光伏道路隔音屏障的研究進展

摘 要：近年來，太陽能資源的高效利用倍受關(guān)注，使光伏發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展。傳統(tǒng)的光伏電站需要占用大量土地，難以用于人口稠密地區(qū)。中國的道路網(wǎng)絡(luò)密集，利用道路隔音屏障結(jié)合光伏發(fā)電技術(shù)可增加光伏發(fā)電安裝面積，并就近為城市居民提供清潔電力。介紹了國內(nèi)外光伏道路隔音屏障研究的最新進展，以及其發(fā)電量評估研究方法與實際案例，探討了光伏道路隔音屏障和非常規(guī)能源耦合利用的可能性，并從投資收益、安全、城市道路景觀美學(xué)3方面提出光伏道路隔音屏障研究與應(yīng)用的優(yōu)化方向。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；道路隔音屏障；研究進展

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

在“雙碳”目標的指引下，光伏發(fā)電技術(shù)因能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能的高效利用而備受關(guān)注。2022年，全球新增可再生能源裝機容量達348 GW，其中光伏發(fā)電新增裝機容量達到243 GW[1]。然而，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能加速擴張，2012—2022年，全球光伏發(fā)電產(chǎn)品的利用率由約60%下降至40%以下，因此需要在建成環(huán)境中加快光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的部署[2]。

傳統(tǒng)光伏電站的建設(shè)需占用大量土地，有限的可利用土地空間制約了光伏發(fā)電的發(fā)展，因此需要開發(fā)“光伏+”應(yīng)用形式，而中國密集的道路網(wǎng)絡(luò)為光伏發(fā)電提供了新的可能性。截至2020年底，中國公路通車總里程達519.81萬km[3]。作為至關(guān)重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，道路在支持交通服務(wù)的同時，其建設(shè)和維護也消耗了大量能源。為減少交通噪聲對周圍環(huán)境的影響，通常會在道路兩側(cè)加裝隔音屏障，道路隔音屏障暴露于強烈的太陽輻射下，且其垂直安裝的方式僅占用少量土地，因此，將其與光伏發(fā)電技術(shù)結(jié)合，不僅可擴大光伏發(fā)電安裝面積，還可為城市居民就近提供清潔電力[4-5]。

光伏道路隔音屏障是將道路隔音屏障和光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，利用光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種應(yīng)用形式。光伏道路隔音屏障可減少光伏電站對土地的占用，發(fā)電過程安全清潔，且維護、管理成本低[6]。自20世紀70年代以來，丹麥、法國、瑞典和瑞士等國家就開展了光伏道路隔音屏障的工程試點，驗證了其可以滿足噪聲衰減要求（即隔聲要求）[7-10]。本文介紹了光伏道路隔音屏障最新研究進展，并提出其未來的研究和應(yīng)用方向。

1" 光伏道路隔音屏障

1.1" 安裝方式

光伏組件與道路隔音屏障的結(jié)合方式多樣，如圖1所示，光伏組件可以安裝在隔音屏障上（即附加設(shè)計式），或集成安裝于隔音屏障表面（即集成設(shè)計式）[11]。

從生產(chǎn)角度出發(fā)，集成設(shè)計式結(jié)合方式是在新建道路隔音屏障時直接將光伏組件集成到隔音屏障中，實現(xiàn)一體化生產(chǎn)；附加設(shè)計式結(jié)合方式是將光伏組件附加到現(xiàn)有的隔音屏障上[12]，通過工程改造實現(xiàn)升級。

集成設(shè)計式結(jié)合方式更適用于新建的光伏道路隔音屏障，包括盒式設(shè)計、鋸齒形設(shè)計和全集成設(shè)計（包括單面光伏集成和雙面光伏集成）。盒式設(shè)計能夠最大化地利用太陽直射輻射，但當中午太陽高度角較大時，安裝在屏障上部的光伏組件可能會對下部光伏組件造成陰影遮擋；鋸齒形設(shè)計采用光伏組件覆蓋部分隔音屏障的方式，有助于避免自身陰影問題；全集成設(shè)計是指用光伏組件取代傳統(tǒng)的隔音屏障，這種設(shè)計對光伏組件的強度有更高的要求。

