基于新型光伏声屏障的发电效率探究

顾建波

摘要 在国家大力支持光伏发电的大背景下，提出了一种新型的光伏声屏障在公路工程发展领域的思路和方向。该新型声屏障结合太阳能光伏系统，通过分析其性能和优势，设计了光伏组件，形成了相应的安装工艺。为了进一步验证光伏产品的性能，文章使用GSA网站进行仿真，预测其日平均发电量并与实际发电量比对，验证光伏产品的优良性能。该新型光伏声屏障可以推动公路工程领域的发展，具有较好的应用前景。

关键词 光伏声屏障；安装工艺；发电量

中图分类号 TM615文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0092-04

0 引言

由于过度依赖化石能源，我国的二氧化碳及二氧化碳排放量位居世界前列，这严重影响了绿色低碳化进程。在这个背景下，作为清洁能源的电能（光伏发电）被视为减少环境污染的有效途径。光伏发电不仅能够有效地减少温室气体的排放，还能促进能源供给结构的优化，实现经济和生态效益的统一。

随着光伏发电技术的不断发展，多技术融合为公路工程带来了新的活力。声屏障技术与光伏技术的融合，可以实现降噪及发电的双重作用。通过这种方式，公路工程不仅减少了噪音污染，而且通过发电回馈给电网，为城市提供充足的电力供应。此外，这种技术还可以将产生的电能直接用于照明或反馈给电网，具有良好的节能环保效益。

1 光伏声屏障性能及优势

1.1 光伏声屏障的性能分析

光伏声屏障是将光伏系统和声学系统相结合，旨在降低交通噪音同时产生电能。这是当前一种非常常见的光伏与交通相结合的应用模式，也是最早提出且已实现较大规模工程应用的光伏道路一体化技术，其兼具了声学和发电的功能。

1.1.1 声学性能

光伏声屏障是一种特殊的声屏障，在保证原有声学降噪功能的条件下融入光伏技术，借助4～7 mm厚太阳能电池板取代原有0.9～1.2 mm的降噪板材，实现吸音效果及隔离透射声的能力[1]。当声波遇到光伏声屏蔽时，一部分声波在接触面上反射；一部分声波越过声屏蔽结构；一部分声波穿透屏蔽结构。光伏声屏蔽结构通过限制声波的传播、减弱反射声波及隔断透射声波来到达声屏蔽的效果。

1.1.2 发电功能

光伏发电是一种利用太阳能电池半导体材料产生光电效应进行发电的系统。当光子照射到金属表面时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，使电子克服内部引力做功，从金属表面逃逸出来，成为光电子[2]。这些光电子可以被收集并用于产生电能。光伏发电的基本原理就是利用这种光电效应，通过半导体材料的光电效应将光子转化为电子，从而将光能转化为电能。这种发电系统具有清洁、可再生、分布广泛等优点，是能源发展的重要方向之一。

1.2 光伏声屏障的优点

光伏声屏障一般在城市高架、高速道路上应用，利用两侧的隔离屏障空间来安装光伏系统，与建筑光伏一体化的方式相似。具有以下优点：①不额外占用土地面积，节约了有限的土地资源；②具有安全可靠的吸隔声降噪效果，维护成本相对较低；③光伏成本近年来持续下降，可一体化预制，施工快捷简单；④双面光伏技术可增加发电量，进一步降低成本。这些优点使得光伏声屏障成为一种具有竞争力的交通噪声治理和可再生能源利用解决方案。

该项目所研发的新型双面光伏声屏障，具有独特的复合中空结构与光伏隔声屏体有机结合，构成一体化声屏障，在上面优势的基础上进一步增加了30%的发电量；提高发电效率，减少光污染，有效节约资源；兼具吸声、隔声特点，声屏障顶部设置了吸声桶，底部设置了泡沫吸音材料，在保证基本隔声效果的同时减少反射声的产生，相比普通声屏障可以进一步降低噪音3～5 dB。

