光伏聲屏障在城市快速路上應用可行性分析

李洋洋

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司天津分公司，天津市 300202]

0 引言

2022 年1 月18 日，國務院下發《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》，明確指出，鼓勵在交通樞紐場站以及公路、鐵路等沿線合理布局光伏發電及儲能設施[1]。同年，石家莊市人民政府國資委印發《關于推進市重點行業國有企業高質量發展做好碳達峰工作的實施方案》，要求推動能源綠色智能開發和清潔低碳利用、新型電力系統等低碳前沿技術攻關，深入開展先進儲能、高效光伏、現代化工等關鍵技術攻關，強化產業共性基礎技術、新型材料研發應用。

光伏聲屏障是一種結合太陽能發電系統專門設計的立于噪聲源和受聲點之間的聲學障板，是以吸聲或隔聲，或吸聲和隔聲混合的材料組成的一種聲學裝置[2]。光伏聲屏障既能發揮聲屏障傳統功能，又能作為太陽能光伏發電裝置的載體，產生電能，建設意義顯著。光伏聲屏障利用太陽能，屬于可再生的清潔能源，減少碳排放，有助于交通行業提早實現碳中和。光伏聲屏障代替傳統聲屏障，充分利用了現有資源，不額外增加占地。光伏聲屏障可為交通系統的用電設備供電，做到自發自用。光伏聲屏障提高了可再生能源應用比例，節約能源，減少不可再生能源的消耗。光伏聲屏障作為新技術應用，將提升城市形象。

1 工程概況

槐安路高架西延工程位于石家莊市橋西區，自現狀槐安路主線橋西端起，對現狀橋局部頂升后，新建雙向6 車道連續高架，向西至鐵路東側落地。工程總長約2.1 km，整體為東西走向。根據本工程《環境影響評估報告》，聲屏障長約3100 m，高3 m，為垂直安裝。槐安路高架西延工程原普通聲屏障投資估算809 萬元。

根據NASA 氣象研究所的氣象數據，項目所在地年均太陽輻射量為1565 kW·h/m2。根據《太陽能資源評估方法》（GB/T 37526—2019）[3]，該地區屬于Ⅱ類地區，太陽能資源很豐富，適合建設光伏設施。

2 建設方案

2.1 方案路線

槐安路高架西延工程為城市快速路，需要兼顧一定的景觀性，因此光伏聲屏障考慮兩種組件方案。

方案一為常規顏色的組件，聲屏障部分一般為深灰色，光伏部分為黑色，其優勢在于發電效率較高、光伏部分成本較低，示意見圖1（a）。

圖1 光伏聲屏障示意圖

方案二為彩色組件，示例選用綠色，光伏部分為綠色的森林圖案（也可選擇其他顏色及圖案），其優勢在于外觀上更有創新，視覺上也有利于緩解行車司機疲勞，示意見圖1（b）。

光伏聲屏障有兩種工作方式，即離網系統、并網系統。離網系統是太陽能光伏板發電經儲能、轉換后，直接向交流負載供電。離網系統是自發自用，需要儲能，本方案使其僅滿足自身系統使用，以便減少儲能，降低成本。并網系統是太陽能光伏板發電經轉換后輸送至公共電網，實現并網發電，需經電力部門同意。并網系統是輸送電網，可獲取收益，本方案考慮光伏安裝面積盡量增大，以便獲取更大收益。

基于以上分析，方案路線是在常規組件和彩色組件兩種方案下，分別研究離網系統、并網系統的電氣系統、發電量、成本、效益等，以期得出結論。方案類型詳見表1。

表1 方案類型

2.2 電氣系統

光伏聲屏障兩種工作方式的電氣系統簡述如下。

2.2.1 離網系統

太陽能光伏板，由導線連接經防反充二極管向蓄電池組充電，經控制器、DC/AC 逆變器將直流電轉換成交流電，直接向交流負載供電[4]。

目前槐安路高架西延工程交流負載考慮為道路照明、監控及景觀等用電設備。道路照明是夜晚用電，而光伏聲屏障是白晝發電，用電與發電時間交錯，因此發電后需要儲能。離網系統儲能數量是依據夜間用電量而配置的光伏裝機容量，電池備電天數為一日，即當日光伏發電基本滿足夜間用電設備（用電總功率100 kW、用電時長11 h）。

