BIPV vs. BAPV: Kompletterande roller i solcellsbyggnader

Fotovoltaisk (PV) konstruktion kan delas in i två typer baserat på integrationsnivån för PV-moduler: Byggnadsmonterad PV (BAPV) och Byggnadsintegrerad PV (BIPV) . Även om BIPV har vissa fördelar när det gäller kostnad och prestanda, är dess utveckling fortfarande i ett tidigt skede. BAPV, som kan installeras direkt på befintliga byggnader, förblir den vanliga formen. I jämförelse med utländska marknader har BIPV-installationer i Japan, Frankrike, Italien och USA nått 3GW, 2,7GW, 2,5GW respektive 0,6GW, medan det i Kina endast var 0,7GW 2020, vilket indikerar betydande potential för ökad BIPV-penetration i framtiden . Dessutom, ur ett affärsmodellperspektiv, behåller BAPV fler egenskaper hos PV-produkter, med projekt som främst leds av PV-tillverkande företag. Å andra sidan är BIPV nära kopplat till den övergripande byggprocessen, och förlitar sig mer på byggföretagens EPC-kapacitet, vilket ger nya tillväxtmöjligheter till byggsektorn. Sammantaget kompletterar BAPV och BIPV varandras styrkor och svagheter, och erbjuder betydande tillväxtmöjligheter för både PV-tillverkare och byggföretag inom PV-byggbranschen.

Jämförelse av installationsmetoder: Building-Attached Photovoltaic (BAPV) kontra Building-Attached Photovoltaic (BIPV)

Fotovoltaiska (PV) applikationer i byggnader utgör en ny gräns för solenergigenerering. Denna teknik integrerar PV-system med byggnaders yttre strukturer, förbättrar energieffektiviteten och minskar förbrukningen, vilket gör den till en avgörande komponent för att uppnå lågenergihus passiva byggnader. 

Baserat på graden av integration kan byggnads PV-system kategoriseras i två typer:

① Building-Attached Photovoltaic (BAPV): Detta hänvisar till PV-system installerade på befintliga byggnader, som använder lediga utrymmen för energigenerering. BAPV används ofta vid eftermontering av befintliga strukturer.

② Building-Integrated Photovoltaic (BIPV): Detta involverar PV-system som samtidigt designas, konstrueras och installeras med själva byggnaden, och integreras sömlöst med byggnadens struktur. BIPV-system genererar inte bara el utan bidrar också till byggnadens estetiska utseende.

Jämförelse av konstruktionsmetoder:

① BAPV: Vanligtvis använder BAPV-system speciella fästen för att fästa PV-moduler till den befintliga byggnadsstrukturen. Dessa system tjänar i första hand energigenerering utan att påverka byggnadens ursprungliga funktionalitet, och de anses vara solcellsbyggnader av 'installationstyp'.

② BIPV: BIPV-system involverar en engångskonstruktion och investeringsstrategi, där stödstrukturer för PV-system, PV-moduler och andra elektriska komponenter installeras direkt under byggnadens konstruktionsfas. BIPV-system genererar inte bara elektricitet utan ersätter också konventionella byggmaterial, som fungerar både som en strukturell komponent och uppfyller byggnadens funktionskrav.

Kompletterande fördelar och nackdelar med BAPV och BIPV, med BIPV som erbjuder större ekonomiska fördelar

Building-Attached Photovoltaic (BAPV) och Building-Integrated Photovoltaic (BIPV) system har kompletterande styrkor och svagheter. BIPV är generellt sett mer ekonomiskt. Enligt beräkningar för ett takprojekt av stålkonstruktion av Polaris Solar PV Network , med användning av en BIPV taksystem kan spara cirka 164 RMB per kvadratmeter i materialkostnader. Dessutom, BIPV-system har en designlivslängd på över 50 år, vilket ger betydande omfattande ekonomiska fördelar. En specifik jämförelse är följande:

1) Byggnadsestetik

·BIPV: Som ett integrerat solcellssystem ingår BIPV i den övergripande arkitektoniska designen, vilket resulterar i ett mer sammanhängande och estetiskt tilltalande byggnadsutseende.

·BAPV: Eftersom BAPV är ett eftermonterat system, läggs det till efter konstruktion, vilket leder till ett mindre sammanhängande utseende.

2) Takbärande

·BIPV: Taket i BIPV-konstruktioner är en enkel bärande struktur, med tydlig kraftfördelning, vilket säkerställer hög säkerhet.

