基于上海城市高架高速道路的光伏聲屏障應用研究

鮑穎群 侯震寰 秦宏波

上海市能效中心（上海市產業綠色發展促進中心）

0 引言

當前，在我國建設“交通強國”和實現“雙碳”目標的雙重壓力下，積極發展新能源對于促進交通運輸行業與能源行業的融合發展，推動交通運輸行業綠色低碳轉型具有十分重要的意義。

光伏是新能源的代表之一，因此，國家有關部門積極部署“光伏+交通”規劃。2022年1月，國務院《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃的通知》提出，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。2022年5月，交通部《“十四五”規劃交通運輸重大工程項目實施工作方案》又提出，在高速公路、港口碼頭等建成一批分布式新能源+儲能+微電網項目。2022年8月，工信部等5 個部門聯合印發《加快電力裝備綠色低碳創新發展行動計劃的通知》，要求全面推動光伏在新能源汽車充換電站、高速公路服務區等交通領域的應用。

上海結合自身優勢和特點，也積極探索光伏在城市交通領域的應用。 2022年5月，《上海市能源發展“十四五”規劃》提出，分行業、分領域推進光伏發展，力爭光伏新增規模270 萬kW，其中，“光伏+交通”領域要求新增裝機超過20萬kW，結合交通場站、交通樞紐、停車場、音屏障建設分布式光伏發電設施，建設光儲充一體化充電站。2022年10月，《上海交通發展白皮書（2022）》指出，有必要利用好相關資源，能夠把光伏和交通融合發展,結合自然條件加大光伏發電、風光互補供電系統應用，同時提出，推廣應用低噪聲路面、聲屏障等交通噪聲污染防治新技術，降低交通噪聲污染。

1 光伏聲屏障應用背景、現狀與研究趨勢

1.1 應用背景

光伏聲屏障（Photovoltaic Noise Barrier,PVNB）是指將聲屏障和光伏系統相結合，在實現降低交通噪音的同時產生電能，是當前最為常見的一種“光伏+交通”的應用模式，也是最早提出且已實現較大規模工程應用的道路光伏一體化技術。光伏聲屏障能充分利用城市高架高速道路的隔離屏障空間來安裝光伏系統，與建筑光伏一體化的方式相同，具有以下優點：一是不額外占用土地面積，節約有限的土地資源；二是安全可靠的吸隔聲降噪效果，維護成本相對較低；三是光伏成本近年來持續下降，可一體化預制，施工快捷簡單；四是雙面光伏技術可增加發電量，進一步降低成本。

光伏聲屏障目前有兩種。第一類PVNB，主要基于標準的傳統隔音屏障設計，在其上方安裝太陽能模塊，對于原有裝置只做部分調整，以便添加光伏組件，其中光伏組件的玻璃表面僅應用于聲音反射。該類PVNB 又分為單面和雙面，雙面組件比單面組件發電量約高30%。第二類PVNB，將光伏模塊整合集成到聲屏障設計，尤其適用于需要吸音的情況。為了更好地實現聲音吸收，可以在PVNB 模塊上增加質量，例如通過在厚玻璃板之間層壓太陽能電池，或將標準光伏組件添加到吸音材料中來實現，同時可以根據需要預留一定的透光度。

1.2 國內外應用現狀

1）國外應用狀況

20 世紀80年代末，國外就開始研究光伏聲屏障系統。1989年，瑞士在A13高速公路旁建造了世界上第一套PVNB 系統，總功率100 kW，9年后在鐵路旁安裝了PVNB，該裝置上的太陽能電池朝向遠離基礎設施的方向并有45°的傾斜角度，通過雨水自然沖洗清潔即可。1997年起，德國陸續安裝了四種不同的PVNB，是現在擁有PVNB 的高速公路數量最多國家。2007年，澳大利亞在機場附近部署了500 m 長的PVNB，由于澳大利亞的太陽能發電上網電價較低，沒有繼續推行該系統。2017年，美國牽頭，聯合包括美國交通部門、高速公路聯邦署，以及德國、瑞士等研究機構開展了題為（Highway renewable energy:Photovoltaic noise barriers）報告研究，將所有PVNB相關研究、示范項目存在的問題、未來發展的方向進行了統計梳理。研究人員從國家層面考慮此類系統的發電潛力，并對歐洲已有和計劃中的PVNB 系統的發電潛力進行了量化評估，數據表明德、意、法、英、荷、瑞士6 個國家公路沿線的電能總量每年可達到500 GWh［1］。