頂部安裝式結(jié)合方式更適用于改造類項目，利用現(xiàn)有的道路隔音屏障作為支撐結(jié)構(gòu)，以較低的成本增加光伏發(fā)電的安裝面積。此類結(jié)合方式可避免隔音屏障自身陰影投射在光伏組件上，影響光伏組件發(fā)電效率。為增加太陽輻射量、提高光伏組件發(fā)電效率、防止積雪覆蓋影響發(fā)電，可根據(jù)需要確定光伏組件安裝傾角。

1.2" 光伏組件類型

目前，針對光伏道路隔音屏障的研究與應(yīng)用中晶硅光伏組件占據(jù)主導(dǎo)地位，主要原因在于晶硅光伏組件具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率和更佳的耐久性。雙面光伏組件的正反兩面皆可發(fā)電，這種形式可在有限的安裝面積上實現(xiàn)更高的發(fā)電效率[13]，與單面光伏組件相比，雙面光伏組件組成的光伏道路隔音屏障可帶來更大的發(fā)電量和更佳的經(jīng)濟效益，投資回收期可能更短。

通常用雙面發(fā)電量增益Gb來表示雙面光伏組件相對于單面光伏組件的優(yōu)勢發(fā)電效益，其計算式為：

Gb=" YB–YM" " ·100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

YM

式中：YB為雙面光伏組件的發(fā)電量；YM為單面光伏組件的發(fā)電量。

1.3" 優(yōu)化設(shè)計

國內(nèi)外學(xué)者針對光伏道路隔音屏障的優(yōu)化設(shè)計開展了大量實驗與仿真模擬研究，以優(yōu)化其聲學(xué)性能和發(fā)電性能。

Hasmaden等[14]提出了兩段傾斜式光伏道路隔音屏障集成優(yōu)化設(shè)計方法，兼顧了隔音效果與光伏組件發(fā)電效率，其設(shè)計示意圖具體如圖2[14]所示。圖中：l、d分別為上側(cè)、下側(cè)光伏組件的寬度；α、β分別為上側(cè)、下側(cè)光伏組件安裝傾角。

兩段傾斜式光伏道路隔音屏障集成優(yōu)化設(shè)計方法是利用PVsyst 6.7.7軟件計算光伏道路隔音屏障的發(fā)電量，利用Sound PLAN 7.2軟件計算結(jié)構(gòu)噪聲控制效率，并基于TOPSIS方法尋找最優(yōu)方案。當下側(cè)光伏組件寬度為3 m、其安裝傾角為58°，且上側(cè)光伏組件寬度為2 m、其安裝傾角為31°時為最優(yōu)方案。

Vallati等[15]針對光伏道路隔音屏障的形狀對隔音和發(fā)電性能的影響開展了實驗測試，5種聲學(xué)性能實驗設(shè)計方案示意圖如圖3[15]所示。根據(jù)5種不同隔音屏障設(shè)計的測試數(shù)據(jù)可知，頂部屏蔽單元為T型配置（圖3中的案例B）和頂部屏蔽單元與垂直方向傾斜60°（圖3中的案例A）的設(shè)計方案表現(xiàn)最佳。值得注意的是，優(yōu)化結(jié)果與光伏道路隔音屏障的安裝位置及朝向相關(guān)，不同的光伏道路隔音屏障項目應(yīng)結(jié)合其實際條件進行評估與優(yōu)化。

1.4" 經(jīng)濟性評估

光伏道路隔音屏障的建設(shè)成本高于普通道路隔音屏障，其經(jīng)濟可行性取決于光伏組件的價格、電價和政府對可再生能源的激勵措施[16]。在美國，各州設(shè)有可再生能源信貸計劃和凈計量政策，以激勵可再生能源利用，例如：太陽能投資稅收抵免（ITC）為太陽能地產(chǎn)領(lǐng)域的住宅、商業(yè)和公用事業(yè)投資者提供了30%的稅收抵免[17]。近年來，中國的光伏發(fā)電項目的投資成本持續(xù)下降，2020年光伏發(fā)電成本比2010年降低了約60%[18]，使項目的投資回收期縮短，并在投資回收期結(jié)束后為投資者提供額外利潤。此外，Ellen等[19]主張將光伏道路隔音屏障所帶來的環(huán)保與生態(tài)效益貨幣化，以此全面估量光伏道路隔音屏障的經(jīng)濟回報率。

