基于新型光伏聲屏障的發電效率探究

顧建波

摘要 在國家大力支持光伏發電的大背景下，提出了一種新型的光伏聲屏障在公路工程發展領域的思路和方向。該新型聲屏障結合太陽能光伏系統，通過分析其性能和優勢，設計了光伏組件，形成了相應的安裝工藝。為了進一步驗證光伏產品的性能，文章使用GSA網站進行仿真，預測其日平均發電量并與實際發電量比對，驗證光伏產品的優良性能。該新型光伏聲屏障可以推動公路工程領域的發展，具有較好的應用前景。

關鍵詞 光伏聲屏障；安裝工藝；發電量

中圖分類號 TM615文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0092-04

0 引言

由于過度依賴化石能源，我國的二氧化碳及二氧化碳排放量位居世界前列，這嚴重影響了綠色低碳化進程。在這個背景下，作為清潔能源的電能（光伏發電）被視為減少環境污染的有效途徑。光伏發電不僅能夠有效地減少溫室氣體的排放，還能促進能源供給結構的優化，實現經濟和生態效益的統一。

隨著光伏發電技術的不斷發展，多技術融合為公路工程帶來了新的活力。聲屏障技術與光伏技術的融合，可以實現降噪及發電的雙重作用。通過這種方式，公路工程不僅減少了噪音污染，而且通過發電回饋給電網，為城市提供充足的電力供應。此外，這種技術還可以將產生的電能直接用于照明或反饋給電網，具有良好的節能環保效益。

1 光伏聲屏障性能及優勢

1.1 光伏聲屏障的性能分析

光伏聲屏障是將光伏系統和聲學系統相結合，旨在降低交通噪音同時產生電能。這是當前一種非常常見的光伏與交通相結合的應用模式，也是最早提出且已實現較大規模工程應用的光伏道路一體化技術，其兼具了聲學和發電的功能。

1.1.1 聲學性能

光伏聲屏障是一種特殊的聲屏障，在保證原有聲學降噪功能的條件下融入光伏技術，借助4～7 mm厚太陽能電池板取代原有0.9～1.2 mm的降噪板材，實現吸音效果及隔離透射聲的能力[1]。當聲波遇到光伏聲屏蔽時，一部分聲波在接觸面上反射；一部分聲波越過聲屏蔽結構；一部分聲波穿透屏蔽結構。光伏聲屏蔽結構通過限制聲波的傳播、減弱反射聲波及隔斷透射聲波來到達聲屏蔽的效果。

1.1.2 發電功能

光伏發電是一種利用太陽能電池半導體材料產生光電效應進行發電的系統。當光子照射到金屬表面時，它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收，使電子克服內部引力做功，從金屬表面逃逸出來，成為光電子[2]。這些光電子可以被收集并用于產生電能。光伏發電的基本原理就是利用這種光電效應，通過半導體材料的光電效應將光子轉化為電子，從而將光能轉化為電能。這種發電系統具有清潔、可再生、分布廣泛等優點，是能源發展的重要方向之一。

1.2 光伏聲屏障的優點

光伏聲屏障一般在城市高架、高速道路上應用，利用兩側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似。具有以下優點：①不額外占用土地面積，節約了有限的土地資源；②具有安全可靠的吸隔聲降噪效果，維護成本相對較低；③光伏成本近年來持續下降，可一體化預制，施工快捷簡單；④雙面光伏技術可增加發電量，進一步降低成本。這些優點使得光伏聲屏障成為一種具有競爭力的交通噪聲治理和可再生能源利用解決方案。

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與光伏隔聲屏體有機結合，構成一體化聲屏障，在上面優勢的基礎上進一步增加了30%的發電量；提高發電效率，減少光污染，有效節約資源；兼具吸聲、隔聲特點，聲屏障頂部設置了吸聲桶，底部設置了泡沫吸音材料，在保證基本隔聲效果的同時減少反射聲的產生，相比普通聲屏障可以進一步降低噪音3～5 dB。