2）國內應用狀況

2008年，上海在外環線同濟路立交建造了國內第一個PVNB系統，但由于美觀性原因，該項目上馬一周就被撤下。同年，上海在軌道交通3 號線開展實驗試點，裝機容量8 kW，總投資60 多萬元，年發電量0.5萬kWh。2015年，國內首個雙面高效光伏發電應用案例在蘇州（西環高架1 km）投運，該項目采用的PVNB 總共有三層，第一層為雙玻雙面光伏組件，中間一層為夾膠玻璃，最后一層為吸音金屬板，裝機容量120 kW，年發電9.6萬kWh。

2022年，為了落實碳達峰碳中和工作要求，我國部分城市開展PVNB項目探索。浙江嘉紹大橋服務區結合零碳服務區創建，投用了一種新型光伏多維聲屏障，每塊降噪屏嵌入了一個倒立的直角三角體來改變噪聲回彈方向，同時增加了吸聲材料和光伏板，裝機容量41.5 kW。上海在延安路高架示范安裝光伏發電棒和柔性太陽能板，裝機容量4.1 kW，采用光伏發電全額上網的形式，光伏組件的全部表面噴涂光觸媒納米材料，具備自清潔功能。武漢市召開光伏聲屏障項目專家評審會，改造武漢友誼大道項目，長度約225～1250 m。

“光伏+交通”模式既打開了交通沿線設施設備綜合開發利用的新思路，又降低交通運營成本、提升經濟效益，更能以創新科技助推“雙碳”進程。但從目前國內幾個應用光伏聲屏障的城市來看，該項目還處于試點階段，還沒有大規模推廣。

1.3 光伏聲屏障技術研究趨勢

1）提升光伏發電性能

太陽能電池技術體系從晶硅到薄膜、鈣鈦礦的三代演進，這三代產品互補共存，適用于不同光伏應用場景。第一代晶硅電池因其優越的穩定性和高轉換效率而在商業市場上占據主導地位。目前兩個技術值得關注：一是薄膜砷化鎵多結電池，效率可以高達35%，在無人機、5G 通訊站、汽車等方面都有應用，但價格較貴；二是鈣鈦礦電池，它是效率提升最快的光伏電池，被認為是下一代光伏新勢力。目前，鈣鈦礦單結電池的效率記錄已達到了25.7%，雙結電池的效率超過了31%。近年來，我國科研團隊在鈣鈦礦光伏的發展中貢獻了一系列重要研究成果，連續創下大面積鈣鈦礦剛性玻璃襯底組件、柔性室外組件、室內組件等領域的五項世界紀錄，目前還保持著權威第三方認證的柔性鈣鈦礦組件19.21%光電轉換效率和36.36%室內光伏組件世界效率記錄。

2）減少自遮擋陰影

PVNB 安裝時，部分結構（支撐和邊框等）對光伏電池產生遮擋的效果。對于垂直安裝的雙面PVNB，自遮擋在中午可能是一個重要的問題，特別是對于安裝位置較高的聲屏障。解決方案是使用相對較窄的H型梁作為支架，組件插入其中以減少自遮擋。研究人員提出將由表面覆蓋或摻雜熒光材料（如有機染料或無機量子點）的聚合物導光板制成的發光太陽能聚光器（LSC）集成到聲屏障中，對其發電性能及其影響因素進行了測試分析，并在室外監測了其長期性能，結果表明LSC輸出功率不如傳統的光伏電池，但可顯著增強PVNB 的美觀、堅固性、透明度和降低成本，從而彌補這種發電差異。此外，雖然LSC 技術目前還未大規模推廣應用，但其為PVNB 解決自陰影提供了一種思路。

3）光伏發電與降噪相結合

PVNB 的發電潛力已被證實，但在道路環境中實施PVNB 還需綜合考慮其實際降噪和發電等方面的性能。英國試點項目表明音屏障加裝光伏后，其降噪性能通常沒有變化（基本不影響吸隔聲降噪效果）。為了提高降噪效果，在規劃新的PVNB 時，研究人員采用T 形、頂棚傾斜式、集成式暗盒或鋸齒形等設計，實現了聲反射和聲吸收的結合，但這些設計的形狀會使光伏組件產生自遮光而對發電效率產生不利影響。

