光伏聲屏障的工程應用及發電效率實測分析

孫圣懿

摘要 在傳統聲屏障結構的基礎上，將中部的亞克力隔音板更換為光伏板進行光伏聲屏障的結構設計，通過室內研究與軟件模擬，分析光伏聲屏障安裝的方位角對發電量的影響，對比驗證光伏板的隔音系數等性能，并在G328寧揚交界至龍池互通段改擴建工程中進行光伏聲屏障的工程應用，分別分析夏季和冬季發電量的差異，并根據實測的發電數據，對該技術的社會經濟效益進行分析和計算。

關鍵詞 光伏聲屏障；降噪；發電量；經濟效益

中圖分類號 U213.8文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0147-03

0 引言

2022年1月，國務院下發的《“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設施。目前，在“光伏+交通”領域，已有光伏停車棚、光伏邊坡、光伏屋頂乃至光伏路面等新技術的成熟應用，其通過光伏發電實現了一定的節能減排效果[1]。

聲屏障是一種用于降低汽車行駛噪聲對環境影響的公路附屬設施，通常設置于穿越城鎮路段、生態保護區等對于噪聲有嚴格控制要求的公路、高架橋、城市輕軌地鐵、高鐵等區域，以控制交通噪聲對周圍的影響[2]，也可用于工廠和其他噪聲源的隔聲降噪。該項目在傳統聲屏障的基礎上，將聲屏障中部的隔音板更換為光伏板，實現了光伏發電與傳統聲屏障的有機結合[3]。與傳統的聲屏障相比，光伏聲屏障可以實現在建成后獲得發電收益的效果，進而取得經濟效益，能夠促進交通行業的低碳發展[4]。

因此，光伏聲屏障集成了光伏發電板，可以將太陽能轉化為電能。這種清潔能源的利用可以減少對傳統化石能源的依賴，從而減少溫室氣體的排放，實現減排的效果。

1 光伏聲屏障的設計

1.1 光伏聲屏障的結構設計

根據《328國道寧揚交界至龍池互通段改擴建工程先導段施工圖》要求，為保證聲屏障與高架橋本身及城市環境相協調，該項目的聲屏障外形結構采用直立弧形、吸聲屏體和透明屏體間布的形式。其中，隔聲屏體采用12 mm厚的加筋亞克力板，自重為25 kg/m2，外部為鋁合金邊框；吸聲屏體采用百葉窗鋁合金復合吸聲結構，面板采用1.5 mm厚的穿孔鋁合金吸聲板，背板為1.5 mm厚的鍍鋅鋼板，內填5 mm厚的通孔泡沫鋁板。

光伏聲屏障，在傳統聲屏障的基礎上，將中部的吸音屏體更換為光伏板，自重為28 kg/m2，相比普通亞克力板基本不增加重量。經驗算，用光伏板替換普通亞克力板后，在自重和風荷載的作用下，聲屏障的彎矩、截面強度、變形等指標均滿足設計要求。

1.2 光伏板的性能對比

聲屏障中部所使用的隔音板材質，常見的有聚碳酸酯板（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯板（PMMA，亞克力）。光伏聲屏障使用的是夾角鋼化雙面光伏板（PV），其兩面均可發光，相比普通的單面光伏板發電量可增加30%，其尺寸為1 834 mm×965 mm，組件工作電壓約為56 V，工作電流約為5 A，組件額定功率約為280 W。

對比分析以上3種材料的關鍵性能，探究其主要性能指標和優缺點，如表1所示，為相關工程實踐提供參考。在對比過程中，重點關注降噪效果、耐沖擊性和耐久性等多個方面。經對比分析可知，采用光伏板替代聲屏障中的亞克力板會進一步降噪3～8 dB，即整體隔聲效果提高10%～20%。

