradbe.

Komplementarne prednosti in slabosti BAPV in BIPV, pri čemer BIPV ponuja večje gospodarske koristi

Fotonapetostni sistemi, pritrjeni na stavbe (BAPV) in fotonapetostni sistemi, integrirani v stavbe (BIPV), imajo komplementarne prednosti in slabosti. BIPV je na splošno bolj ekonomičen. Glede na izračune za projekt strehe tovarne jeklene konstrukcije, ki ga izvaja Polaris Solar PV Network , z uporabo a Strešni sistem BIPV lahko prihrani približno 164 RMB na kvadratni meter materialnih stroškov. Poleg tega Sistemi BIPV imajo projektirano življenjsko dobo več kot 50 let, kar zagotavlja pomembne celovite ekonomske prednosti. Konkretna primerjava je naslednja:

1) Gradbena estetika

·BIPV: kot integriran fotovoltaični sistem je BIPV vključen v celotno arhitekturno zasnovo, kar ima za posledico bolj koheziven in estetsko prijeten videz stavbe.

·BAPV: Ker gre za naknadno vgrajen sistem, je BAPV dodan po izgradnji, kar vodi do manj kohezivnega videza.

2) Nosilnost strehe

·BIPV: Streha pri BIPV konstrukcijah je enostavna nosilna konstrukcija, z jasno porazdelitvijo sil, ki zagotavlja visoko varnost.

·BAPV: Zaradi svoje naknadno vgrajene narave se streha v sistemih BAPV sooča s kompleksnejšimi pogoji obremenitve, ki lahko pri dolgotrajni obremenitvi vetra in deformacijah povzročijo učinke utrujenosti, ki bi lahko ogrozili konstrukcijsko varnost.

3) Hidroizolacija

·BIPV: uporablja hidrofobne steklene plošče v kombinaciji z glavnimi vodnimi kanali, nepremočljivimi tesnili in drugimi elementi za oblikovanje celovitega strešnega drenažnega sistema. Modularne kombinacije strešne konstrukcije, obrobe in trakov za strešna okna lahko dosežejo vrhunsko hidroizolacijo.

·BAPV: Ne zagotavlja same hidroizolacije; zanaša se na obstoječo streho, da ima ustrezno hidroizolacijo.

4) Težavnost gradnje

·BIPV: kot kritična konstrukcijska komponenta mora BIPV izpolnjevati visoke standarde za hidroizolacijo, izolacijo in druga merila arhitekturne učinkovitosti, zaradi česar je namestitev zahtevnejša.

·BAPV: Vključuje preprosto dodajanje PV komponent na obstoječo streho, zaradi česar je namestitev razmeroma enostavna.

5) Delovanje in vzdrževanje

·BIPV: Strehe so zasnovane z modularnimi fotonapetostnimi paneli, vendar vzdrževanje zahteva zagotovitev, da funkcije strešne kritine ostanejo nedotaknjene, kar poveča kompleksnost delovanja in vzdrževanja.

·BAPV: Vzdrževanje je mogoče izvajati neposredno na strehi z razmeroma enostavnim razstavljanjem in ponovnim sestavljanjem, zaradi česar sta delovanje in vzdrževanje manj zahtevna.

BIPV proti BAPV: Celovita primerjava stroškov

Primerjalni predmeti	Sistem BIPV	Sistem BAPV
Strešne plošče iz aluminija, magnezija in mangana	/	Vključno z navpičnimi aluminijasto-magnezijevo-manganovimi strešnimi ploščami z zaklepnimi robovi in ​​T-podporami iz aluminijeve zlitine, približno 200 ￥/㎡
Dodatki za sistemske nosilce	Vključno s podpornimi trakovi iz kafre, trakovi iz aluminijeve zlitine, gumijastimi tesnilnimi trakovi, pritrdilnimi elementi itd. približno 0,6 ￥/W*120 W/㎡=72 ￥	Vključno s sponkami, vodilnimi tirnicami, pritrditvami itd. približno 0,3 ￥/W*120 W/㎡ = 36 ￥
Plošča enote fotonapetostnega modula za proizvodnjo električne energije	Vključno s fotovoltaičnimi paneli in okvirji iz zlitine Ming, približno 120 W/㎡'* 2,8 ￥ /W= 336 ￥	Vključno s fotovoltaičnimi paneli in okvirji iz zlitine Ming, približno 120 W/㎡* 2,8 ￥ /W = 336 ￥
Celoviti stroški (cena materiala)	Dodatki za sistemski nosilec + plošča enote komponente za proizvodnjo fotovoltaične energije = 408 ￥/㎡	Strešne plošče iz aluminija-magnezija-mangana + dodatki za sistemski nosilec + plošča enote komponente za proizvodnjo fotovoltaične energije = 572 ￥/㎡
Cena na enoto (juan/kvadratni meter)	408	572
Zaključek	Uporaba integriranega strešnega sistema fotonapetostne zgradbe lahko prihrani material 160 ￥/㎡