·BAPV: På grund av dess eftermonterade karaktär upplever taket i BAPV-system mer komplexa belastningsförhållanden, som under långvarig vindbelastning och deformation kan orsaka utmattningseffekter som kan äventyra den strukturella säkerheten.

3) Vattentätning

·BIPV: Använder hydrofoba glaspaneler i kombination med huvudvattenkanaler, vattentäta tätningar och andra element för att bilda ett omfattande takdräneringssystem. Modulära kombinationer av takkonstruktion, blinkande och takfönster kan uppnå överlägsen vattentätningsprestanda.

·BAPV: Ger inte i sig vattentätning; det förlitar sig på att det befintliga taket har tillräcklig vattentätningsförmåga.

4) Konstruktionssvårigheter

·BIPV: Som en kritisk strukturell komponent måste BIPV uppfylla höga standarder för vattentätning, isolering och andra arkitektoniska prestandakriterier, vilket gör installationen mer utmanande.

·BAPV: Innebär att helt enkelt lägga till PV-komponenter till ett befintligt tak, vilket gör installationen relativt enkel.

5) Drift och underhåll

·BIPV: Tak är designade med modulära PV-paneler, men underhåll kräver att takfunktionerna förblir intakta, vilket ökar komplexiteten i drift och underhåll.

·BAPV: Underhåll kan utföras direkt på taket med relativt enkel demontering och återmontering, vilket gör drift och underhåll mindre utmanande.

BIPV vs BAPV: Omfattande kostnadsjämförelse

Jämförelse ltems	BIPV-system	BAPV-system
Takpaneler av aluminium-magnesium-mangan	/	Inklusive vertikala takpaneler av aluminium-magnesium-mangan med låskanter och stöd av T-typ av aluminiumlegering, cirka ￥200/㎡
Systemfäste tillbehör	Inklusive stödjande kamferremsor för lätta krukor, remsor av aluminiumlegering, tätningslister av gummi, fästen etc. ca ￥0,6/W*120W/㎡=￥72	Inklusive klämmor, styrskenor, fästen etc. ca ￥0,3 /W*120W/㎡ = ￥36
Photovoltaic Power Generation Module enhetskort	Inklusive solcellspaneler och ramar av Ming-legering, cirka 120W/㎡'* ￥ 2,8 /W= ￥336	Inklusive solcellspaneler och ramar av Ming-legering, cirka 120W/㎡* ￥ ​​2,8 /W = ￥336
Omfattande kostnad (materialpris)	Tillbehör för systemfäste + komponentkort för solenergiproduktion =￥408 /㎡	Takpaneler av aluminium-magnesium-mangan + tillbehör till systemfäste + komponentkort för solenergiproduktion = ￥572 /㎡
Enhetskostnad (yuan/kvadratmeter)	408	572
Slutsats	Användningen av solcellsbyggnadens integrerade taksystem kan spara material ￥160 /㎡

Data från  Polaris Solar PV Network

BIPV vs. BAPV

Jämförelse ltems	BIPV-system	BAPV-system
Byggande utseende	Införlivas i den övergripande designen av byggnaden, utan att förlora skönhet	Sen installation, dålig integritet
Designliv	Livslängden kan nå mer än 50 år	20-25 år
Takspänning	Taket är ett enkelt tak med tydlig konstruktionsspänning och hög konstruktionssäkerhet	Komplex stress, långvarig vindbelastning och deformation kan ge utmattningseffekter, vilket påverkar strukturell säkerhet
Vattentäthet	Takavvattningen svstem bildas av hydrofoba glaspaneler, huvudvattentankar. vattentäta tätningar etc. Takkonstruktionen, blinkande kantlister, ljuslister etc. är modulärt sammansatta för att undvika läckagerisker	Inget behov av att ge tätningsförmåga, bara det befintliga taket behöver ha tätningsförmåga
Konstruktionssvårigheter	Hiah installationsnoggrannhet, åtar sig takvattentätning, värmeisolering och andra funktioner och har stora konstruktionssvårigheter	Konstruktion i två faser, låg svårighetsgrad vid komponentinstallation
Drift och underhåll	Taket är modulärt utformat och installerat med en enda batterimodul som en enhet. Vid inspektion och reparation är det också nödvändigt att överväga om taket fungerar komplett och att drift och underhåll är svårt	Kan inspekteras och repareras direkt på taket, demontering och montering är relativt bekväma och drift och underhåll är enkelt

Data från Polaris Solar PV Network

Tekniska system: Kristallint kisel och tunnfilm som huvudkomponentmaterial

Fotovoltaiska (PV) celler är de grundläggande kärnkomponenterna i PV-kraftgenereringssystem. De kategoriseras främst i kristallina kiselsolceller och tunnfilmssolceller baserat på de material som används. Kristallina kiselceller dominerar marknadsandelen, medan tunnfilmsceller förväntas se ökad penetration på grund av tillväxten av solcellsbyggnadsapplikationer.