2" 光伏發(fā)電量評估

在光伏道路隔音屏障項目中，地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)可用于收集和分析太陽輻射量、土地可用性、建筑陰影遮擋等數(shù)據(jù)，從而全面評估光伏發(fā)電潛力和經(jīng)濟可行性。Wadhawan等[11]提出基于GIS的光伏道路隔音屏障的光伏發(fā)電量估算方法，可用于評估城市或國家范圍內(nèi)的光伏道路隔音屏障的發(fā)電潛力。該估算方法的具體步驟為：確定用于安裝光伏組件的現(xiàn)有道路隔音屏障的位置和尺寸數(shù)據(jù)，使用Google Earth對這些位置數(shù)據(jù)進行標記和分類，然后使用DNR Garmin軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成“形狀文件”；利用QGIS軟件計算每個位置的太陽總輻射量，并將道路隔音屏障位置、路線圖和太陽總輻射量數(shù)據(jù)進行疊加，具體如圖4所示。研究人員采用該方法估算了加利福尼亞州可安裝光伏道路隔音屏障的道路全年總發(fā)電量潛力，并將結(jié)果外推到整個美國。結(jié)果表明：美國的光伏道路隔音屏障總發(fā)電功率潛力在7～9 GW之間，足以為美國5萬多個家庭提供電力。

近年來，機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的發(fā)展使光伏發(fā)電潛力評估的效率與準確性迅速提高[20]。Zhong等[21]提出一種融合深度學(xué)習(xí)的光伏道路隔音屏障發(fā)電潛力評估框架，利用自定義數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的YOLO v3模型，從大量的街景圖像數(shù)據(jù)集中識別出包含道路隔音屏障的街景圖像，可以確定現(xiàn)有的道路隔音屏障的位置；同時，根據(jù)城市規(guī)劃相關(guān)政策，確定預(yù)計安裝光伏道路隔音屏障的位置。以南京市為例，2019年已有的光伏道路隔音屏障裝機容量為14.26 MW，規(guī)劃安裝的光伏道路隔音屏障裝機容量為57.24 MW，計算得出二者相應(yīng)的年發(fā)電量分別為4662 MWh和18088 MWh。

3" 多種能源耦合利用

光伏發(fā)電技術(shù)與其他形式的非常規(guī)能源或可再生能源的耦合利用是一個值得關(guān)注的研究方向。目前，已有學(xué)者針對道路隔音屏障的聲能發(fā)電技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)開展研究，在未來，這兩項技術(shù)有望與光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，提升光伏道路隔音屏障的能源利用效率。

3.1" 道路隔音屏障與聲能發(fā)電技術(shù)結(jié)合

聲能發(fā)電技術(shù)是通過換能器實現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)換。道路交通噪聲本質(zhì)上是一種能量，而且是一種可以被收集用于發(fā)電的非常規(guī)能源。Wang等[22]研究了一種新型隔音屏障，由4部分組成：噪聲收集輸入模塊、聲壓放大模塊、電力生成模塊和儲能模塊，利用赫姆霍茲諧振器（HR）和聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜來收集和轉(zhuǎn)換聲能，以實現(xiàn)降噪和發(fā)電。PVDF材料具有柔性、低密度、低阻抗和高電壓電常數(shù)等優(yōu)異的性能，該研究所用PVDF薄膜的物理特性參數(shù)如表1所示。研究結(jié)果顯示：該隔音屏障在110 dB的入射聲壓級下能夠產(chǎn)生的瞬時最大輸出電壓為74.6 mV，輸出功率為1.24 μW。

未來，在交通流量大、噪聲大的區(qū)域，有望利用此類隔音屏障采集噪聲發(fā)電，并結(jié)合光伏發(fā)電技術(shù)增加電力輸出。

3.2" 道路隔音屏障與風(fēng)電結(jié)合

風(fēng)力發(fā)電機可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。光伏道路隔音屏障與風(fēng)電的耦合利用可以平衡光伏發(fā)電的時空不穩(wěn)定性。Chrysochoidis-Antsos等[23]研究了隔音屏障頂部的風(fēng)速、流入角度和湍流強度，從而模擬計算安裝在隔音屏障頂部的微型風(fēng)力發(fā)電機的年發(fā)電量。微型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)組件較少、運行噪音較小、維護相對容易，更加適用于隔音屏障發(fā)電。