Podatki  Polaris Solar PV Network

BIPV proti BAPV

Primerjalni predmeti	Sistem BIPV	Sistem BAPV
Videz stavbe	Vključen v celotno zasnovo stavbe, ne da bi pri tem izgubil lepoto	Pozna namestitev, slaba celovitost
Design Life	Življenjska doba lahko doseže več kot 50 let	20-25 let
Strešni stres	Streha je preprosta streha z jasno strukturno obremenitvijo in visoko strukturno varnostjo	Kompleksna obremenitev, dolgotrajna obremenitev vetra in deformacija lahko povzročijo učinke utrujenosti, kar vpliva na konstrukcijsko varnost
Vodoodpornost	Strešno drenažno stemo tvorijo hidrofobne steklene plošče, glavni rezervoarji za vodo, nepremočljiva tesnila itd. Strešna konstrukcija, utripajoči robovi, svetlobni trakovi itd. so modularno sestavljeni, da se prepreči nevarnost puščanja	Ni potrebe po zagotavljanju hidroizolacije, le obstoječa streha mora imeti hidroizolacijo
Težavnost gradnje	Hiah natančnost vgradnje, izvaja hidroizolacijo strehe, toplotno izolacijo in druge funkcije ter ima velike konstrukcijske težave	Gradnja v dveh fazah, nizka težavnost vgradnje komponent
Delovanje in vzdrževanje	Streha je modularno zasnovana in nameščena z enim baterijskim modulom kot enoto. Pri pregledu in popravilu je treba upoštevati tudi, ali je streha popolna, delovanje in vzdrževanje pa oteženo	Lahko se neposredno pregleda in popravi na strehi, razstavljanje in montaža sta razmeroma priročna, upravljanje in vzdrževanje pa enostavno

Podatki Polaris Solar PV Network

Tehnični sistemi: Kristalni silicij in tanek film kot glavna sestavna materiala

Fotovoltaične (PV) celice so temeljne jedrne komponente PV sistemov za proizvodnjo električne energije. Glede na uporabljene materiale so primarno razvrščene v kristalne silicijeve sončne celice in tankoplastne sončne celice. Celice iz kristalnega silicija prevladujejo nad tržnim deležem, medtem ko se pričakuje, da bodo celice s tankim filmom doživele večji prodor zaradi rasti uporabe fotovoltaičnih stavb.

1) Kristalne silicijeve celice:

kristalne silicijeve sončne celice so se razvijale več desetletij, kar je vodilo do zrelega tehnološkega sistema z nenehnim izboljševanjem učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe. Tudi industrija se je hitro razširila, kar je znatno znižalo mejne proizvodne stroške. V trenutni fotonapetostni industriji imajo celice iz kristalnega silicija več kot 95 % tržnega deleža zaradi ekonomskih stroškovnih prednosti, ki jih prinašajo ekonomije obsega, in njihova visoka učinkovitost pretvorbe. Med njimi so monokristalne silicijeve celice značilne po visoki učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe in visokih proizvodnih stroških, medtem ko imajo polikristalne silicijeve celice nekoliko nižjo učinkovitost pretvorbe, vendar so poceni za proizvodnjo in ne trpijo zaradi znatnega poslabšanja učinkovitosti. Pred letom 2017 so imele polikristalne celice kar 73-odstotni tržni delež. Od leta 2017 je uvedba novih proizvodnih tehnologij znatno znižala proizvodne stroške monokristalnega silicija, povečan prodor PERC tehnologije pa je bistveno izboljšal učinkovitost pretvorbe monokristalnega silicija, ki zdaj predstavlja približno 90 % trga kristalnih silicijevih celic.

