建物一体型太陽光発電

建物一体型太陽光発電（BIPV）は、屋根、天窓、ファサードなど、建物の外皮の一部で従来の建築材料を置き換えるために使用される太陽光発電材料です。 ^{[ 1 ]}これらは、主要な電力源または補助的な電力源として、新築建物の建設にますます組み込まれていますが、既存の建物にも同様の技術を後付けすることができます。統合型太陽光発電の一般的な非統合型システムに対する利点は、BIPVモジュールが置き換える建物の部分を建設するために通常使用される建築材料と労働力の費用を削減することで、初期費用を相殺できることです。さらに、BIPVは、建物の美観が重要であり、従来のラックマウント型ソーラーパネルが建物の意図した外観を損なう場合に、太陽光発電のより広範な導入を可能にします。

建物一体型太陽光発電（BAPV ）という用語は、建物の建設完了後に後付けされる太陽光発電を指す場合にも使用されることがあります。建物一体型設置のほとんどは実際にはBAPVです。一部のメーカーや建設業者は、新築BIPVとBAPVを区別しています。^{[ 2 ]}

建物向けの太陽光発電アプリケーションは 1970 年代に登場し始めました。アルミニウムフレームの太陽光発電モジュールは、通常、電力網にアクセスできない遠隔地の建物に接続または取り付けられました。1980 年代には、屋根への太陽光発電モジュールの追加が実証され始めました。これらの PV システムは通常、集中発電所のある地域の電力網に接続された建物に設置されました。1990 年代には、建物の外皮に統合するように特別に設計された BIPV 建築製品が市販されるようになりました。^{[ 3 ]} 1998 年の Patrina Eiffert による博士論文「BIPV の経済的評価」では、いつか再生可能エネルギー証書 (REC) の取引に経済的価値が生まれるだろうと仮説を立てました。^{[ 4 ]} 2011 年の米国国立再生可能エネルギー研究所による BIPV の歴史の簡単な概要と経済的評価では、BIPV の設置コストが太陽光発電パネルと競争力を持つようになるまでには、克服すべき重大な技術的課題があるかもしれないと示唆しています。^{[ 5 ]}しかし、BIPVシステムが広く商業化されることで、2020年の欧州のゼロエネルギービルディング（ZEB）目標の基盤となるというコンセンサスが高まっている。 ^{[ 6 ]}技術的な可能性にもかかわらず、建築業界の保守的な文化や高密度都市設計との統合など、普及に対する社会的障壁も指摘されている。これらの著者らは、長期的な利用を可能にするには、技術開発と同様に効果的な公共政策決定が不可欠であると示唆している。^{[ 7 ]}

スペイン、バルセロナ近郊の太陽光発電壁

PVソーラー駐車場キャノピー、マドリード自治大学、スペイン

BIPV製品の大部分は、結晶シリコン太陽電池（c-SI）または薄膜太陽電池のいずれかの技術を使用しています。c-SI技術は、一般的に薄膜セルよりも効率が高いものの、製造コストが高い単結晶シリコンのウェハで構成されています。^{[ 8 ]}これらの2つの技術の用途は、5つの主要なタイプのBIPV製品に分類できます。^{[ 8 ]}

1. 標準的な屋根埋め込み型システム。これらは一般的に、適切な形状の太陽電池パネルで構成されています。
2. 半透明システム。これらの製品は、温室や寒冷地など、太陽エネルギーを捕捉しつつ建物内に取り込む必要がある用途で一般的に使用されます。
3. 外装システム。これらのシステムには幅広い種類がありますが、共通点は建物の外壁に垂直方向に施工される点です。
4. ソーラータイルとソーラーシングル。これらは、従来の屋根材と簡単に交換できるため、最も一般的なBIPVシステムです。
5. 柔軟性ラミネート材。一般的に薄板状で入手でき、主に屋根材など、さまざまな形状に接着することができます。

フレキシブルラミネートを除き、上記の各カテゴリーはc-SI技術または薄膜技術のいずれかを利用できますが、薄膜技術はフレキシブルラミネートにのみ適用可能です。このため、薄膜BIPV製品は、運動的な側面を持つ高度な設計用途に最適です。

