光伏聲屏障在城市快速路上應(yīng)用可行性分析

李洋洋

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

0 引言

2022 年1 月18 日，國務(wù)院下發(fā)《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，明確指出，鼓勵(lì)在交通樞紐場(chǎng)站以及公路、鐵路等沿線合理布局光伏發(fā)電及儲(chǔ)能設(shè)施[1]。同年，石家莊市人民政府國資委印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)市重點(diǎn)行業(yè)國有企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展做好碳達(dá)峰工作的實(shí)施方案》，要求推動(dòng)能源綠色智能開發(fā)和清潔低碳利用、新型電力系統(tǒng)等低碳前沿技術(shù)攻關(guān)，深入開展先進(jìn)儲(chǔ)能、高效光伏、現(xiàn)代化工等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)共性基礎(chǔ)技術(shù)、新型材料研發(fā)應(yīng)用。

光伏聲屏障是一種結(jié)合太陽能發(fā)電系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)的立于噪聲源和受聲點(diǎn)之間的聲學(xué)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(xué)裝置[2]。光伏聲屏障既能發(fā)揮聲屏障傳統(tǒng)功能，又能作為太陽能光伏發(fā)電裝置的載體，產(chǎn)生電能，建設(shè)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(yè)提早實(shí)現(xiàn)碳中和。光伏聲屏障代替?zhèn)鹘y(tǒng)聲屏障，充分利用了現(xiàn)有資源，不額外增加占地。光伏聲屏障可為交通系統(tǒng)的用電設(shè)備供電，做到自發(fā)自用。光伏聲屏障提高了可再生能源應(yīng)用比例，節(jié)約能源，減少不可再生能源的消耗。光伏聲屏障作為新技術(shù)應(yīng)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(qū)，自現(xiàn)狀槐安路主線橋西端起，對(duì)現(xiàn)狀橋局部頂升后，新建雙向6 車道連續(xù)高架，向西至鐵路東側(cè)落地。工程總長(zhǎng)約2.1 km，整體為東西走向。根據(jù)本工程《環(huán)境影響評(píng)估報(bào)告》，聲屏障長(zhǎng)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(jù)NASA 氣象研究所的氣象數(shù)據(jù)，項(xiàng)目所在地年均太陽輻射量為1565 kW·h/m2。根據(jù)《太陽能資源評(píng)估方法》（GB/T 37526—2019）[3]，該地區(qū)屬于Ⅱ類地區(qū)，太陽能資源很豐富，適合建設(shè)光伏設(shè)施。

2 建設(shè)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(guī)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(yōu)勢(shì)在于發(fā)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(yōu)勢(shì)在于外觀上更有創(chuàng)新，視覺上也有利于緩解行車司機(jī)疲勞，示意見圖1（b）。

光伏聲屏障有兩種工作方式，即離網(wǎng)系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)。離網(wǎng)系統(tǒng)是太陽能光伏板發(fā)電經(jīng)儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)換后，直接向交流負(fù)載供電。離網(wǎng)系統(tǒng)是自發(fā)自用，需要儲(chǔ)能，本方案使其僅滿足自身系統(tǒng)使用，以便減少儲(chǔ)能，降低成本。并網(wǎng)系統(tǒng)是太陽能光伏板發(fā)電經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸送至公共電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，需經(jīng)電力部門同意。并網(wǎng)系統(tǒng)是輸送電網(wǎng)，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(guī)組件和彩色組件兩種方案下，分別研究離網(wǎng)系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)、發(fā)電量、成本、效益等，以期得出結(jié)論。方案類型詳見表1。

表1 方案類型

2.2 電氣系統(tǒng)

光伏聲屏障兩種工作方式的電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)述如下。

2.2.1 離網(wǎng)系統(tǒng)

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

目前槐安路高架西延工程交流負(fù)載考慮為道路照明、監(jiān)控及景觀等用電設(shè)備。道路照明是夜晚用電，而光伏聲屏障是白晝發(fā)電，用電與發(fā)電時(shí)間交錯(cuò)，因此發(fā)電后需要儲(chǔ)能。離網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能數(shù)量是依據(jù)夜間用電量而配置的光伏裝機(jī)容量，電池備電天數(shù)為一日，即當(dāng)日光伏發(fā)電基本滿足夜間用電設(shè)備（用電總功率100 kW、用電時(shí)長(zhǎng)11 h）。

