高效光伏聲屏障設計研究

王俊生 喬飛 郭凱 夏鵬鵬

摘 要：光伏聲屏障是太陽能發電技術與傳統聲屏障相結合的產物，既能起到聲屏障的降噪效果，又能發揮光伏板功能進行發電。鑒于此，研究設計出一種高效金屬吸隔聲屏體與光伏屏體相結合的高效光伏聲屏障結構形式，計算結果表明，該設計吸隔聲性能比常規聲屏障吸隔聲性能優越，同時采用雙面發電光伏組件，可提高光伏聲屏障發電效率。該研究對于光伏聲屏障的推廣應用具有重大價值。

關鍵詞：光伏聲屏障;吸隔聲性能;發電效率

中圖分類號：TM615? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）08-0046-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.013

0? ? 引言

城市公路及軌道交通系統的大力發展與建設，為社會生活帶來了不言而喻的便利，然而軌道交通帶來的環境問題，特別是噪聲污染問題也引起了越來越多的社會關注。聲屏障是控制城市公路及軌道交通噪聲最經濟有效的措施，光伏聲屏障將太陽能發電技術與傳統聲屏障相結合，在保障聲屏障降噪性能的同時將太陽能轉換為電能，供給其他用電設施[1]。與常規光伏產業相比，光伏聲屏障不占用城市土地資源，既能發揮聲屏障作用降低交通噪聲，又能發揮光伏板優勢進行太陽能發電。與常規聲屏障相比，光伏聲屏障不僅可以在整個使用周期內創造可觀的經濟效益，同時還對城市道路及軌道交通具有明顯的美化作用，因此光伏聲屏障有著巨大的市場潛力和廣闊的應用前景。

光伏聲屏障工程應用需要解決兩個核心問題，一是光伏聲屏障的吸隔聲性能保障，二是光伏發電效率。光伏組件無吸聲性能，若直接將其用作聲屏障屏體，容易引起噪聲反射，降低聲屏障降噪效果;此外，直立型聲屏障需要垂直安裝，因此光伏組件只有一側能接收光照，這勢必導致光伏組件發電效率下降[2]。本研究的核心工作在于研發設計一種高效光伏聲屏障，以解決上述問題。

1?   高效光伏聲屏障系統組成

本研究的高效光伏聲屏障結構形式如圖1所示，自上而下分別為金屬框架、光伏屏體模塊、金屬吸隔聲屏體模塊，以上模塊由兩端的立柱進行固定。為使高效光伏聲屏障整體具備良好的吸隔聲性能和光伏發電性能，下面分別對設計研究的金屬吸隔聲屏體模塊及光伏屏體模塊進行簡述。

2? ? 高效金屬吸隔聲屏體研究

常見的金屬吸隔聲屏體一般采用網孔板+吸聲棉+鍍鋅板的三明治結構形式，如圖2（a）所示，該形式主要利用吸聲棉的特性，將聲能轉化為熱能進行有效吸收。試驗數據表明，該種結構形式的金屬吸隔聲屏體對高頻噪聲具有良好的吸聲效果，但是對低頻噪聲，吸聲效果不明顯。圖2（b）為高效金屬吸隔聲屏體結構形式示意圖，具體為穿孔板+吸聲棉+微穿孔板+空腔+鍍鋅板。

對上述兩種金屬吸隔聲屏體進行計算，利用ANSYS軟件對空腔內空氣域建立模型，并劃分單元，將建好的模型導入聲學分析軟件包，運用有限元法進行聲場仿真分析。在設定邊界條件時，由于腔體中除微穿孔板以外的各壁面的振動對分析過程的影響很小，可將它們視為剛性壁;在與微穿孔板接觸的面上，設定簡諧平面聲波從端口處入射，并在入射端口處設置場點網格，分別取1/3倍頻程各中心頻率的純音作為激勵，求解該模型可得到不同激勵頻率時腔內空氣域的聲場分布狀況和入射端面處的聲場分布狀況。求解聲場后，提取出入射端面上各場點的聲壓和法向質點速度，求得各場點的聲阻抗率和空腔的輸入聲阻抗率，由類比電路可求得整個吸聲結構的法向聲阻抗率，最終求得該吸聲結構的吸隔聲系數。

高效金屬吸隔聲屏體的材料參數具體為：0.55 mm穿孔板（孔徑為2 mm，穿孔率為23%）+24.5 mm厚巖棉（巖棉密度為80 kg/m3）+空腔（空腔內置金屬微穿孔板，梯形微穿孔板的高度為25 mm，板厚0.55 mm，微孔直徑為1 mm，微孔間距為20 mm，穿孔率為0.178%）+49 mm厚巖棉（巖棉密度為80 kg/m3）+1.2 mm鍍鋅板。常規金屬吸隔聲板的網孔板、吸聲棉及鍍鋅板的材料參數與高效金屬吸隔聲屏體一樣。圖3為兩種吸隔聲屏體隔聲性能對比，圖4為兩種吸隔聲屏體吸聲性能對比，計算結果表明，高效金屬吸隔聲屏體在中低頻具有良好的吸隔聲性能，與常規金屬吸隔聲屏體相比，性能較為優越。

