光伏聲屏障的發(fā)展與應(yīng)用研究

喬 飛，王俊生，姚舒涵，郭 凱，夏鵬鵬

（1.中國(guó)電建集團(tuán)裝備研究院有限公司，上海 200233；2.武漢源海博創(chuàng)科技有限公司，湖北 武漢 430000）

1 背景

聲屏障是控制城市公路及軌道交通噪聲的常見措施，光伏聲屏障是將太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)聲屏障相結(jié)合，在聲屏障實(shí)現(xiàn)隔聲性能的同時(shí)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，供給其他用電設(shè)施。

2 光伏聲屏障國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展研究現(xiàn)狀

（1）國(guó)外技術(shù)研究現(xiàn)狀。①聲屏障頂端及外形結(jié)構(gòu)研究。新加坡國(guó)立大學(xué)W.Shao等[1]于2001年研究了一種聲屏障，其邊緣頂端采用不規(guī)則形狀，結(jié)果表明，頂端不規(guī)則程度越高的聲屏障，其降噪效果在高頻段越明顯；T.Ishizuka等[2]對(duì)圓形、Y形、T形三種形式頂端的聲屏障進(jìn)行研究，結(jié)果表明，使用Y形和T形頂端結(jié)構(gòu)形式的聲屏障，其插入損失是最大的。②聲屏障吸聲結(jié)構(gòu)研究。2005年，R.S.Ming[3]根據(jù)赫姆霍茲共振原理，在聲屏障的表面加入新型共振結(jié)構(gòu)，聲音在小阻尼的邊緣發(fā)生聲衍射，研究表明，增加了共振結(jié)構(gòu)的聲屏障，具有良好的吸隔聲效果。2003年，P.Bellucci等[4]對(duì)意大利的國(guó)有公路進(jìn)行了光伏聲屏障評(píng)估，他們認(rèn)為光伏聲屏障的實(shí)施，可分?jǐn)偣凡糠钟秒姡瑫r(shí)還可以節(jié)約土地資源。如果選擇合適的太陽(yáng)輻射條件、交通流量及氣象條件，光伏聲屏障將有很大的市場(chǎng)發(fā)展空間。2012年，Schepper E D等[5]對(duì)光伏板與聲屏障結(jié)合進(jìn)行了可行性研究。

（2）國(guó)外應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀。①歐洲光伏聲屏障發(fā)展現(xiàn)狀。1989年，瑞士首次將光伏組件應(yīng)用到高速公路聲屏障中，成為世界首個(gè)光伏聲屏障應(yīng)用案例（見表1）。后來(lái)，該解決方案也被應(yīng)用于其他一些歐洲國(guó)家。②美國(guó)光伏聲屏障發(fā)展現(xiàn)狀。盡管美國(guó)尚未在國(guó)內(nèi)修建公路PVNB，但至少有兩個(gè)州的交通部門目前正與合作伙伴在美國(guó)尋求PVNB試點(diǎn)?？紤]到美國(guó)存在大量聲屏障，其聲屏障上的太陽(yáng)能潛力可達(dá)到每年至少400GWh，相當(dāng)于37000個(gè)家庭的年用電量，甚至更高。美國(guó)麻州政府交通廳于2015年與KO-Solar及其合作伙伴在馬薩諸塞州列克星敦的95號(hào)州際公路上試點(diǎn)一個(gè)PVNB項(xiàng)目。預(yù)計(jì)光伏聲屏障每年將產(chǎn)生約650000kWh，相當(dāng)于每年為120戶家庭供電。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展研究現(xiàn)狀

（1）國(guó)內(nèi)技術(shù)研究現(xiàn)狀。我國(guó)聲屏障的發(fā)展起步較晚。1992年，貴州省的貴黃高速公路安裝了百米聲屏障進(jìn)行試驗(yàn)，成為國(guó)內(nèi)首條道路聲屏障。2006年，朱曉天等[6]采用有限元方法對(duì)4種不同頂端形式聲屏障的衍射聲場(chǎng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：平板型聲屏障在加裝頂端結(jié)構(gòu)后，其插入損失可以增加3～6dB（A）。弧形及橄欖型頂端形式的聲屏障，插入損失較大。2006年，吳洪祥[7]對(duì)一種頂端帶吸聲柱體結(jié)構(gòu)形式的聲屏障進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：在聲屏障頂端加裝吸聲圓柱體時(shí)，吸聲柱體的直徑在大于0.3m的情況下，才能提高聲屏障的插入損失，其插入損失可提高2～5dB。而在光伏聲屏障方面，國(guó)內(nèi)的研究成果較少。

表1 瑞士沿A13高速公路旁100kW光伏聲屏障系統(tǒng)性能參數(shù)