4" 研究展望

既有研究表明，光伏道路隔音屏障是在建成環(huán)境中大規(guī)模利用太陽能資源的有效手段。深入開展光伏道路隔音屏障研究，可促進太陽能資源的高效利用、提高光伏道路隔音屏障的投資收益、實現(xiàn)光伏道路隔音屏障的安全耐久性，并兼顧城市道路景觀的美學(xué)考量。

4.1" 投資收益

光伏道路隔音屏障的設(shè)計需充分評估太陽輻射資源及周圍環(huán)境因素，例如：附近建筑陰影、樹木陰影遮擋。選擇光伏發(fā)電潛力較大路段安裝光伏道路隔音屏障，從而提高經(jīng)濟效益，縮短項目的投資回收期。同時，可沿路建設(shè)充電站點，直接利用光伏道路隔音屏障所發(fā)電能為電動車充電，既可以滿足市民的充電需求，又可以減少傳輸過程中的電能損失，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

4.2" 安全問題

光伏道路隔音屏障的設(shè)計應(yīng)充分考慮道路交通安全問題。相關(guān)研究表明，若光伏道路隔音屏障中的光伏玻璃面層處理不當，會反射高強度的太陽輻射導(dǎo)致眩光，影響司機視線，甚至造成交通事故。因此，未來的研究需要關(guān)注光伏道路隔音屏障中光伏組件的表面材料，提高對太陽光線的吸收率并降低反射率，合理設(shè)計反射角度，避免在司機視線范圍內(nèi)形成高亮眩光。

4.3" 城市道路景觀的美學(xué)考量

光伏道路隔音屏障的安裝量大、面積范圍廣，安裝時需評估其對城市道路景觀的影響。未來研究可開展主客觀調(diào)查研究，評估城市居民對于光伏道路隔音屏障的外觀審美接受度，確保其外觀設(shè)計與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，避免突兀。通過美學(xué)設(shè)計，提升光伏道路隔音屏障作為城市道路景觀元素的價值，使其成為城市美化的一部分。

5" 結(jié)論

本文介紹了國內(nèi)外光伏道路隔音屏障研究的最新進展，總結(jié)了當前的光伏道路隔音屏障發(fā)電量評估研究方法與實際案例，探討了光伏道路隔音屏障與非常規(guī)能源耦合利用可能性，并從投資收益、安全、城市道路景觀美學(xué)3方面提出光伏道路隔音屏障未來研究與優(yōu)化方向，以期促進太陽能資源的高效利用。

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RESEARCH PROGRESS OF PV ROAD NOISE BARRIERS

Li Chunying1，2，Xie Jixing1，2，Tang Haida1，2，Li Cuimin3，Zhu Xiaojiao4，Lyu Yuanli5

（1. School of Architecture amp; Urban Planning，Shenzhen University，Shenzhen 518000，China；

2. Shenzhen Key Laboratory of Architecture for Health amp; Well-being （in preparation），Shenzhen 518000，China；

3. School of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，China；

4. China Academy of building Research，Beijing 100013，China；

5. School of architecture and civil engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

Abstract：In recent years，the efficient utilization of solar energy resources has attracted much attention，and PV power generation technology has developed rapidly. Traditional PV power stations require a large amount of land，making it difficult to use them in densely populated areas. China has a dense road network，and combining road noise barriers with PV power generation technology can increase the installation area for PV power generation and provide clean electricity to urban residents nearby. This paper introduces the latest progress in research on PV road noise barriers at home and abroad，as well as research methods for evaluating their power generation and actual cases，and discusses the possibility of coupling PV road noise barriers with unconventional energy，proposes the optimized direction of research and application of PV road noise barriers from three aspects： investment returns，safety，and urban road landscape aesthetics.

Keywords：PV power generation；road noise barriers；research progress