光伏声屏障的发展与应用研究

乔 飞，王俊生，姚舒涵，郭 凯，夏鹏鹏

（1.中国电建集团装备研究院有限公司，上海 200233；2.武汉源海博创科技有限公司，湖北 武汉 430000）

1 背景

声屏障是控制城市公路及轨道交通噪声的常见措施，光伏声屏障是将太阳能发电技术与传统声屏障相结合，在声屏障实现隔声性能的同时，将太阳能转换为电能，供给其他用电设施。

2 光伏声屏障国内外发展研究现状

2.1 国外发展研究现状

（1）国外技术研究现状。①声屏障顶端及外形结构研究。新加坡国立大学W.Shao等[1]于2001年研究了一种声屏障，其边缘顶端采用不规则形状，结果表明，顶端不规则程度越高的声屏障，其降噪效果在高频段越明显；T.Ishizuka等[2]对圆形、Y形、T形三种形式顶端的声屏障进行研究，结果表明，使用Y形和T形顶端结构形式的声屏障，其插入损失是最大的。②声屏障吸声结构研究。2005年，R.S.Ming[3]根据赫姆霍兹共振原理，在声屏障的表面加入新型共振结构，声音在小阻尼的边缘发生声衍射，研究表明，增加了共振结构的声屏障，具有良好的吸隔声效果。2003年，P.Bellucci等[4]对意大利的国有公路进行了光伏声屏障评估，他们认为光伏声屏障的实施，可分摊公路部分用电，同时还可以节约土地资源。如果选择合适的太阳辐射条件、交通流量及气象条件，光伏声屏障将有很大的市场发展空间。2012年，Schepper E D等[5]对光伏板与声屏障结合进行了可行性研究。

（2）国外应用发展现状。①欧洲光伏声屏障发展现状。1989年，瑞士首次将光伏组件应用到高速公路声屏障中，成为世界首个光伏声屏障应用案例（见表1）。后来，该解决方案也被应用于其他一些欧洲国家。②美国光伏声屏障发展现状。尽管美国尚未在国内修建公路PVNB，但至少有两个州的交通部门目前正与合作伙伴在美国寻求PVNB试点。考虑到美国存在大量声屏障，其声屏障上的太阳能潜力可达到每年至少400GWh，相当于37000个家庭的年用电量，甚至更高。美国麻州政府交通厅于2015年与KO-Solar及其合作伙伴在马萨诸塞州列克星敦的95号州际公路上试点一个PVNB项目。预计光伏声屏障每年将产生约650000kWh，相当于每年为120户家庭供电。

2.2 国内发展研究现状

（1）国内技术研究现状。我国声屏障的发展起步较晚。1992年，贵州省的贵黄高速公路安装了百米声屏障进行试验，成为国内首条道路声屏障。2006年，朱晓天等[6]采用有限元方法对4种不同顶端形式声屏障的衍射声场进行了分析。结果表明：平板型声屏障在加装顶端结构后，其插入损失可以增加3～6dB（A）。弧形及橄榄型顶端形式的声屏障，插入损失较大。2006年，吴洪祥[7]对一种顶端带吸声柱体结构形式的声屏障进行了研究，研究结果表明：在声屏障顶端加装吸声圆柱体时，吸声柱体的直径在大于0.3m的情况下，才能提高声屏障的插入损失，其插入损失可提高2～5dB。而在光伏声屏障方面，国内的研究成果较少。

表1 瑞士沿A13高速公路旁100kW光伏声屏障系统性能参数

（2）国内应用发展现状。2015年8月，苏州西环高架主线劳动路段1公里的双面光伏太阳能声屏障试验段增设工程完工，标志着中国首个光伏声屏障得到成功应用（见图1）。该光伏声屏障项目自建成运行以来，其系统每月发电量稳定在8000°左右。以每度电需消耗0.4kg煤炭计算，该项目每年可节约40t煤炭，减少100t二氧化碳排放、27t粉尘排放、3t二氧化硫排放及1.5t氮氧化合物排放。

图1 苏州光伏声屏障

3 光伏声屏障存在的问题

（1）光伏声屏障的声学设计。光伏声屏障首先要具备应有的声学性能（见表2）。由于光伏电池板表面必须光滑且无任何覆盖，常用的声学措施无法应用，直接采用光伏电池板作为声屏障屏体，吸声效果很差，容易引起噪声反射，达不到有效隔离噪声的效果。（2）光伏声屏障的发电效率。道路两旁安装的声屏障方向多变，并且要受到道路宽度的限制，不可能按照最佳倾角和朝向安装，这些都会影响太阳能电池的发电量。此外，光伏声屏障大都需要垂直安装，且仅有外侧能够接收光照，导致发电量进一步减少。（3)光伏声屏障电能损耗。一般光伏声屏障较长，高速公路光伏声屏障距离居民用电区很远，因此，光伏组件上的连接线会比较长，造成电能损耗，若电能损耗较大，光伏声屏障的应用价值会降低，如何解决光伏声屏障电能损耗问题也是需要解决的问题之一。（4）光伏声屏障维护保养问题。光伏声屏障在使用过程中，不可避免地会存在不同程度的损坏或者破坏，由于其远离市区，维护保养很难及时到位。若光伏组件得不到及时保养，表面灰尘较多，会导致发电效率降低；同时，损坏的光伏组件如果得不到及时的维修与更换，会导致整个光伏系统的发电量降低。

表2 国外发达国家对声屏障声学性能指标

4 光伏声屏障改进措施

（1）光伏声屏障吸声性能改进。由于光伏组件一般结构形式为钢化玻璃+太阳能电池+钢化玻璃，因此没有吸声效果。为达到吸声目的，可根据共振吸声的原理，在靠近道路一侧，增加微穿孔板，并与各光伏组件之间留有一定距离，形成吸声共振腔，从而提高光伏声屏障吸声性能。（2）应用双面发电光伏组件。常规光伏发电组件一般是单面发电，若将单面发电光伏组件应用到声屏障上，发电效率会很低，特别一些南北走向的路段，会造成光伏组件只有一部分时间能接受光照，因此需采用双面发电的光伏组件，从而提高发电效率。（3）其他措施。对于光伏声屏障系统中的连接线，在成本可接受范围内，尽量采用超导材料，以降低电能损耗，提高发电效率。光伏声屏障采用标准模块化产品，一方面便于工业流水线化生产，另一方面便于后续维修保养。

5 结束语

在声屏障行业，根据《2015—2020年中国隔声屏障行业发展策略及投资建议报告》统计结果，2014我国声屏障产品市场规模约为59亿元，且每年的产业规模增长率基本为5%左右，即在2020年左右我国声屏障产品的市场规模将达到80亿元。在光伏发电行业，随着2006年《中华人民共和国可再生能源法》正式实施，太阳能并网发电有法可依，且政府必须高价收购太阳能电力，极大促进了光伏发电的发展。因此，若推广采用高效光伏声屏障，不仅可以实现中低频段噪声的有效隔离，还可以实现并网发电创造效益，综合考虑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%，同时光伏声屏障输出的“绿电”还可以相应减小标准煤的消耗，并减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放，间接产生巨大的环保效益。