BIPV проти BAPV: додаткові ролі у фотоелектричних будівлях

Фотоелектричні (PV) конструкції можна розділити на два типи на основі рівня інтеграції фотоелектричних модулів: Прибудовані ПВ (БАПВ) і Інтегрована PV (BIPV) . Хоча BIPV має певні переваги з точки зору вартості та продуктивності, його розробка все ще знаходиться на ранніх стадіях. BAPV, який можна встановлювати безпосередньо на існуючі будівлі, залишається основною формою. Порівняно із закордонними ринками, установки BIPV в Японії, Франції, Італії та Сполучених Штатах досягли 3 ГВт, 2,7 ГВт, 2,5 ГВт і 0,6 ГВт відповідно, тоді як у Китаї це було лише 0,7 ГВт у 2020 році, що вказує на значний потенціал для збільшення проникнення BIPV у майбутньому . Крім того, з точки зору бізнес-моделі, BAPV зберігає більше характеристик фотоелектричної продукції, а проекти в основному ведуть компанії-виробники фотоелектричної енергії. З іншого боку, BIPV тісно пов’язаний із загальним процесом будівництва, більшою мірою покладаючись на можливості будівельних компаній у сфері EPC, що створює нові можливості для зростання будівельного сектора. Загалом, BAPV та BIPV доповнюють сильні та слабкі сторони один одного, пропонуючи значні можливості для зростання як для виробників PV, так і для будівельних компаній у галузі будівництва PV.

Порівняння методів монтажу: фотоелектрична установка, приєднана до будівлі (BAPV) проти фотоелектричної установки, інтегрованої в будівлю (BIPV)

Фотоелектричні (PV) установки в будівлях представляють новий рубіж у виробництві сонячної енергії. Ця технологія інтегрує фотоелектричні системи із зовнішніми конструкціями будівель, підвищуючи енергоефективність і знижуючи споживання, що робить її ключовим компонентом у створенні пасивних будівель з низьким енергоспоживанням. 

За ступенем інтеграції фотоелектричні системи можна розділити на два типи:

① Building-Attached Photovoltaic (BAPV): це відноситься до фотоелектричних систем, встановлених на існуючих будівлях, які використовують невикористані приміщення для виробництва енергії. BAPV зазвичай використовується при модернізації існуючих конструкцій.

② Інтегрована в будівлю фотоелектрична система (BIPV): це передбачає фотоелектричні системи, які одночасно проектуються, будуються та встановлюються разом із самою будівлею, бездоганно інтегруючись у структуру будівлі. Системи BIPV не тільки виробляють електроенергію, але й сприяють естетичного вигляду будівлі.

Порівняння методів будівництва:

① BAPV: зазвичай системи BAPV використовують спеціальні кронштейни для кріплення фотоелектричних модулів до існуючої конструкції будівлі. Ці системи в основному виконують функцію генерації енергії, не впливаючи на початкову функціональність будівлі, і вони вважаються сонячними фотоелектричними будівлями «інсталяційного типу».

② BIPV: системи BIPV включають одноразове будівництво та інвестиційний підхід, коли опорні конструкції фотоелектричної системи, фотоелектричні модулі та інші електричні компоненти встановлюються безпосередньо на етапі будівництва будівлі. Системи BIPV не тільки виробляють електроенергію, але й замінюють звичайні будівельні матеріали, слугуючи як конструктивним компонентом і задовольняючи функціональні вимоги будівлі.

Додаткові переваги та недоліки BAPV і BIPV, причому BIPV пропонує більші економічні вигоди

Фотоелектричні системи, приєднані до будівлі (BAPV) і фотоелектричні системи, вбудовані в будівлі (BIPV), мають сильні та слабкі сторони, що доповнюють один одного. BIPV, як правило, більш економічний. Відповідно до розрахунків проекту даху заводу із сталевих конструкцій Polaris Solar PV Network з використанням a Система даху BIPV може заощадити приблизно 164 юанів на квадратний метр витрат на матеріали. Крім того, Системи BIPV мають проектний термін служби понад 50 років, що забезпечує значні комплексні економічні переваги. Конкретне порівняння виглядає наступним чином:

1) Будівельна естетика

·BIPV: будучи інтегрованою фотоелектричною системою, BIPV включено в загальний архітектурний дизайн, що призводить до більш згуртованого та естетично привабливого зовнішнього вигляду будівлі.

·BAPV: будучи модернізованою системою, BAPV додається після будівництва, що призводить до менш цілісного вигляду.

2) Несучий дах

·BIPV: Покрівля в конструкціях BIPV є простою несучою конструкцією з чітким розподілом сил, що забезпечує високу безпеку.