此外，該項目所研發的新型雙面光伏聲屏障，具有獨特的復合中空結構，并實現與光伏隔聲屏體有機結合，與普通聲屏障相比，其優勢在于：

（1）充分利用公路周邊的空間資源，為公路的節能減排作貢獻，運營過程中可通過發電產生經濟效益，進而收回建設成本。

（2）正背面均有發光功能，相比單面太陽能組件增加30%的發電量。

（3）施工簡便，鋼結構部分的施工和普通聲屏障一致，不額外增加施工難度。

1.3 光伏聲屏障發電原理

光伏聲屏障的發電原理與普通的光伏發電原理基本相同，只是在其基礎上增加了聲屏障的功能。

光伏發電的主要原理是半導體的光電效應，其發電原理如圖1所示。光子照射到金屬上時，它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內部引力進行做功，離開金屬表面逃逸出來，成為光電子。硅原子有4個外層電子，若在純硅中摻入有5個外層電子的原子（如磷原子），就成為N型半導體；若在純硅中摻入有3個外層電子的原子（如硼原子），則形成P型半導體。當P型和N型結合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P－N結后，光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發，以致產生電子－空穴對，空穴由P極區往N極區移動，電子由N極區向P極區移動，形成電流。

光伏聲屏障通常需要配備電池組件，其光伏電池板一般由多個電池組件組成。這些組件通過串聯或并聯的方式連接在一起，形成光伏電池陣列。光伏聲屏障通常還會配備逆變器，用于將光伏電池板產生的直流電轉換為交流電，以便與城市電網連接并向城市輸送電能。

1.4 方位角對光伏聲屏障發電量的影響分析

光伏的最佳安裝角度，受到緯度、季節等因素的影響，在位于北半球的我國，光伏板的最佳安裝角度大約在30 °～40 °。受制于聲屏障的結構形式，用于光伏聲屏障的光伏板只能垂直安裝，其發電效率會受到其安裝朝向，即方位角的影響。光伏板的方位角決定了光照的入射角度，從而影響光伏板接收到的光照強度。一般來說，光伏板的最佳方位角是與太陽高度角相等的角度。在不同季節和地理位置，最佳方位角會有所不同。

考慮南京地區的太陽輻射量、太陽方位參數，以及聲屏障的位置數據（經緯度、面積、垂直安裝）等因素，該項目利用PVsyst軟件進行光伏聲屏障發電量性能的模擬。圖2展示的是利用PVsyst仿真的不同方位角下的理論發電量，該項目僅考慮方位角的影響，其他因素默認保持不變。根據圖2中的數據，方位角在不超過±30 °時，方位角對發電量的影響較小，該項目依托工程G328寧揚交界至龍池互通段改擴建工程主線的方位角為21 °，因此大部分路段都適合布置光伏聲屏障。

2 工程應用

2.1 應用概況

按照《328國道寧揚交界至龍池互通段改擴建工程環境影響報告書（報批稿）》及《關于328國道寧揚交界至龍池互通段改擴建工程環境影響報告書的批復》（寧環建〔2017〕11號）的要求，G328寧揚交界至龍池互通段改擴建工程需要對全線超標的噪聲敏感點采取環保措施，結合現場實際情況對先導段的15處敏感點建設長度為4 610 m的聲屏障，高度為3.0 m。

依托G328寧揚交界至龍池互通段改擴建工程，進行了光伏聲屏障的現場實施，實施路段為K8+646.492至K8+769.492第三聯，光伏聲屏障實施長度約為100 m，裝機容量為16.8 kW，應用光伏總面積約為100 m2，現場應用照片如圖3所示。

現場50塊太陽能發電組件形成一個組串，每塊組件與組件之間通過正負極相插形成一個組串，串聯至逆變器；再由逆變器進入專業并網箱。直流側走線位置位于隔音屏障上端，采用穿管的方式走線，用線卡固定。安裝完成后，需要對相關部位進行復檢，復檢內容包括檢查立柱底板螺絲是否打緊、組件之間接線是否松動、逆變器接線處是否松動、逆變器安裝是否牢固等。