2) celice s tanko plastjo:

Tankoplastne celice še niso dosegle velikega tržnega obsega zaradi relativno nižje učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe. Vendar pa izkazujejo močno zmogljivost pri šibki svetlobi, zaradi česar so znatno učinkovitejši od modulov kristalnega silicija pri nekaterih projektih BAPV/BIPV, ki niso obrnjeni proti jugu. Poleg tega, ker imajo tankoslojne celice boljši temperaturni koeficient, lahko ohranijo zmogljivost v pogojih ekstremne visoke temperature in tako učinkovito kompenzirajo pomanjkljivosti kristalnega silicija. Celice iz kristalnega silicija so na voljo predvsem v temno modri in svetlo modri barvi, ki sta nekoliko monotoni in ne moreta zadovoljiti raznolikih barvnih potreb fotovoltaičnih zgradb. Nasprotno pa celice s tankim filmom ponujajo prednost nastavljive barve, pri čemer trenutni tržni izdelki pokrivajo skoraj vse običajne barvne sheme. Poleg tega so celice s tankim filmom razmeroma lahke, kar zmanjšuje težave pri gradnji in proizvodne stroške podpornih struktur pri uporabi fotonapetostnih modulov s tankim filmom.

Primerjava kristalnega silicija in tankoplastnih celic na področju izgradnje fotovoltaike

	Sončne celice iz kristalnega silicija	Tankoplastne sončne celice
Moč na enoto površine	Fotovoltaična elektrarna iz kristalnega silicija s strešno površino 1000 kvadratnih metrov ima moč približno 100 kW.	Tankoslojna fotovoltaična elektrarna s strešno površino 1000 kvadratnih metrov ima moč približno 70 kW.
Zmogljivost pri šibki svetlobi	Sončne celice iz kristalnega silicija imajo razmeroma slabo delovanje pri šibki svetlobi. Na primer, v južnem kitajskem mestu fotonapetostni moduli iz kristalnega silicija, nameščeni neposredno proti jugu, dosežejo le 59 % svoje največje učinkovitosti pri neoptimalnih svetlobnih pogojih.	Tankoplastne sončne celice imajo močan učinek pri šibki svetlobi in so manj občutljive na namestitvene kote. Proizvajajo elektriko za daljša obdobja v slabih svetlobnih pogojih v primerjavi s celicami iz kristalnega silicija, zaradi česar so primernejše za instalacije, ki niso obrnjene proti jugu, zavese in projekte BlPV v oblačnih ali hladnih regijah.
Temperaturni koeficient	Temperaturni koeficient je razmeroma visok. Ko delovna temperatura preseže 25 °C, se največja izhodna moč zmanjša za 0,40-0,45 % za vsak dvig za 1 °C.	Temperaturni koeficient je razmeroma nizek. Ko delovna temperatura preseže 25 ℃, se največja izhodna moč zmanjša le za 0,19–0,21 % za vsak dvig za 1 °C.
Barvna raznolikost	Barvne možnosti so predvsem v odtenkih modre, kot sta temno modra in svetlo modra.	Tankoplastne module lahko po potrebi izdelamo v različnih barvah.
Teža modula	Moduli so relativno težki.	So relativno lahki, kar zmanjšuje težave pri gradnji strešnih kritin in stroške. Poleg tega, ko se uporabljajo v aplikacijah za zavese, moduli iz tankega filma Py zahtevajo manj strukturne podpore in povzročijo nižje stroške v primerjavi z moduli iz kristalnega silicija.

Vir do leta 2021 Kristalni silicij, tankoplastni in perovskitni BIPV tehnologija in tržni forum

Na splošno imajo kristalni silicij in tankoplastni tehnološki sistemi komplementarni vlogi na področju fotovoltaičnih zgradb. Tehnologija tankega filma ima izrazito prednost pri specifičnih fotovoltaičnih gradbenih projektih, kot so strehe, ki niso obrnjene proti jugu, zavese in scenariji po meri. Glede na študijo Fraunhoferjevega inštituta za sisteme sončne energije v Nemčiji o evropskih projektih BIPV iz leta 2018 približno 90 % projektov BIPV streh uporablja tehnologijo kristalnega silicija, medtem ko približno 56 % projektov BIPV fasad uporablja tehnologijo tankega filma.