1) Kristallina kiselceller:

Kristallina kiselsolceller har utvecklats under flera decennier, vilket leder till ett moget tekniskt system med kontinuerligt förbättrad fotoelektrisk omvandlingseffektivitet. Industrin har också expanderat snabbt, vilket avsevärt sänkt de marginella tillverkningskostnaderna. I den nuvarande PV-industrin håller kristallina kiselceller över 95% av marknadsandelen på grund av de ekonomiska kostnadsfördelarna som stordriftsfördelar och deras höga konverteringseffektivitet ger. Bland dem kännetecknas monokristallina kiselceller av hög fotoelektrisk omvandlingseffektivitet och höga tillverkningskostnader, medan polykristallina kiselceller har något lägre omvandlingseffektivitet men är billiga att producera och inte lider av betydande effektivitetsförsämring. Före 2017 hade polykristallina celler en marknadsandel så hög som 73 %. Sedan 2017 har introduktionen av ny produktionsteknik minskat produktionskostnaderna för monokristallint kisel avsevärt, och den ökade penetrationen av PERC-teknik har avsevärt förbättrat omvandlingseffektiviteten för monokristallint kisel, som nu står för cirka 90 % av marknaden för kristallina kiselceller.

2) Tunnfilmsceller:

Tunnfilmsceller har ännu inte uppnått en stor marknadsskala på grund av deras relativt lägre fotoelektriska omvandlingseffektivitet. Men de uppvisar stark prestanda i svagt ljus, vilket gör dem betydligt effektivare än kristallina kiselmoduler i vissa icke-sydvända BAPV/BIPV-projekt. Dessutom, eftersom tunnfilmsceller har en bättre temperaturkoefficient, kan de bibehålla prestanda under extrema högtemperaturförhållanden, vilket effektivt kompenserar för bristerna hos kristallint kisel. Kristallina kiselceller finns i första hand i djupblå och ljusblå färger, som är något monotona och inte kan möta de olika färgbehoven hos solcellsbyggnader. Däremot erbjuder tunnfilmsceller fördelen med justerbar färg, med nuvarande marknadsprodukter som täcker nästan alla vanliga färgscheman. Dessutom är tunnfilmsceller relativt lätta, vilket minskar konstruktionssvårigheterna och tillverkningskostnaderna för stödstrukturer vid användning av tunnfilms PV-moduler.

Jämförelse av kristallint kisel och tunnfilmsceller inom området för byggnad av solceller

	Kristallint kisel solceller	Tunnfilmssolceller
Effekt per ytenhet	Ett solcellskraftverk av kristallint kisel med en takyta på 1 000 kvadratmeter har en kapacitet på cirka 100 kW.	Ett tunnfilms solcellskraftverk med en takyta på 1 000 kvadratmeter har en kapacitet på cirka 70 kW.
Prestanda i svagt ljus	Kristallina kiselsolceller har relativt dålig prestanda i svagt ljus. Till exempel, i en södra kinesisk stad, uppnår solcellsmoduler av kristallint kisel installerade direkt söderut endast 59 % av sin maximala effektivitet under suboptimala ljusförhållanden.	Tunnfilmssolceller har stark prestanda i svagt ljus och är mindre känsliga för installationsvinklar. De genererar elektricitet under längre perioder i svagt ljus jämfört med kristallina kiselceller, vilket gör dem mer lämpade för icke-södervända installationer, gardinväggar och BlPV-projekt i molniga eller kalla regioner.
Temperaturkoefficient	Temperaturkoefficienten är relativt hög. När driftstemperaturen överstiger 25°c, minskar den maximala uteffekten med 0,40-0,45 % för varje 1°c ökning.	Temperaturkoefficienten är relativt låg. När driftstemperaturen överstiger 25 ℃, minskar den maximala uteffekten med endast 0,19-0,21 % för varje 1°C ökning.
Färgmångfald	Färgalternativen är främst i blå nyanser, som djupblått och ljusblått.	Tunnfilmsmoduler kan tillverkas i olika färger efter behov.
Modulvikt	Modulerna är relativt tunga.	De är relativt lätta, vilket minskar svårigheter och kostnader för takkonstruktion. Dessutom, när de används i gardinväggapplikationer, kräver tunnfilms Py-moduler mindre strukturellt stöd och medför lägre kostnader jämfört med kristallina kiselmoduler.