BIPV製品は、5つのカテゴリーに分けられ、傾斜屋根、平屋根、曲面屋根、半透明のファサード、天窓、遮光システム、外壁、カーテンウォールなど、さまざまなシナリオに適用できます。中でも平屋根と傾斜屋根は、太陽エネルギーの捕捉に最も適しています。^{[ 8 ]}屋根および遮光システムのBIPV製品は、住宅用途で最も一般的に使用されていますが、壁および外装システムは、商業施設で最も一般的に使用されています。^{[ 9 ]}全体として、屋根BIPVシステムは現在、ファサードおよび外装BIPVシステムよりも市場シェアが大きく、太陽に対する向きの関係で一般的に効率が高いです。^{[ 9 ]}

建物一体型太陽光発電モジュールには、いくつかの種類があります。

• 平屋根
  • 現在までに最も広く設置されているのは、柔軟なポリマーモジュールに統合された非晶質薄膜太陽電池で、太陽電池モジュールのバックシートと屋根膜の間に接着シートを使用して屋根膜に取り付けられています。銅インジウムガリウムセレン（CIGS）技術は、米国企業によって製造された17%のセル効率を実現しており^{[ 10 ]}、英国企業によるこれらのセルの融合により、TPO単層膜で同等の建物一体型モジュール効率を実現しています^{[ 11 ] 。}
• 傾斜屋根
  • ソーラー屋根瓦は、ソーラーモジュールが組み込まれた（セラミック）屋根瓦です。セラミックソーラー屋根瓦は、2013年にオランダの企業^{[ 12 ]}によって開発され、特許を取得しました。
  • 複数の屋根瓦のような形状のモジュール。
  • ソーラー瓦は、通常の屋根瓦のような外観と機能を持つように設計されたモジュールで、柔軟な薄膜セルを組み込んでいます。
  • 紫外線や水の劣化から断熱材や防水膜を保護することで、通常の屋根の寿命を延ばします。露点が屋根防水膜よりも高い位置に保たれるため、結露がなくなります。^{[ 13 ]}

薄膜ソーラーパネルが立ちはぜ金属屋根に沿って流れる^{[ 14 ]}

• ^{金属製の傾斜屋根（構造用および建築用）は、自立型のフレキシブルモジュールを接着するか[ 15 ]}、CIGSセルを基板に直接熱と真空シールすることによって^{[ 16 ]}、PV機能と統合されるようになっている。