·BAPV: через свою модернізовану природу дах у системах BAPV зазнає складніших умов навантаження, які за тривалого вітрового навантаження та деформації можуть спричинити ефект втоми, що може поставити під загрозу безпеку конструкції.

3) Гідроізоляція

·BIPV: використовує гідрофобні скляні панелі в поєднанні з основними водяними каналами, водонепроникними ущільнювачами та іншими елементами для створення комплексної дренажної системи даху. Модульні комбінації дахової конструкції, оздоблювальних панелей і смуг світлового вікна можуть досягти чудових гідроізоляційних характеристик.

·BAPV: за своєю суттю не забезпечує гідроізоляції; він покладається на існуючий дах, щоб мати достатню гідроізоляційну здатність.

4) Складність будівництва

·BIPV: як важливий структурний компонент, BIPV має відповідати високим стандартам щодо гідроізоляції, ізоляції та іншим критеріям архітектурних характеристик, що ускладнює встановлення.

·BAPV: передбачає просте додавання фотоелектричних компонентів до існуючого даху, що робить встановлення відносно простим.

5) Експлуатація та технічне обслуговування

·BIPV: дахи сконструйовані з модульних фотоелектричних панелей, але технічне обслуговування вимагає забезпечення збереження функцій покрівлі, що збільшує складність експлуатації та обслуговування.

·BAPV: Технічне обслуговування можна виконувати безпосередньо на даху за допомогою відносно легкого розбирання та повторного складання, що робить операції та обслуговування менш складними.

BIPV проти BAPV: повне порівняння витрат

Елементи порівняння	Система BIPV	Система BAPV
Алюмінієво-магнієво-марганцеві панелі для даху	/	Включаючи вертикальні алюмінієво-магнієво-марганцеві панелі даху та Т-подібні опори з алюмінієвого сплаву, близько 200 ¥/㎡
Аксесуари для системного кронштейна	Включно з камфорними смужками для підсвічування горщика, смужками з алюмінієвого сплаву, гумовими ущільнювальними смужками, кріпленнями тощо приблизно 0,6 ¥/Вт*120 Вт/㎡= 72 ¥	Включаючи затискачі, напрямні, кріплення тощо приблизно 0,3 ￥/Вт*120 Вт/㎡ = 36 ￥
Плата фотоелектричного модуля генерації електроенергії	Включаючи фотоелектричні панелі та рами зі сплаву Мін, близько 120 Вт/㎡'* 2,8 ￥ /Вт = 336 ￥	Включаючи фотоелектричні панелі та рами зі сплаву Ming, приблизно 120 Вт/㎡* ￥ ​​2,8 / Вт = ￥336
Комплексна вартість (ціна матеріалу)	Аксесуари для системного кронштейна + плата фотоелектричного компонента генератора електроенергії = 408 ￥/㎡	Алюмінієво-магнієво-марганцеві дахові панелі + аксесуари для системних кронштейнів + плата фотоелектричного компонента для генерації електроенергії = ￥572 /㎡
Вартість одиниці (юань/квадратний метр)	408	572
Висновок	Використання фотоелектричної інтегрованої дахової системи може заощадити матеріали 160 ¥/㎡

Дані  Polaris Solar PV Network

BIPV проти BAPV

Елементи порівняння	Система BIPV	Система BAPV
Зовнішній вигляд будівлі	Вписується в загальний дизайн будівлі, не втрачаючи краси	Пізня установка, погана цілісність
Життя дизайну	Тривалість життя може досягати більше 50 років	20-25 років
Напруга даху	Покрівля є простою покрівлею з чіткою структурною напругою та високою конструкційною безпекою	Комплексна напруга, тривале вітрове навантаження та деформація можуть спричинити наслідки втоми, впливаючи на безпеку конструкції
Водонепроникність	Дренажна система даху утворена панелями з гідрофобного скла, основними резервуарами для води, водонепроникними ущільнювачами тощо. Конструкція даху, окантовка, світлові смуги тощо складаються модульно, щоб уникнути небезпеки витоку	Немає необхідності забезпечувати гідроізоляційну здатність, лише існуюча покрівля повинна мати гідроізоляційну здатність
Складність будівництва	Hiah точність встановлення, бере на себе гідроізоляцію даху, теплоізоляцію та інші функції, і має великі будівельні труднощі	Будівництво в дві черги, низька складність монтажу компонентів
Експлуатація та технічне обслуговування	Дах має модульну конструкцію та встановлюється з одним модулем батареї як єдине ціле. Під час огляду та ремонту також необхідно враховувати, чи повноцінні функції покрівлі та складність експлуатації та обслуговування	Можна безпосередньо перевіряти та ремонтувати на даху, розбирання та збирання відносно зручні, а експлуатація та обслуговування прості

Дані Polaris Solar PV Network

Технічні системи: кристалічний кремній і тонка плівка як основні компоненти

Фотоелектричні (PV) елементи є основоположними основними компонентами фотоелектричних систем виробництва електроенергії. Залежно від використовуваних матеріалів їх поділяють на кристалічні кремнієві сонячні елементи та тонкоплівкові сонячні елементи. Кристалічні кремнієві елементи домінують на ринку, тоді як очікується, що тонкоплівкові елементи збільшать проникнення через зростання застосування фотоелектричних будівель.