2 光伏声屏障的光伏组件设计研究

2.1 太阳能电池片比选

目前市面上常见的光伏组件主要包括三类：晶体类、薄膜类和新型光伏组件。单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、非晶硅薄膜光伏组件、镉薄膜光伏组件以及铜铟镓硒薄膜光伏组件是已实现商业化应用的光伏组件[3]。该项目将对不同电池片的效率、生产规模、环境问题、储存、成本等方面进行比选，如表1所示，最终确定电池片的选型。

随着科技的不断进步和制造成本的持续下降，单晶硅太阳能电池组件与多晶硅电池组件的价格差距正在逐渐缩小。然而，考虑单晶硅电池组件具有诸多优点，如转化效率高、节约集约利用土地、扩大实际装机规模、良好的弱光性等，这些优点使得单晶硅电池组件在市场上仍然具有显著的优势。为积极响应国家能源局、工业和信息化部、国家认监委联合发布的《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》鼓励使用先进技术产品的政策，该项目最终决定选用单晶硅太阳能电池片，不仅符合政策导向，也符合提高光伏发电系统的效率和降低成本的长期目标。

2.2 光伏组件生产工艺比选

目前光伏组件生产工艺主要包括半片技术、多主栅（MBB）技术、叠瓦技术和双面技术[4]，这些工艺都能有效提高太阳能电池板将光能转化为电能的能力或延长其使用寿命。

半片技术的原理是将一块太陽能电池片切割成两半，然后分别封装在两个玻璃腔内，通过半片技术可以增加光线的利用率，提高光电转换效率。该技术有效降低了光伏组件产生热斑的概率，并减少由于组件升温带来的功率损耗。

MBB技术通过在太阳能电池片上增加更多的金属栅线（一般≥6根），可以提高电流密度，提高其长期发电性能和机械性能，从而增强光伏组件的稳定性。

叠瓦技术是一种将太阳能电池片和封装玻璃交替叠层排列的技术，无焊带，采用叠瓦技术的光伏组件抗热斑、抗裂性能优异，但其产量相对较低，同时成本也较高。

双面技术是指太阳能电池片的正面和反面都可以接收光线，通过在光伏组件背面采用金属浆料印刷细栅格，使光伏组件背面由全金属层覆盖改为局部金属层覆盖。当太阳光照射到双面光伏组件上时，一部分光会被周边环境反射到组件背面，这些光可以被双面光伏组件所吸收，从而提高组件的光电性能，增加光线的利用率，增加光伏组件的发电量。

对比单面与双面太阳能电池每天发电量的数据，在垂直安装的条件下，东西面每日有两个发电高峰期，较单面发电技术每日增加8.4%的发电量，东西面比南北面每日增加10%～15%发电量。因此，该项目选择双面技术进行光伏组件的生产。

2.3 光伏组件的力学性能试验

光伏组件应具有一定的强度，为防止在运营过程中被飞石等杂物击碎表面造成破坏，该项目根据《建筑用安全玻璃 第3部分：夹层玻璃》（GB15763.3—2009）中7.11和7.12节的要求，对封装好的光伏组件展开霰弹袋冲击和落球冲击两项试验，对其强度进行评价。如表2所示，试验结果可以看出，光伏组件具有较高强度，在落球试验和霰弹袋试验过程中，中间层均无断裂，无碎片剥离，表明其可以有效抵御汽车行驶导致飞石等杂物的损害。

3 光伏声屏障安装工艺研究

3.1 钢结构部分施工

基于上述设计方案，在工厂进行了样品制作与相关检测，并在现场进行了施工安装。光伏声屏障的钢结构部分，如立柱、盖板等部位的安装和普通声屏障基本保持一致，其中立柱需选择国家标准的型钢[5]，且H型钢立柱的焊接强度和底板及加强筋板基本匹配，经检验合格后进行下一步工序。

3.2 光伏组件安装准备

为了确保安装工作的顺利进行，选择3～6名专业的安装人员。每位安装人员应配备一套安装工具，包括万用表、用于安装地脚螺母的大活口扳手和小活口扳手、平口螺丝刀、三角锁工装、十字螺丝刀和尖嘴钳等[6]。此外，还需要准备绝缘胶布和防水胶带等辅助材料。在选择拆装地点时，应选择距离安装地点较近的位置，以便于在组装完成后进行运输。同时，为了防止地面凸起、细沙和污渍等对设备造成的磨损、划伤和玷污等损害，应在拆装地点铺设防雨布。在安装之前，应仔细核对组件的清点清单，确保各部件无磕碰、磨损、变形和划伤等问题。如有不合格品，应禁止其安装。