2.2 發電效率實測與分析

根據后臺軟件監測的在2023年9月17日和2024年1月4日的實時發電數據如圖4所示。可以看到，光伏聲屏障的發電時間和當天的日照時間相同，在12時至14時左右發電功率達到峰值，1月4日當天的發電量達到50.12 kWh，9月17日當天的發電量為26.67 kWh。

光伏的發電量受到光照時間、光照強度以及環境溫度的影響。與夏天相比，冬天的發電量反而更高，這是因為光伏板的開路電壓隨溫度的升高而降低，電壓溫度系數為?0.33%/℃，即溫度每升高1 ℃，60片組件的單體太陽能電池開路電壓降低120～125 mv；太陽能電池的峰值功率隨溫度的升高而降低，即溫度每升高1 ℃，太陽能電池的峰值功率損失率約為0.41%。另外，溫度升高也會降低逆變器的轉換效率。

2.3 效益分析

結合工程經驗，以及南京地區梅雨天氣的影響，該項目全年的日均發電量可按峰值發電量的75%左右進行預估，單幅1 km（3 m聲屏障）太陽能光伏聲屏障的年均可發電約138 700 kWh，按照南京地區階梯電價的中值計算，每年的經濟效益可達約6.9萬元，相當于節約39.94 t標煤，減少58.25 t二氧化碳排放。

光伏聲屏障建成運營后，其作為發電裝置載體，并網后可將光伏系統產生的電能應用于照明、臨時設施、機電設施等的供電，做到一物兩用，進而獲得經濟效益，助力公路行業早日實現近零碳的目標。

3 光伏聲屏障發電的應用

光伏聲屏障發的電通常有以下幾種消耗方式：

自用：光伏聲屏障產生的電能可以優先滿足自身的使用需求，例如為聲屏障上的照明設施、監控設備、交通信號燈等供電。

并網發電：若光伏聲屏障產生的電能超過了自身的使用需求，則可以并入城市電網，向城市輸送清潔能源。并網發電可以為城市提供電力，減少對傳統化石能源的依賴，降低城市碳排放。

儲能：光伏聲屏障產生的電能也可以通過儲能系統進行儲存，以便在太陽能不足或夜間使用。儲能系統可以是t電池儲能系統或其他形式的儲能系統。

綜合利用：光伏聲屏障產生的電能還可以與其他可再生能源發電系統結合起來，形成綜合能源系統，為城市提供清潔、穩定的能源供應。

4 結論

通過該文對光伏聲屏障板材的研究，可以得到以下主要結論：

（1）通過使用光伏板替代聲屏障中的亞克力板，在基本不增加重量的前提下，完成了光伏聲屏障的結構設計。

（2）利用PVsyst軟件分析了方位角對發電量的影響，結果表明方位角在不超過±30 °時，對發電量的影響較小，該項目依托工程大部分路段都適合布置光伏聲屏障。

（3）根據實測數據分析，在試驗段現場冬季單日的發電量最高可以達到夏天發電量的約1.9倍。

（4）根據實測數據的計算，單幅1 km（3 m聲屏障）太陽能光伏聲屏障平均每天可發電約380 kWh，每年的經濟效益可達約6.9萬元，相當于節約39.94 t標煤，減少58.25 t二氧化碳排放。

參考文獻

[1]鮑穎群， 侯震寰， 秦宏波. 基于上海城市高架高速道路的光伏聲屏障應用研究[J]. 上海節能， 2023（5）： 602-607.

[2]王俊生， 喬飛， 郭凱， 等. 高效光伏聲屏障設計研究[J]. 機電信息， 2022（8）： 46-49.

[3]潘幫浩， 王濤. 綠色環保聲屏障[J]. 綠色環保建材， 2021（10）： 39-40.

[4]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（11）： 241-242.