2 光伏聲屏障的光伏組件設計研究

2.1 太陽能電池片比選

目前市面上常見的光伏組件主要包括三類：晶體類、薄膜類和新型光伏組件。單晶硅光伏組件、多晶硅光伏組件、非晶硅薄膜光伏組件、鎘薄膜光伏組件以及銅銦鎵硒薄膜光伏組件是已實現商業化應用的光伏組件[3]。該項目將對不同電池片的效率、生產規模、環境問題、儲存、成本等方面進行比選，如表1所示，最終確定電池片的選型。

隨著科技的不斷進步和制造成本的持續下降，單晶硅太陽能電池組件與多晶硅電池組件的價格差距正在逐漸縮小。然而，考慮單晶硅電池組件具有諸多優點，如轉化效率高、節約集約利用土地、擴大實際裝機規模、良好的弱光性等，這些優點使得單晶硅電池組件在市場上仍然具有顯著的優勢。為積極響應國家能源局、工業和信息化部、國家認監委聯合發布的《關于促進先進光伏技術產品應用和產業升級的意見》鼓勵使用先進技術產品的政策，該項目最終決定選用單晶硅太陽能電池片，不僅符合政策導向，也符合提高光伏發電系統的效率和降低成本的長期目標。

2.2 光伏組件生產工藝比選

目前光伏組件生產工藝主要包括半片技術、多主柵（MBB）技術、疊瓦技術和雙面技術[4]，這些工藝都能有效提高太陽能電池板將光能轉化為電能的能力或延長其使用壽命。

半片技術的原理是將一塊太陽能電池片切割成兩半，然后分別封裝在兩個玻璃腔內，通過半片技術可以增加光線的利用率，提高光電轉換效率。該技術有效降低了光伏組件產生熱斑的概率，并減少由于組件升溫帶來的功率損耗。

MBB技術通過在太陽能電池片上增加更多的金屬柵線（一般≥6根），可以提高電流密度，提高其長期發電性能和機械性能，從而增強光伏組件的穩定性。

疊瓦技術是一種將太陽能電池片和封裝玻璃交替疊層排列的技術，無焊帶，采用疊瓦技術的光伏組件抗熱斑、抗裂性能優異，但其產量相對較低，同時成本也較高。

雙面技術是指太陽能電池片的正面和反面都可以接收光線，通過在光伏組件背面采用金屬漿料印刷細柵格，使光伏組件背面由全金屬層覆蓋改為局部金屬層覆蓋。當太陽光照射到雙面光伏組件上時，一部分光會被周邊環境反射到組件背面，這些光可以被雙面光伏組件所吸收，從而提高組件的光電性能，增加光線的利用率，增加光伏組件的發電量。

對比單面與雙面太陽能電池每天發電量的數據，在垂直安裝的條件下，東西面每日有兩個發電高峰期，較單面發電技術每日增加8.4%的發電量，東西面比南北面每日增加10%～15%發電量。因此，該項目選擇雙面技術進行光伏組件的生產。

2.3 光伏組件的力學性能試驗

光伏組件應具有一定的強度，為防止在運營過程中被飛石等雜物擊碎表面造成破壞，該項目根據《建筑用安全玻璃 第3部分：夾層玻璃》（GB15763.3—2009）中7.11和7.12節的要求，對封裝好的光伏組件展開霰彈袋沖擊和落球沖擊兩項試驗，對其強度進行評價。如表2所示，試驗結果可以看出，光伏組件具有較高強度，在落球試驗和霰彈袋試驗過程中，中間層均無斷裂，無碎片剝離，表明其可以有效抵御汽車行駛導致飛石等雜物的損害。