4)PVNB發電潛力預測

美國研究人員利用地理信息系統（GIS）量化了美國部署PVNB 系統的潛力，在對輻照水平和聲屏障位置進行可行性分析的基礎上得出結果，表明僅現有的PVNB 足以為美國5 萬多戶家庭提供電力，每年節省的電費將超過6600萬美元。比利時研究人員通過成本效益分析法評價了該國PVNB的經濟效益，雖然該系統增加了聲屏障的成本，但光伏電池與聲屏障的結合帶來了長期的生態效益，在將生態效益貨幣化后發現，PVNB的成本可在12年后收回。國內研究人員提出了一種基于街景圖像的PVNB 發電潛力的計算方法，表明南京市現有的PVNB 在2019年的發電潛力可達4662 MW·h（兆瓦時），昆明市二環路上安裝非晶硅PVNB 的年發電量可達1600 MW·h。

2 上海市開展光伏聲屏障應用的前景分析

2.1 上海現有政策和機制

2014年11月，上海市經信委牽頭成立上海市分布式光伏產業聯盟，促進成員單位加強交流合作，開展供需對接，推動上海市產業發展，推廣合同能源管理模式在分布式光伏項目中的應用。上海市發展改革委牽頭上海市可再生能源建設相關工作，各部門、各區按照可再生能源建設任務分工，分領域推進。《上海市可再生能源和新能源發展專項資金扶持辦法（2022 版）》將于近期出臺，擬對分布式光伏項目上網電量給予0.05 元/kWh 獎勵，光伏開發創新示范項目給予0.3元/kWh獎勵。

目前，各區已制定或正在制定光伏相關支持政策，根據項目規模、投資額或發電量進行補貼。如浦東新區對于裝機容量不低于200 kW 的光伏項目，最高補貼可到500萬元。

2.2 光伏聲屏障經濟性分析

1）成本測算

上海現有聲屏障尺寸跨距有1、1.5、2、2.5 m，高度上基本是2 m，以1 m2光伏板為例，在最優傾角的情況下，功率140～200 W/m2（經濟性以最佳理想模式計算）。按上海年均有效日照1000 h計算，PVNB 發電效率弱于其它項目，直立式光伏發電效率約為最優發電效率的60%，1 m2的光伏聲屏障年發電為120 kWh。直立式光伏聲屏障成本包括光伏系統、支架、地基基礎等，目前1 MW 光伏聲屏障造價為600～1000萬元，取900萬元/MW。

2）投資回收期測算

一是采用發電全額上網模式（網電價0.4155元/kWh），在沒有補貼的情況下，需要24年回收。二是采用發電全額上網模式，且依照《上海市可再生能源和新能源發展專項資金扶持辦法（2022版）》支持方式，光伏開發模式創新示范項目獎勵標準為0.3元/kWh，補貼5年的情況下，需要20年回收。三是以抵扣工業自用電（0.9 元/kWh）計算，無上網發電的情況下，需要11年回收。

3）規模測算

按《上海市綜合交通發展“十四五”規劃》，上海市高快速路里程超過1100 km，包括高架和高速。其中聲屏障路段660 km，具備安裝光伏聲屏障設備條件的里程約200 km，如道路雙側全部安裝，裝機容量可達8 萬kW，因采用垂直安裝，如以光利用效率60%計，年發電量約4800 萬kWh，可減碳約2萬t。

4）經濟性總體分析

PVNB投資回收期較長，初步估算在20年以上（如采用工業電價、最佳光照條件等理想情況，有望在11年左右）。主要原因：一是初裝成本高，直立式光伏隔音屏造價約為普通屋頂光伏設備的1.5～2倍；二是直立形式發電效率約為屋頂發電效率的60%，同時受高架走向等道路條件的限制，光資源利用率更低；三是發電就地消納受到限制，若采用發電全額上網模式，進一步影響投資回收。

2.3 需要重點考慮的問題

1）因地制宜安裝光伏

道路聲屏障東西南北走向都有，道路的走向決定了PVNB的布設方向。由于光伏組件的傾角通常接近垂直，相比于安裝條件最佳的光伏組件，這種次優的朝向和傾角會使其年發電量下降。PVNB項目首先要貫徹因地制宜，資源應用盡用，能用則用。

2）平衡產品性能和美觀度

現有晶硅光伏黑色和深藍色的外觀比較單調，限制了PVNB 的規模化應用。相比與普通光伏組件，在最小化效率損失前提下，應強調外觀性和美觀性，提供不同色彩來融入道路景觀。參考建筑光伏一體化發展，需開發“光伏+聲屏障”一體化產品。