本工程兩處新建箱變旁各新增一套光儲一體機作為光伏聲屏障所產生電能的儲存設備，與原工程中市政電源形成雙電源結合使用。

光儲一體機提供的低壓電源作為主用電源供道路照明、監控及景觀等用電設備用電，市政箱變提供的低壓電源作為備用電源，冬季極端天氣下電量不足時作為補充。

2.2.2 并網系統

太陽能光伏板，由導線連接經防反充二極管，經并網逆變器將直流電轉換成交流電，并輸送至公共電網，實現并網發電[4]。

2.3 聲學性能

光伏聲屏障不應降低原聲屏障的聲學性能，本方案所使用產品廠家提供了合格檢測報告。

2.4 通透光照性能

快速路沿線有居住小區或者商業辦公樓等，光伏聲屏障不應遮擋陽光而降低原聲屏障的通透光照性能，本方案所使用產品廠家提供了合格檢測報告。

2.5 結構性能

光伏聲屏障應結構可靠、安全耐用，本方案所使用產品廠家提供了合格檢測報告。

2.6 全壽命周期成本

根據方案路線，槐安路高架西延工程光伏聲屏障全壽命周期成本見表2。

表2 光伏聲屏障全壽命周期成本明細

從表2 可知，彩色組件全壽命周期成本普遍高于常規組件。離網系統下，彩色組件比常規組件高138 萬元；并網系統下，彩色組件比常規組件高325 萬元。

無論是常規組件，還是彩色組件，離網系統因電氣設備（主要是儲能裝置）成本較高，全壽命周期成本較高。常規組件與彩色組件的維護成本相差不大。

3 效益分析

3.1 直接效益

根據方案路線，槐安路高架西延工程光伏聲屏障發電量及收益情況見表3。本工程原普通聲屏障投資估算809 萬元，計算直接效益時按增量成本計算分析。

表3 光伏聲屏障發電量及收益情況

從表3 可知，無論是常規組件，還是彩色組件，離網系統增量成本與25 a 收益相比，高1000 萬元以上。如無其他補貼，認為離網系統經濟上不可行。

常規組件并網系統增量成本比25 a 收益低125 萬元，收益率26%；彩色組件并網系統增量成本比25 a 收益高262 萬元，收益率-33%。如無其他補貼，認為彩色組件并網系統經濟上不可行，常規組件并網系統經濟上可行。

3.2 間接效益

光伏聲屏障使用清潔能源發電，產生一定的社會效益。

（1）節能減排，改善環境。光伏發電低碳環保，無噪聲，無污染，減少CO2、SO2等污染物排放（指標見表4）。

表4 25 a 全壽命周期碳排放指標

（2）低碳環保，提升社會形象。項目將實現在節能環保、供電可靠的綠色光伏能源供應機制，在建設人與自然和諧發展等方面具有良好的社會效益和示范效益。

（3）積極響應國家政策，促進分布式光伏發電產業發展。

國家和多個地方政府發布“十四五”電力發展規劃，積極推進分布式光伏產業發展，響應國家號召，為國家電力事業做積極貢獻。

4 結 論

（1）在儲能裝置成本無法顯著降低的條件下，光伏聲屏障使用離網系統供照明用電經濟上不可行。

（2）彩色組件光伏聲屏障影響發電效率，同時成本較高，經濟上不可行。

（3）常規組件光伏聲屏障并網系統經濟上可行，同時具有一定的社會效益。并網另需與電力部門溝通。