3 光伏聲屏障安裝工藝研究

3.1 鋼結構部分施工

基于上述設計方案，在工廠進行了樣品制作與相關檢測，并在現場進行了施工安裝。光伏聲屏障的鋼結構部分，如立柱、蓋板等部位的安裝和普通聲屏障基本保持一致，其中立柱需選擇國家標準的型鋼[5]，且H型鋼立柱的焊接強度和底板及加強筋板基本匹配，經檢驗合格后進行下一步工序。

3.2 光伏組件安裝準備

為了確保安裝工作的順利進行，選擇3～6名專業的安裝人員。每位安裝人員應配備一套安裝工具，包括萬用表、用于安裝地腳螺母的大活口扳手和小活口扳手、平口螺絲刀、三角鎖工裝、十字螺絲刀和尖嘴鉗等[6]。此外，還需要準備絕緣膠布和防水膠帶等輔助材料。在選擇拆裝地點時，應選擇距離安裝地點較近的位置，以便于在組裝完成后進行運輸。同時，為了防止地面凸起、細沙和污漬等對設備造成的磨損、劃傷和玷污等損害，應在拆裝地點鋪設防雨布。在安裝之前，應仔細核對組件的清點清單，確保各部件無磕碰、磨損、變形和劃傷等問題。如有不合格品，應禁止其安裝。

3.3 光伏組件的安裝

將光伏組件安裝在支撐結構上，包括將太陽能光伏板固定在支架上，并進行電纜連接和接線。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。再由逆變器進入到專業并網箱。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，現場安裝圖見圖1。安裝完成后對所有工作復檢，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。

4 光伏聲屏障的發電效率研究

4.1 依托項目

該項目依托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～K8+769.492第三聯，光伏聲屏障實施長度約為100 m，共計60塊光伏組件，總功率為16.8 kW，應用光伏總面積約為200 m2。

4.2 光伏聲屏障的發電仿真研究

項目使用GSA網站進行簡單的仿真，以估算在特定氣候條件下，光伏聲屏障的日發電量。充分考慮南京的氣候條件，包括降雨量、濕度、溫度等，系統仿真結果見表3，仿真所得該項目每kW系統在各月的平均發電量見圖2。

仿真結果顯示，夏季的發電量相較其他月份較低，秋季和冬季陽光更接近直射光伏板，輻照損失較水平更少。經計算日平均有效發電量為1.977×16.8=33.22 kWh，年總發電量為10.31 MWh。此外，在真實運行場景下，考慮高溫、陰影遮擋、運維、積灰、氣象等因素，一般光伏系統的能效系數為75%～90%，假設取系統較高值85%，因此該項目中平均日發電量預估28.24 kWh。其中8月份和9月份的日平均發電量預測分別為22.18 kWh和24.72 kWh。

4.3 光伏聲屏障的發電數據實測

2023年8月12日試驗段實施完成后，通過后臺平臺軟件對現場的發電數據進行了統計，項目統計了8月13日—9月15日的日發電量數據，見圖3和圖4。今年南京地區8月份天氣主要以陰雨為主，陰雨、多云天氣會導致發電量下降60%～80%，8月份累計發電量統計為290.98 kWh，日平均發電量為15.01 kWh。實測數據顯示9月日平均發電量較8月出現較為明顯的提升，且最大發電量9月達到了29 kWh，平均日發電量為24.96 kWh。基于仿真計算結果（24.72 kWh），實測數據與仿真值非常接近且略高，說明該項目中開發的光伏聲屏障性能優良且運行穩定。

5 總結

該項目研發的光伏聲屏障集光伏發電、聲學隔離和安裝方便于一體，并在聲屏障項目中得到應用。經過產品測試、理論計算和現場數據評估，該項目共安裝16.8 kW光伏系統，光伏產品性能優良，整個系統運行良好，在垂直安裝場景下平均日發電量約為28 kWh，實際運行中能效系數達到85%，超過預期模擬數據，具有廣闊的市場前景與推廣意義。

參考文獻

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