1) Кристалічні кремнієві елементи:

кристалічні кремнієві сонячні елементи розвивалися протягом кількох десятиліть, що призвело до зрілої технологічної системи з постійним підвищенням ефективності фотоелектричного перетворення. Промисловість також швидко розширилася, значно знизивши граничні виробничі витрати. У сучасній фотоелектричній індустрії елементи з кристалічного кремнію займають понад 95% частки ринку завдяки економічній вартості, яку забезпечує економія на масштабі, і їх висока ефективність перетворення. Серед них монокристалічні кремнієві елементи характеризуються високою ефективністю фотоелектричного перетворення та високими витратами на виробництво, тоді як полікристалічні кремнієві елементи мають трохи нижчу ефективність перетворення, але недорогі у виробництві та не страждають від значного погіршення ефективності. До 2017 року полікристалічні клітини займали 73% ринку. З 2017 року впровадження нових технологій виробництва значно знизило витрати на виробництво монокристалічного кремнію, а збільшення проникнення технології PERC значно підвищило ефективність перетворення монокристалічного кремнію, на частку якого зараз припадає приблизно 90% ринку кристалічних кремнієвих елементів.

2) Тонкоплівкові клітини:

Тонкоплівкові елементи ще не досягли великого масштабу ринку через їх відносно нижчу ефективність фотоелектричного перетворення. Однак вони демонструють високу продуктивність при слабкому освітленні, що робить їх значно ефективнішими, ніж кристалічні кремнієві модулі в деяких проектах BAPV/BIPV, які не орієнтовані на південь. Крім того, оскільки тонкоплівкові елементи мають кращий температурний коефіцієнт, вони можуть зберігати продуктивність в екстремально високих температурах, ефективно компенсуючи недоліки кристалічного кремнію. Кристалічні кремнієві елементи переважно доступні в темно-синьому та світло-блакитному кольорах, які дещо одноманітні та не можуть задовольнити різноманітні кольорові потреби фотоелектричних будівель. На відміну від цього, тонкоплівкові комірки пропонують перевагу регульованого кольору, оскільки поточні ринкові продукти охоплюють майже всі поширені колірні схеми. Крім того, тонкоплівкові осередки є відносно легкими, що зменшує складність конструкції та витрати на виготовлення опорних конструкцій при використанні тонкоплівкових фотоелектричних модулів.

Порівняння кристалічного кремнію та тонкоплівкових комірок у сфері побудови фотовольтаїки

	Сонячні батареї з кристалічного кремнію	Тонкоплівкові сонячні елементи
Потужність на одиницю площі	Фотоелектрична електростанція з кристалічного кремнію площею даху 1000 квадратних метрів має потужність приблизно 100 кВт.	Тонкоплівкова фотоелектрична електростанція з площею даху 1000 квадратних метрів має потужність приблизно 70 кВт.
Ефективність при слабкому освітленні	Сонячні батареї з кристалічного кремнію мають відносно низьку продуктивність при слабкому освітленні. Наприклад, у місті на півдні Китаю фотоелектричні модулі з кристалічного кремнію, встановлені прямо на південь, досягають лише 59% максимальної ефективності за умов неоптимального освітлення.	Тонкоплівкові сонячні батареї мають високу продуктивність при слабкому освітленні та менш чутливі до кутів встановлення. Вони виробляють електроенергію протягом більш тривалого періоду часу в умовах слабкого освітлення порівняно з елементами з кристалічного кремнію, що робить їх більш придатними для установок, що не виходять на південь, навісних стін і проектів BlPV у хмарних або холодних регіонах.
Температурний коефіцієнт	Температурний коефіцієнт відносно високий. Коли робоча температура перевищує 25°C, максимальна вихідна потужність зменшується на 0,40-0,45% на кожен 1°C збільшення.	Температурний коефіцієнт відносно низький. Коли робоча температура перевищує 25 ℃, максимальна вихідна потужність зменшується лише на 0,19-0,21% на кожен 1°C збільшення.
Різноманітність кольорів	Колірні варіанти представлені в основному синіми відтінками, такими як глибокий синій і світло-блакитний.	За потреби тонкоплівкові модулі можуть бути виготовлені в різних кольорах.
Вага модуля	Модулі відносно важкі.	Вони відносно легкі, що зменшує труднощі та витрати на будівництво покрівлі. Крім того, при використанні в навісних стінах тонкоплівкові модулі Py вимагають менше структурної опори та несуть менші витрати порівняно з модулями з кристалічного кремнію.