本工程兩處新建箱變旁各新增一套光儲(chǔ)一體機(jī)作為光伏聲屏障所產(chǎn)生電能的儲(chǔ)存設(shè)備，與原工程中市政電源形成雙電源結(jié)合使用。

光儲(chǔ)一體機(jī)提供的低壓電源作為主用電源供道路照明、監(jiān)控及景觀等用電設(shè)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(shí)作為補(bǔ)充。

2.2.2 并網(wǎng)系統(tǒng)

太陽能光伏板，由導(dǎo)線連接經(jīng)防反充二極管，經(jīng)并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并輸送至公共電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電[4]。

2.3 聲學(xué)性能

光伏聲屏障不應(yīng)降低原聲屏障的聲學(xué)性能，本方案所使用產(chǎn)品廠家提供了合格檢測(cè)報(bào)告。

2.4 通透光照性能

快速路沿線有居住小區(qū)或者商業(yè)辦公樓等，光伏聲屏障不應(yīng)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(chǎn)品廠家提供了合格檢測(cè)報(bào)告。

2.5 結(jié)構(gòu)性能

光伏聲屏障應(yīng)結(jié)構(gòu)可靠、安全耐用，本方案所使用產(chǎn)品廠家提供了合格檢測(cè)報(bào)告。

2.6 全壽命周期成本

根據(jù)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(xì)

從表2 可知，彩色組件全壽命周期成本普遍高于常規(guī)組件。離網(wǎng)系統(tǒng)下，彩色組件比常規(guī)組件高138 萬元；并網(wǎng)系統(tǒng)下，彩色組件比常規(guī)組件高325 萬元。

無論是常規(guī)組件，還是彩色組件，離網(wǎng)系統(tǒng)因電氣設(shè)備（主要是儲(chǔ)能裝置）成本較高，全壽命周期成本較高。常規(guī)組件與彩色組件的維護(hù)成本相差不大。

3 效益分析

3.1 直接效益

根據(jù)方案路線，槐安路高架西延工程光伏聲屏障發(fā)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(jì)算直接效益時(shí)按增量成本計(jì)算分析。

表3 光伏聲屏障發(fā)電量及收益情況

從表3 可知，無論是常規(guī)組件，還是彩色組件，離網(wǎng)系統(tǒng)增量成本與25 a 收益相比，高1000 萬元以上。如無其他補(bǔ)貼，認(rèn)為離網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)上不可行。

常規(guī)組件并網(wǎng)系統(tǒng)增量成本比25 a 收益低125 萬元，收益率26%；彩色組件并網(wǎng)系統(tǒng)增量成本比25 a 收益高262 萬元，收益率-33%。如無其他補(bǔ)貼，認(rèn)為彩色組件并網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)上不可行，常規(guī)組件并網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)上可行。

3.2 間接效益

光伏聲屏障使用清潔能源發(fā)電，產(chǎn)生一定的社會(huì)效益。

（1）節(jié)能減排，改善環(huán)境。光伏發(fā)電低碳環(huán)保，無噪聲，無污染，減少CO2、SO2等污染物排放（指標(biāo)見表4）。

表4 25 a 全壽命周期碳排放指標(biāo)

（2）低碳環(huán)保，提升社會(huì)形象。項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保、供電可靠的綠色光伏能源供應(yīng)機(jī)制，在建設(shè)人與自然和諧發(fā)展等方面具有良好的社會(huì)效益和示范效益。

（3）積極響應(yīng)國家政策，促進(jìn)分布式光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國家和多個(gè)地方政府發(fā)布“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃，積極推進(jìn)分布式光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，響應(yīng)國家號(hào)召，為國家電力事業(yè)做積極貢獻(xiàn)。

4 結(jié) 論

（1）在儲(chǔ)能裝置成本無法顯著降低的條件下，光伏聲屏障使用離網(wǎng)系統(tǒng)供照明用電經(jīng)濟(jì)上不可行。

（2）彩色組件光伏聲屏障影響發(fā)電效率，同時(shí)成本較高，經(jīng)濟(jì)上不可行。

（3）常規(guī)組件光伏聲屏障并網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)上可行，同時(shí)具有一定的社會(huì)效益。并網(wǎng)另需與電力部門溝通。