3.3 光伏组件的安装

将光伏组件安装在支撑结构上，包括将太阳能光伏板固定在支架上，并进行电缆连接和接线。现场50块太阳能发电组件形成一个组串，每块组件与组件之间通过正负极相插形成一个组串，串联至逆变器。再由逆变器进入到专业并网箱。直流侧走线位置位于隔音屏障上端采用穿管的方式走线用線卡固定，现场安装图见图1。安装完成后对所有工作复检，检查立柱底板螺丝是否打紧、组件之间接线是否松动、逆变器接线处是否松动、逆变器安装是否牢固。

4 光伏声屏障的发电效率研究

4.1 依托项目

该项目依托G328宁扬交界至龙池互通段改扩建工程，进行了光伏声屏障的现场实施，实施路段为K8+646.492～K8+769.492第三联，光伏声屏障实施长度约为100 m，共计60块光伏组件，总功率为16.8 kW，应用光伏总面积约为200 m2。

4.2 光伏声屏障的发电仿真研究

项目使用GSA网站进行简单的仿真，以估算在特定气候条件下，光伏声屏障的日发电量。充分考虑南京的气候条件，包括降雨量、湿度、温度等，系统仿真结果见表3，仿真所得该项目每kW系统在各月的平均发电量见图2。

仿真结果显示，夏季的发电量相较其他月份较低，秋季和冬季阳光更接近直射光伏板，辐照损失较水平更少。经计算日平均有效发电量为1.977×16.8=33.22 kWh，年总发电量为10.31 MWh。此外，在真实运行场景下，考虑高温、阴影遮挡、运维、积灰、气象等因素，一般光伏系统的能效系数为75%～90%，假设取系统较高值85%，因此该项目中平均日发电量预估28.24 kWh。其中8月份和9月份的日平均发电量预测分别为22.18 kWh和24.72 kWh。

4.3 光伏声屏障的发电数据实测

2023年8月12日试验段实施完成后，通过后台平台软件对现场的发电数据进行了统计，项目统计了8月13日—9月15日的日发电量数据，见图3和图4。今年南京地区8月份天气主要以阴雨为主，阴雨、多云天气会导致发电量下降60%～80%，8月份累计发电量统计为290.98 kWh，日平均发电量为15.01 kWh。实测数据显示9月日平均发电量较8月出现较为明显的提升，且最大发电量9月达到了29 kWh，平均日发电量为24.96 kWh。基于仿真计算结果（24.72 kWh），实测数据与仿真值非常接近且略高，说明该项目中开发的光伏声屏障性能优良且运行稳定。

5 总结

该项目研发的光伏声屏障集光伏发电、声学隔离和安装方便于一体，并在声屏障项目中得到应用。经过产品测试、理论计算和现场数据评估，该项目共安装16.8 kW光伏系统，光伏产品性能优良，整个系统运行良好，在垂直安装场景下平均日发电量约为28 kWh，实际运行中能效系数达到85%，超过预期模拟数据，具有广阔的市场前景与推广意义。

参考文献

[1]王昱婷. 太阳能声屏障的性能及应用分析[J]. 机电信息， 2020（5）： 30-31.

[2]郭九龙. “双碳”目标下绿色电力发展的思考[J]. 呼伦贝尔学院学报， 2022（4）： 117-120.

[3]蔡高原. 光伏组件技术现状及选型分析[J]. 河南科技， 2022（23）： 44-48.

[4]王韶纤， 贺广零， 胡海罗， 等. 高性能单晶硅光伏组件选型研究[J]. 太阳能， 2022（9）： 36-47.

[5]栾长生. PC耐力板声屏障在承唐高速公路中的应用[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2013（9）： 286-288.

[6]杨福勇. 太阳能光伏发电系统的设计与施工[J]. 光源与照明， 2022（1）： 146-148.