Джерело до 2021 Кристалічний кремній, тонка плівка та перовскіт Технологія BIPV і ринковий форум

Загалом, кристалічний кремній і тонкоплівкові технологічні системи відіграють додаткову роль у сфері фотоелектричних будівель. Тонкоплівкова технологія має явну перевагу в конкретних проектах фотоелектричних будівель, таких як дахи, що не орієнтовані на південь, навісні стіни та індивідуальні сценарії. Згідно з дослідженням 2018 року Інститутом систем сонячної енергії Фраунгофера в Німеччині щодо європейських проектів BIPV , приблизно 90% проектів BIPV на дахах використовують технологію кристалічного кремнію, тоді як близько 56% проектів BIPV на фасадах використовують технологію тонких плівок.

Класифікація та характеристика основних технічних систем фотоелектричних елементів

Технологічна система	Специфічні матеріали	Ефективність фотоелектричного перетворення	Перевага	Недолік
Сонячні батареї з кристалічного кремнію	Монокристалічний кремній	16% - 18%	Тривалий термін служби (зазвичай до 20-30 років), висока ефективність фотоелектричного перетворення	Висока вартість виробництва, тривалий час виробництва, погана продуктивність за слабкого освітлення
	Полікристалічний кремній	14% - 16%	Висока світлостійкість, низька вартість, просте виробництво та відсутність очевидного зниження ефективності	Погана продуктивність генерації електроенергії за слабкого освітлення
Тонкоплівкові сонячні елементи	Аморфний кремній	6% - 9%	Зріла технологія, низький поріг виробництва	Обмежена ефективність фотоелектричного перетворення
	Селенід міді індію галію (ClGS)	11%	Низькі витрати на виробництво, низьке забруднення, відсутність спаду, хороша продуктивність при слабкому освітленні, висока ефективність фотоелектричного перетворення	Технологія дуже чутлива до співвідношення елементів, а структура є складною, що вимагає надзвичайно суворої обробки та підготовки умови
	Телурид кадмію (CdTe)	9% - 12%	Низька вартість виробництва, висока ефективність перетворення, низькотемпературний коефіцієнт (відмінна продуктивність при низькій температурі), хороший ефект слабкого освітлення	Дефіцит сировини та токсичність кадмію вимагають широкомасштабної системи переробки, що ускладнює масштабне застосування

Джерело: Дослідження застосування сонячної фотоелектричної енергії в будівлях, Огляд розвитку індустрії тонкоплівкових сонячних елементів із селеніду міді, індій-галію

BAPV (Building-Attached Photovoltaic) наразі є основною формою створення фотоелектричних систем.

З огляду на поточний ландшафт галузі, BAPV залишається домінуючою формою інтегрованої в будівлі фотоелектричної системи. Насамперед це пов’язано з тим, що щорічне будівництво нових будинків обмежене, а стандарти для BIPV ще не повністю встановлені. Навіть якби BIPV було прийнято негайно, знадобилося б 3-5 років, поки будівлі досягнуть етапу обмеження, перш ніж BIPV можна буде використовувати. Навпаки, модернізація існуючих дахів відносно легша, а велика кількість існуючих ресурсів для дахів робить його більш придатним для швидкого розвитку розподіленої фотоелектричної системи на цьому етапі.

Порівняно зі зрілими закордонними ринками, BIPV має значний потенціал для збільшення проникнення в майбутньому.

У розвинених країнах інтегрована фотоелектрична система (BIPV) почалася раніше, і багато країн запровадили різноманітну політику стимулювання та плани розвитку ще наприкінці 20 століття. Наприклад, Німеччина, Італія, Японія та Сполучені Штати запровадили 'Програми сонячних фотоелектричних дахів', встановлюючи чіткі цілі щодо створення потужностей для встановлення фотоелектричних установок у найближчі роки. Станом на 2018 рік, згідно зі звітом організації BIPVBOOST, Японія мала найбільшу кумулятивну установку BIPV у світі з потужністю 3 ГВт, за нею йшли Франція (2,7 ГВт), Італія (2,5 ГВт) і Сполучені Штати (0,6 ГВт). Навпаки, загальна потужність BIPV у Китаї становила лише 0,1 ГВт (приблизно 0,7 ГВт до 2020 року).

Порівнюючи історичну потужність інсталяції розвинутих регіонів, поточний загальний обсяг інсталяції BIPV у Китаї еквівалентний рівням, досягнутим Японією та Європою приблизно 5–10 років тому. Ця траєкторія вказує на те, що ринок Китаю ще далекий від зрілості, і є значні можливості для зростання проникнення BIPV у майбутньому.