（2）國(guó)內(nèi)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀。2015年8月，蘇州西環(huán)高架主線勞動(dòng)路段1公里的雙面光伏太陽(yáng)能聲屏障試驗(yàn)段增設(shè)工程完工，標(biāo)志著中國(guó)首個(gè)光伏聲屏障得到成功應(yīng)用（見圖1）。該光伏聲屏障項(xiàng)目自建成運(yùn)行以來(lái)，其系統(tǒng)每月發(fā)電量穩(wěn)定在8000°左右。以每度電需消耗0.4kg煤炭計(jì)算，該項(xiàng)目每年可節(jié)約40t煤炭，減少100t二氧化碳排放、27t粉塵排放、3t二氧化硫排放及1.5t氮氧化合物排放。

圖1 蘇州光伏聲屏障

3 光伏聲屏障存在的問(wèn)題

（1）光伏聲屏障的聲學(xué)設(shè)計(jì)。光伏聲屏障首先要具備應(yīng)有的聲學(xué)性能（見表2）。由于光伏電池板表面必須光滑且無(wú)任何覆蓋，常用的聲學(xué)措施無(wú)法應(yīng)用，直接采用光伏電池板作為聲屏障屏體，吸聲效果很差，容易引起噪聲反射，達(dá)不到有效隔離噪聲的效果。（2）光伏聲屏障的發(fā)電效率。道路兩旁安裝的聲屏障方向多變，并且要受到道路寬度的限制，不可能按照最佳傾角和朝向安裝，這些都會(huì)影響太陽(yáng)能電池的發(fā)電量。此外，光伏聲屏障大都需要垂直安裝，且僅有外側(cè)能夠接收光照，導(dǎo)致發(fā)電量進(jìn)一步減少。（3)光伏聲屏障電能損耗。一般光伏聲屏障較長(zhǎng)，高速公路光伏聲屏障距離居民用電區(qū)很遠(yuǎn)，因此，光伏組件上的連接線會(huì)比較長(zhǎng)，造成電能損耗，若電能損耗較大，光伏聲屏障的應(yīng)用價(jià)值會(huì)降低，如何解決光伏聲屏障電能損耗問(wèn)題也是需要解決的問(wèn)題之一。（4）光伏聲屏障維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題。光伏聲屏障在使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)存在不同程度的損壞或者破壞，由于其遠(yuǎn)離市區(qū)，維護(hù)保養(yǎng)很難及時(shí)到位。若光伏組件得不到及時(shí)保養(yǎng)，表面灰塵較多，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電效率降低；同時(shí)，損壞的光伏組件如果得不到及時(shí)的維修與更換，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量降低。

表2 國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)聲屏障聲學(xué)性能指標(biāo)

4 光伏聲屏障改進(jìn)措施

（1）光伏聲屏障吸聲性能改進(jìn)。由于光伏組件一般結(jié)構(gòu)形式為鋼化玻璃+太陽(yáng)能電池+鋼化玻璃，因此沒(méi)有吸聲效果。為達(dá)到吸聲目的，可根據(jù)共振吸聲的原理，在靠近道路一側(cè)，增加微穿孔板，并與各光伏組件之間留有一定距離，形成吸聲共振腔，從而提高光伏聲屏障吸聲性能。（2）應(yīng)用雙面發(fā)電光伏組件。常規(guī)光伏發(fā)電組件一般是單面發(fā)電，若將單面發(fā)電光伏組件應(yīng)用到聲屏障上，發(fā)電效率會(huì)很低，特別一些南北走向的路段，會(huì)造成光伏組件只有一部分時(shí)間能接受光照，因此需采用雙面發(fā)電的光伏組件，從而提高發(fā)電效率。（3）其他措施。對(duì)于光伏聲屏障系統(tǒng)中的連接線，在成本可接受范圍內(nèi)，盡量采用超導(dǎo)材料，以降低電能損耗，提高發(fā)電效率。光伏聲屏障采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化產(chǎn)品，一方面便于工業(yè)流水線化生產(chǎn)，另一方面便于后續(xù)維修保養(yǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在聲屏障行業(yè)，根據(jù)《2015—2020年中國(guó)隔聲屏障行業(yè)發(fā)展策略及投資建議報(bào)告》統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2014我國(guó)聲屏障產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模約為59億元，且每年的產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長(zhǎng)率基本為5%左右，即在2020年左右我國(guó)聲屏障產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到80億元。在光伏發(fā)電行業(yè)，隨著2006年《中華人民共和國(guó)可再生能源法》正式實(shí)施，太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電有法可依，且政府必須高價(jià)收購(gòu)太陽(yáng)能電力，極大促進(jìn)了光伏發(fā)電的發(fā)展。因此，若推廣采用高效光伏聲屏障，不僅可以實(shí)現(xiàn)中低頻段噪聲的有效隔離，還可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電創(chuàng)造效益，綜合考慮建造投入成本和收益，在直接受益方面，其年收益率不低于10%，同時(shí)光伏聲屏障輸出的“綠電”還可以相應(yīng)減小標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗，并減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放，間接產(chǎn)生巨大的環(huán)保效益。