Källa senast 2021 Kristallint kisel, tunnfilm och perovskit BIPV-teknik och marknadsforum

Sammantaget spelar kristallint kisel och tunnfilmsteknologiska system kompletterande roller inom området för solcellsbyggnader. Tunnfilmsteknik har en tydlig fördel i specifika solcellsbyggnadsprojekt, såsom tak som inte vetter mot söder, gardinväggar och skräddarsydda scenarier. Enligt en studie från 2018 av Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems i Tyskland om europeiska BIPV-projekt använder cirka 90 % av tak BIPV-projekt kristallin kiselteknologi, medan cirka 56 % av fasad BIPV-projekt använder tunnfilmsteknik.

Klassificering och egenskaper för de viktigaste tekniska systemen för solceller

Teknologiskt system	Specifika material	Fotoelektrisk omvandlingseffektivitet	Fördel	Nackdel
Kristallina kiselsolceller	Monokristallint kisel	16 % - 18 %	Lång livslängd (vanligtvis upp till 20-30 år), hög fotoelektrisk omvandlingseffektivitet	Hög produktionskostnad, lång produktionstid, dålig prestanda i svagt ljus
	Polykristallint kisel	14 % - 16 %	Hög ljusstabilitet, låg kostnad, enkel produktion och ingen uppenbar effektivitetsminskning	Dålig effektgenerering i svagt ljus
Tunnfilmssolceller	Amorft kisel	6 % - 9 %	Mogen teknik, låg tillverkningströskel	Begränsad fotoelektrisk omvandlingseffektivitet
	Kopparindiumgalliumselenid (ClGS)	11 %	Låg produktionskostnad, låg förorening, ingen nedgång, bra prestanda i svagt ljus, hög fotoelektrisk konverteringseffektivitet	Tekniken är mycket känslig för elementära förhållanden, och strukturen är komplex och kräver extremt sträng bearbetning och förberedelse villkor
	Kadmiumtellurid (CdTe)	9 % - 12 %	Låg tillverkningskostnad, hög konverteringseffektivitet, lågtemperaturkoefficient (utmärkt prestanda vid låg temperatur), bra lågljuseffekt	Bristen på råvaror och kadmiums toxicitet kräver ett storskaligt återvinningssystem, vilket gör storskaliga tillämpningar svåra.

Källa av forskning om tillämpningen av solcellsenergi i byggnader, översikt över utvecklingen av kopparindiumgalliumselenid tunnfilmssolcellsindustri

BAPV (Building-Attached Photovoltaic) är för närvarande den vanliga formen för att bygga solceller.

Från det nuvarande industrilandskapet förblir BAPV den dominerande formen av byggnadsintegrerade solceller. Detta beror framför allt på att byggandet av nya byggnader begränsas varje år och att standarderna för BIPV ännu inte är helt etablerade. Även om BIPV skulle antas omedelbart, skulle det ändå ta 3-5 år innan byggnaderna når kapningsstadiet innan BIPV kan användas. Däremot är eftermontering av befintliga tak relativt enklare, och överflöd av befintliga takresurser gör det mer lämpligt för den snabba utvecklingen av distribuerade solceller i detta skede.

Jämfört med mogna utländska marknader har BIPV betydande potential för ökad penetration i framtiden.

I utvecklade länder började byggnadsintegrerade solceller (BIPV) tidigare, med många länder som implementerade olika incitamentspolicyer och utvecklingsplaner så tidigt som i slutet av 1900-talet. Till exempel har Tyskland, Italien, Japan och USA alla etablerat 'Solar PV Roof Programs', som sätter tydliga mål för att bygga PV-installationskapacitet under de kommande åren. Från och med 2018, enligt en rapport från BIPVBOOST-organisationen, hade Japan den högsta kumulativa BIPV-installationen globalt, med en kapacitet på 3 GW, följt av Frankrike (2,7 GW), Italien (2,5 GW) och USA (0,6 GW). Däremot var Kinas kumulativa BIPV-installation endast 0,1 GW (ungefär 0,7 GW år 2020).

När man jämför den historiska installationskapaciteten i utvecklade regioner, motsvarar Kinas nuvarande totala BIPV-installation de nivåer som Japan och Europa nådde för cirka 5 till 10 år sedan. Denna bana indikerar att marknaden i Kina är långt ifrån mogen, och det finns ett stort utrymme för BIPV-penetration att öka i framtiden.