• ファサード
  • ファサードは既存の建物に設置でき、古い建物に全く新しい外観を与えることができます。これらのモジュールは、既存の構造の上に建物のファサードに取り付けられ、建物の魅力と再販価値を高めることができます。^{[ 17 ]}
• ガラス張り
  • 太陽光発電窓は、ガラスや類似素材で一般的に作られる窓や天窓などの建築要素の代替として使用できる、半透明のモジュールです。発電機能に加え、優れた断熱性と日射制御機能により、さらなる省エネルギー効果も期待できます。
• 太陽光発電ステンドグラス：住宅や商業ビルへのエネルギーハーベスティング技術の導入により、最終製品の全体的な美観をより重視する新たな研究分野が開拓されました。高い効率性を維持することが依然として目標ですが、太陽光発電窓の新たな開発では、消費者に最適なガラスの透明度や、さまざまな色から選択できる機会を提供することも目指しています。さまざまな色の「ステンドグラス」型ソーラーパネルは、広範囲のスペクトルから特定の波長範囲を吸収するように最適に設計できます。半透明、ペロブスカイト、色素増感型太陽電池を使用して、着色太陽光発電ガラスの開発に成功しています。
  • ファブリ・ペローエタロン技術を用いて、色光を吸収・反射するプラズモニック太陽電池が作製された。これらのセルは「2枚の平行な反射金属膜と、その間の誘電体キャビティ膜」で構成されている。^{[ 18 ]} 2つの電極はAg製で、その間のキャビティはSb2O3ベースである_。誘電体キャビティの厚さと屈折率を調整することで、最も最適に吸収される波長が変化する。吸収層ガラスの色を、セルの厚さと屈折率が透過するように調整されたスペクトルの特定の部分に合わせることで、セルの色を強めて美観を高めるとともに、光電流損失を最小限に抑えることができる。赤色光デバイスと青色光デバイスでは、それぞれ34.7%と24.6%の透過率が達成された。青色デバイスは吸収された光の13.3%を電力に変換できるため、開発およびテストされたすべての色デバイスの中で最も効率的である。
  • ペロブスカイト太陽電池技術は、金属ナノワイヤの厚さをそれぞれ8、20、45 nmに変更することで、赤、緑、青に調整できます。^{[ 19 ]}ガラスの反射率を、特定のセルが最も最適に透過するように設計された波長に合わせることで、10.12%、8.17%、7.72%の最大電力効率が達成されました。
  • 色素増感太陽電池は、液体電解質を使用して光を捕捉し、それを使用可能なエネルギーに変換します。これは、植物の光合成を促進する天然色素と同様の方法で実現されます。葉の緑色を生成する特定の色素はクロロフィルですが、カロテノイドやアントシアニンなどの自然界に存在する他の色素は、オレンジ色や紫色のさまざまな色素を生成します。^{[ 20 ]} コンセプシオン大学の研究者は、特定の波長の光を出現させ、選択的に吸収する色素増感着色太陽電池の実現可能性を証明しました。^{[ 21 ]} この低コストソリューションは、マキフルーツ、ブラックマートル、ほうれん草から抽出した天然色素を増感剤として使用します。これらの天然増感剤は、2 層の透明ガラスの間に配置されます。これらの特に低コストのセルの効率レベルはまだ不明ですが、有機色素セルの過去の研究では、「9.8% の高い電力変換効率」を達成できました。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

透明太陽電池パネルは、ガラス板の内面に酸化スズコーティングを施してセルから電流を流し出す。セルには光電色素でコーティングされた酸化チタンが含まれている。^{[ 25 ]}

従来の太陽電池のほとんどは、可視光線と赤外線を利用して発電します。一方、この革新的な新型太陽電池は、紫外線も利用します。従来の窓ガラスの代替として使用したり、窓ガラスの上に設置したりすることで、設置面積を大きくすることができ、発電、照明、温度制御といった複数の機能を活用できる可能性を秘めています。

透明太陽電池は「半透明太陽電池」とも呼ばれる（入射光の半分を透過する）。無機太陽電池と同様に、有機太陽電池も半透明にすることができる。

一部の国では、独立型太陽光発電システムの既存の固定価格買取制度に加えて、建物一体型太陽光発電システムに対して追加のインセンティブまたは補助金が提供されています。2006 年 7 月以降、フランスは BIPV に対して最も高いインセンティブを提供しており、これは PV システムに対する 30 ユーロセントに加えて支払われる 0.25 ユーロ/kWh の追加プレミアムに相当します。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}これらのインセンティブは、送電網に供給される電力に対して支払われる料金の形で提供されます。

車両一体型太陽光発電（ViPV）は、車両向けです。^{[ 39 ]}太陽電池は、車の設計に応じて、ボンネット、ルーフ、場合によってはトランクなど、日光にさらされるパネルに埋め込むことができます。^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}

• アグラワル、バサント；ティワリ、GN（2011）。建築一体型太陽光発電熱システム。ケンブリッジ、英国：王立化学会。ISBN 978-1-84973-090-7。
• ウォリック、ジョビー（2015年3月）「脅威を感じた電力会社が、急成長する太陽光発電屋根業界に圧力をかける」ワシントン・ポスト。

• 建築一体型太陽光発電：既存製品の概要とその応用分野
• カナダ太陽光発電建築研究ネットワーク
• 建物一体型太陽光発電
• EURAC研究棟統合型太陽光発電オンラインプラットフォーム
• PV UP-SCALEは、欧州の都市における太陽光発電（PV）の大規模導入に関する、欧州の資金援助を受けたプロジェクト（契約番号EIE/05/171/SI2.420208）です。