3）市場投資的經濟性

雖然相比于傳統聲屏障，PVNB 增加了初始建設成本，但其在實現降噪的同時還能提供清潔電能，從技術市場投資的角度來看，PVNB是很好的光伏應用場景。但由于目前發電效率不高，必須考慮投入產出比和投資周期，經濟性涉及財政補貼還是商業推廣模式。

4）維護保養的便捷性

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，由于高架道路白天負荷大，高速又遠離市區，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。

5）道路交通的安全性

目前針對PVNB 的研究主要集中在其可行性與發電潛力評估、降噪結構設計以及發電性能的影響因素等方面，而關于其眩光及防撞等安全性能的文獻報道則很少。遇到交通事故撞擊聲屏障，可能有碎片產生。另外，由于高架下方是普通道路，要考慮抗風抗震荷載能力。

6）光伏系統運行的可靠性

光伏系統運行的可靠性包括兩個方面，一是光伏本身系統運作的可靠性，二是電力持續供應和保障的可靠性。根據“交通領域發的電，盡量用在交通領域”的原則，PVNB 系統穩定發電才能確保路燈、充電樁等設備正常使用。

3 上海市推廣光伏聲屏障應用的相關建議

3.1 各部門加強合作

光伏聲屏障的發展涉及市政、公路、電力等諸多部門，關系到所屬產權、各方的投資及收益分配等問題，這些都需要從政府層面來統一協調，各委辦局需加強聯系，確定項目工作的推廣主體和責任方。上海市在光伏聲屏障試點中已積累了一定的經驗，可結合內環高架設施提升及功能完善等工程，推進光伏聲屏障應用。

3.2 制定標準規范

光伏聲屏障涉及能源、材料、電氣、機械和環境等領域，傳統的測試評價指標并不適用，產品設計、試驗方法、系統架構、并網條件、施工運維等缺乏統一的標準規范，增加光伏聲屏障的工程應用不便。因此，有必要制定一套可靠的試驗方法與評價體系。通過制定標準規范，推動上海的光伏聲屏障應用走在全國前列。

3.3 支持企業技術突破

“雙碳”實現首先靠技術創新，重點在上游裝備技術攻關，根據現有案例及相關建設經驗，進一步降低光伏聲屏障系統成本。支持先進技術產品及應用，包括高效智能光伏組件（組件轉換效率在24%以上）、新型柔性太陽能電池及組件、鈣鈦礦及疊層太陽能電池、超薄高效硅片等方向。

3.4 鼓勵智慧場景落地

智慧道路用能特點是單一負載功率小、高安全性、極端天氣自動響應等，光儲直柔技術能提高能源穩定性。建議拓展光伏聲屏障發電應用場景，除了路燈照明等應用，還可以結合新能源車的充電、換電需求，考慮高架下規劃布局車輛充電、換電站點，實行自發自用模式，進一步縮短回收期。

3.5 探索多元投資模式

初步測算，200 km 高架光伏聲屏障造價約4.8億元，如全額并網，可實現發電收入近2000 萬元。與其它光伏項目相比，聲屏障發電效率較低，商業模式很難探索。上海在試點光伏聲屏障項目中，投資建設可采用以下模式：一是政府全額投資。高架光伏作為城市基礎設施，由城市維護建設資金全額支持，發電收入納入城市維護建設資金。二是“政府+市場+金融”投資模式。鼓勵國家電力投資集團公司、華能國際、上海電力、城建物資等企業參與項目投資建設，金融機構提供貸款和碳質押等金融產品給予補充，市區兩級政府通過可再生能源等政策給予支持。在目前光伏項目最高補貼500萬元的基礎上，考慮到光伏聲屏障的投入高，可給予更高力度的專項補貼。

3.6 拓展示范應用場景

通過道路光伏聲屏障試點，拓展光伏應用于道路欄桿、邊坡、防撞墻等領域，綜合考慮道路光伏“安全、環保、美觀、經濟”的技術要求，穩步推進代表性項目。浦東地區道路工程占上海市1/4 以上，軌道交通的運營里程占上海1/3 以上，“十四五”期間干道網系統新增總里程將超220 km。結合城市道路精細化管理等工作，可在浦東新區新建高架高速道路上先行先試。