Razvrstitev in značilnosti glavnih tehničnih sistemov fotovoltaičnih celic

Tehnološki sistem	Posebni materiali	Učinkovitost fotoelektrične pretvorbe	Prednost	Slabost
Kristalne silicijeve sončne celice	Monokristalni silicij	16 % - 18 %	Dolga življenjska doba (običajno do 20-30 let), visoka učinkovitost fotoelektrične pretvorbe	Visoki proizvodni stroški, dolg proizvodni čas, slaba učinkovitost pri šibki svetlobi
	Polikristalni silicij	14 % - 16 %	Visoka svetlobna stabilnost, nizki stroški, enostavna proizvodnja in brez očitnega zmanjšanja učinkovitosti	Slaba zmogljivost proizvodnje električne energije pri šibki svetlobi
Tankoplastne sončne celice	Amorfni silicij	6% - 9%	Zrela tehnologija, nizek proizvodni prag	Omejena učinkovitost fotoelektrične pretvorbe
	Bakrov indij galijev selenid (ClGS)	11 %	Nizki proizvodni stroški, nizko onesnaževanje, brez upada, dobra zmogljivost pri šibki svetlobi, visoka učinkovitost fotoelektrične pretvorbe	Tehnologija je zelo občutljiva na elementarna razmerja, struktura pa je zapletena in zahteva izjemno strogo obdelavo in pripravo pogojev
	Kadmijev telurid (CdTe)	9% - 12%	Nizki proizvodni stroški, visoka učinkovitost pretvorbe, nizkotemperaturni koeficient (odlična zmogljivost pri nizki temperaturi), dober učinek pri šibki svetlobi	Pomanjkanje surovin in toksičnost kadmija zahtevata obsežen sistem recikliranja, kar otežuje uporabo v velikem obsegu.

Vir: Raziskave o uporabi sončne fotovoltaike v stavbah, Pregled razvoja industrije tankoplastnih sončnih celic bakrovega indija galijevega selenida

BAPV (Building-Attached Photovoltaic) je trenutno glavna oblika gradnje fotovoltaike.

Glede na trenutno industrijo ostaja BAPV prevladujoča oblika fotovoltaike, integrirane v stavbe. Predvsem zato, ker je gradnja novogradenj vsako leto omejena, standardi za BIPV pa še niso povsem vzpostavljeni. Tudi če bi BIPV sprejeli takoj, bi še vedno trajalo 3-5 let, preden bi stavbe dosegle stopnjo omejitve, preden bi lahko BIPV uporabili. Nasprotno pa je naknadno opremljanje obstoječih streh razmeroma lažje, zaradi obilice obstoječih virov za strehe pa je na tej stopnji primernejše za hiter razvoj porazdeljene fotovoltaike.

V primerjavi z zrelimi čezmorskimi trgi ima BIPV velik potencial za večji prodor v prihodnosti.

V razvitih državah se je vgrajena fotovoltaika (BIPV) začela že prej, pri čemer so številne države izvajale različne spodbujevalne politike in razvojne načrte že v poznem 20. stoletju. Nemčija, Italija, Japonska in Združene države so na primer vzpostavile 'programe sončne fotonapetostne strehe', s čimer so postavile jasne cilje za izgradnjo zmogljivosti fotonapetostnih instalacij v prihodnjih letih. Po poročilu organizacije BIPVBOOST je leta 2018 imela Japonska najvišjo kumulativno napravo BIPV na svetu z zmogljivostjo 3 GW, sledijo ji Francija (2,7 GW), Italija (2,5 GW) in Združene države (0,6 GW). V nasprotju s tem je bila kumulativna postavitev BIPV na Kitajskem le 0,1 GW (približno 0,7 GW do leta 2020).

Če primerjamo pretekle zmogljivosti namestitve razvitih regij, je trenutna skupna namestitev BIPV na Kitajskem enakovredna ravni, ki sta jo Japonska in Evropa dosegli pred približno 5 do 10 leti. Ta usmeritev kaže, da trg na Kitajskem še zdaleč ni zrel in da obstaja veliko prostora za povečanje prodora BIPV v prihodnosti.