光伏聲屏障的發展與應用研究

喬 飛，王俊生，姚舒涵，郭 凱，夏鵬鵬

（1.中國電建集團裝備研究院有限公司，上海 200233；2.武漢源海博創科技有限公司，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能發電技術與傳統聲屏障相結合，在聲屏障實現隔聲性能的同時，將太陽能轉換為電能，供給其他用電設施。

2 光伏聲屏障國內外發展研究現狀

2.1 國外發展研究現狀

（1）國外技術研究現狀。①聲屏障頂端及外形結構研究。新加坡國立大學W.Shao等[1]于2001年研究了一種聲屏障，其邊緣頂端采用不規則形狀，結果表明，頂端不規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]對圓形、Y形、T形三種形式頂端的聲屏障進行研究，結果表明，使用Y形和T形頂端結構形式的聲屏障，其插入損失是最大的。②聲屏障吸聲結構研究。2005年，R.S.Ming[3]根據赫姆霍茲共振原理，在聲屏障的表面加入新型共振結構，聲音在小阻尼的邊緣發生聲衍射，研究表明，增加了共振結構的聲屏障，具有良好的吸隔聲效果。2003年，P.Bellucci等[4]對意大利的國有公路進行了光伏聲屏障評估，他們認為光伏聲屏障的實施，可分攤公路部分用電，同時還可以節約土地資源。如果選擇合適的太陽輻射條件、交通流量及氣象條件，光伏聲屏障將有很大的市場發展空間。2012年，Schepper E D等[5]對光伏板與聲屏障結合進行了可行性研究。

（2）國外應用發展現狀。①歐洲光伏聲屏障發展現狀。1989年，瑞士首次將光伏組件應用到高速公路聲屏障中，成為世界首個光伏聲屏障應用案例（見表1）。后來，該解決方案也被應用于其他一些歐洲國家。②美國光伏聲屏障發展現狀。盡管美國尚未在國內修建公路PVNB，但至少有兩個州的交通部門目前正與合作伙伴在美國尋求PVNB試點。考慮到美國存在大量聲屏障，其聲屏障上的太陽能潛力可達到每年至少400GWh，相當于37000個家庭的年用電量，甚至更高。美國麻州政府交通廳于2015年與KO-Solar及其合作伙伴在馬薩諸塞州列克星敦的95號州際公路上試點一個PVNB項目。預計光伏聲屏障每年將產生約650000kWh，相當于每年為120戶家庭供電。

2.2 國內發展研究現狀

（1）國內技術研究現狀。我國聲屏障的發展起步較晚。1992年，貴州省的貴黃高速公路安裝了百米聲屏障進行試驗，成為國內首條道路聲屏障。2006年，朱曉天等[6]采用有限元方法對4種不同頂端形式聲屏障的衍射聲場進行了分析。結果表明：平板型聲屏障在加裝頂端結構后，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]對一種頂端帶吸聲柱體結構形式的聲屏障進行了研究，研究結果表明：在聲屏障頂端加裝吸聲圓柱體時，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，國內的研究成果較少。

表1 瑞士沿A13高速公路旁100kW光伏聲屏障系統性能參數

（2）國內應用發展現狀。2015年8月，蘇州西環高架主線勞動路段1公里的雙面光伏太陽能聲屏障試驗段增設工程完工，標志著中國首個光伏聲屏障得到成功應用（見圖1）。該光伏聲屏障項目自建成運行以來，其系統每月發電量穩定在8000°左右。以每度電需消耗0.4kg煤炭計算，該項目每年可節約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題

（1）光伏聲屏障的聲學設計。光伏聲屏障首先要具備應有的聲學性能（見表2）。由于光伏電池板表面必須光滑且無任何覆蓋，常用的聲學措施無法應用，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，達不到有效隔離噪聲的效果。（2）光伏聲屏障的發電效率。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，這些都會影響太陽能電池的發電量。此外，光伏聲屏障大都需要垂直安裝，且僅有外側能夠接收光照，導致發電量進一步減少。（3)光伏聲屏障電能損耗。一般光伏聲屏障較長，高速公路光伏聲屏障距離居民用電區很遠，因此，光伏組件上的連接線會比較長，造成電能損耗，若電能損耗較大，光伏聲屏障的應用價值會降低，如何解決光伏聲屏障電能損耗問題也是需要解決的問題之一。（4）光伏聲屏障維護保養問題。光伏聲屏障在使用過程中，不可避免地會存在不同程度的損壞或者破壞，由于其遠離市區，維護保養很難及時到位。若光伏組件得不到及時保養，表面灰塵較多，會導致發電效率降低；同時，損壞的光伏組件如果得不到及時的維修與更換，會導致整個光伏系統的發電量降低。

表2 國外發達國家對聲屏障聲學性能指標

4 光伏聲屏障改進措施

（1）光伏聲屏障吸聲性能改進。由于光伏組件一般結構形式為鋼化玻璃+太陽能電池+鋼化玻璃，因此沒有吸聲效果。為達到吸聲目的，可根據共振吸聲的原理，在靠近道路一側，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）應用雙面發電光伏組件。常規光伏發電組件一般是單面發電，若將單面發電光伏組件應用到聲屏障上，發電效率會很低，特別一些南北走向的路段，會造成光伏組件只有一部分時間能接受光照，因此需采用雙面發電的光伏組件，從而提高發電效率。（3）其他措施。對于光伏聲屏障系統中的連接線，在成本可接受范圍內，盡量采用超導材料，以降低電能損耗，提高發電效率。光伏聲屏障采用標準模塊化產品，一方面便于工業流水線化生產，另一方面便于后續維修保養。

5 結束語

在聲屏障行業，根據《2015—2020年中國隔聲屏障行業發展策略及投資建議報告》統計結果，2014我國聲屏障產品市場規模約為59億元，且每年的產業規模增長率基本為5%左右，即在2020年左右我國聲屏障產品的市場規模將達到80億元。在光伏發電行業，隨著2006年《中華人民共和國可再生能源法》正式實施，太陽能并網發電有法可依，且政府必須高價收購太陽能電力，極大促進了光伏發電的發展。因此，若推廣采用高效光伏聲屏障，不僅可以實現中低頻段噪聲的有效隔離，還可以實現并網發電創造效益，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%，同時光伏聲屏障輸出的“綠電”還可以相應減小標準煤的消耗，并減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放，間接產生巨大的環保效益。