3? ? 高效光伏屏體研究

3.1? ? 高效光伏屏體聲學性能

圖5為高效光伏屏體示意圖，其由透明微穿孔板、空腔及光伏組件組成。光伏屏體的隔聲性能主要由光伏組件提供，吸聲性能則由整體形成的微穿孔共振吸聲提供。

高效光伏屏體隔聲量計算公式[3]為：

R0=20lg m+20lg f-48? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：R0是頻率f下的隔聲量;m為面密度;f為頻率。

光伏組件主要是鋼化玻璃，密度為2 500 kg/m3，厚度為5 mm，面密度為12.5 kg/m2，通過公式（1）計算出不同頻率下的隔聲量，最終得到計權隔聲量為27 dB。

高效光伏屏體吸聲基于微孔共振吸聲原理[4]。普通穿孔板吸聲結構吸聲效能的實現需要在穿孔板內部填充吸聲棉，此類構造吸聲性能優異，但耐久性差，環保性能欠佳。微穿孔板孔徑在1 mm以內，穿孔率小于5%，相較于常規穿孔板，聲阻明顯增大，結合微孔背后的空氣腔，形成赫姆霍茲共鳴器，利用空氣在微孔內振動時的熱粘性損耗，即微孔的聲阻來消耗聲能量。共振頻率的控制可通過調整空氣腔大小來實現，空腔越大，共振效率越低。微穿孔板吸聲結構的吸聲性能和頻帶寬度主要由微穿孔板結構的聲質量m和聲阻r來決定。微穿孔板的相對聲阻率和聲抗率可分別表示為：

式中：K=（）（d/2）;d為穿孔直徑;c為空氣中的聲速;t為板厚;σ為微穿孔板的穿孔率;μ為空氣的運動粘滯系數。

對于非金屬材料板，μ=1.56×10-6 m/s2。對于金屬板，由于熱傳導系數比較大，管中空氣脹縮不再為絕熱過程，而應視為等溫過程，因此μ中應加上空氣中的溫度傳導系數v，以v+μ=3.56×10-6 m/s2代替。

微穿孔板后留深度為D的空腔，即組成共振吸聲結構，其吸聲系數可按照下式計算：

αθ=（4）

式中：θ為聲波入射方向與板面法線方向的夾角;x=ωmcos θ-ctan（ωDcos θ/c）。

根據微穿孔板的理論公式，采用數值方法對透明微穿孔板的參數——板厚b、孔徑d、間距l以及空腔深度h等進行優化設計。

透明微穿孔板參數的優化設計采用ISIGHT軟件進行，通過MATLAB進行數值計算編程，將透明微穿孔板板厚b、孔徑d、間距l以及空腔深度h設置為可變參數，由于聲屏障總厚為100 mm，光伏組件總厚為5 mm，因此，空腔深度h≤95 mm，通過優化計算，最終選擇透明微穿孔板的參數如表1所示。

由于實際應用中透明板標準厚度一般為整數，因此這里選用5 mm透明PC板，優化后的高效光伏屏體吸聲性能如圖6所示，可以看出，光伏屏體在中低頻具有良好的吸聲性能。

3.2? ? 高效光伏屏體發電效率

常規設計中，光伏發電組件一般為單面發電，將光伏組件應用到聲屏障之后，如果仍然采用單面發電，發電效率會很低，為增加發電效率與發電時間，光伏聲屏障采用雙面發電的光伏組件。圖7為聲屏障上光伏組件發電示意圖，可以看出，雙面發電組件無論是上午還是下午都能發電，而單面光伏組件只能在上午或下午時間段內發電，因此采用雙面光伏組件能有效提高發電效率。

圖8為單面組件與雙面組件每瓦發電量對比，可以看出垂直安裝條件下，相同傾角情況下，雙面組件每瓦發電量更高。

4? ? 總結與展望

20世紀90年代以來，光伏發電產業發展迅猛。利用太陽能光伏進行發電，全過程不產生任何環境有害物質，是純粹的“綠電”，還可以相應減少標準煤的消耗，并減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放，環保效益佳。將光伏發電與聲屏障相結合，既能有效降低道路交通噪聲，又能實現并網發電創造效益，綜合考慮建造投入成本和收益，在直接收益方面，其年收益率不低于10%，擁有廣闊的發展前景。

[參考文獻]

[1] 喬飛，王俊生，姚舒涵，等.光伏聲屏障的發展與應用研究[J].工程技術研究，2020，5（11）：241-242.

[2] 楊金煥，談蓓月，葛亮.太陽能光伏聲屏障[J].中國建設動態（陽光能源），2006（2）：46-47.

[3] 馬大猷.聲學手冊[M].北京：科學出版社，2004.

[4] 尹忠莉.太陽能光伏聲屏障的研究[D].武漢：武漢紡織大學，2010.

收稿日期：2022-01-06

作者簡介：王俊生（1992—），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，工程師，研究方向：噪聲治理。