基于新型光伏聲屏障的發(fā)電效率探究

顧建波

摘要 在國(guó)家大力支持光伏發(fā)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(fā)展領(lǐng)域的思路和方向。該新型聲屏障結(jié)合太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，通過(guò)分析其性能和優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了光伏組件，形成了相應(yīng)的安裝工藝。為了進(jìn)一步驗(yàn)證光伏產(chǎn)品的性能，文章使用GSA網(wǎng)站進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)其日平均發(fā)電量并與實(shí)際發(fā)電量比對(duì)，驗(yàn)證光伏產(chǎn)品的優(yōu)良性能。該新型光伏聲屏障可以推動(dòng)公路工程領(lǐng)域的發(fā)展，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 光伏聲屏障；安裝工藝；發(fā)電量

中圖分類(lèi)號(hào) TM615文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）24-0092-04

0 引言

由于過(guò)度依賴(lài)化石能源，我國(guó)的二氧化碳及二氧化碳排放量位居世界前列，這嚴(yán)重影響了綠色低碳化進(jìn)程。在這個(gè)背景下，作為清潔能源的電能（光伏發(fā)電）被視為減少環(huán)境污染的有效途徑。光伏發(fā)電不僅能夠有效地減少溫室氣體的排放，還能促進(jìn)能源供給結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益的統(tǒng)一。

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，多技術(shù)融合為公路工程帶來(lái)了新的活力。聲屏障技術(shù)與光伏技術(shù)的融合，可以實(shí)現(xiàn)降噪及發(fā)電的雙重作用。通過(guò)這種方式，公路工程不僅減少了噪音污染，而且通過(guò)發(fā)電回饋給電網(wǎng)，為城市提供充足的電力供應(yīng)。此外，這種技術(shù)還可以將產(chǎn)生的電能直接用于照明或反饋給電網(wǎng)，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益。

1 光伏聲屏障性能及優(yōu)勢(shì)

1.1 光伏聲屏障的性能分析

光伏聲屏障是將光伏系統(tǒng)和聲學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，旨在降低交通噪音同時(shí)產(chǎn)生電能。這是當(dāng)前一種非常常見(jiàn)的光伏與交通相結(jié)合的應(yīng)用模式，也是最早提出且已實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模工程應(yīng)用的光伏道路一體化技術(shù)，其兼具了聲學(xué)和發(fā)電的功能。

1.1.1 聲學(xué)性能

光伏聲屏障是一種特殊的聲屏障，在保證原有聲學(xué)降噪功能的條件下融入光伏技術(shù)，借助4～7 mm厚太陽(yáng)能電池板取代原有0.9～1.2 mm的降噪板材，實(shí)現(xiàn)吸音效果及隔離透射聲的能力[1]。當(dāng)聲波遇到光伏聲屏蔽時(shí)，一部分聲波在接觸面上反射；一部分聲波越過(guò)聲屏蔽結(jié)構(gòu)；一部分聲波穿透屏蔽結(jié)構(gòu)。光伏聲屏蔽結(jié)構(gòu)通過(guò)限制聲波的傳播、減弱反射聲波及隔斷透射聲波來(lái)到達(dá)聲屏蔽的效果。

1.1.2 發(fā)電功能

光伏發(fā)電是一種利用太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體材料產(chǎn)生光電效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)。當(dāng)光子照射到金屬表面時(shí)，它的能量可以被金屬中某個(gè)電子全部吸收，使電子克服內(nèi)部引力做功，從金屬表面逃逸出來(lái)，成為光電子[2]。這些光電子可以被收集并用于產(chǎn)生電能。光伏發(fā)電的基本原理就是利用這種光電效應(yīng)，通過(guò)半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)將光子轉(zhuǎn)化為電子，從而將光能轉(zhuǎn)化為電能。這種發(fā)電系統(tǒng)具有清潔、可再生、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是能源發(fā)展的重要方向之一。

1.2 光伏聲屏障的優(yōu)點(diǎn)

光伏聲屏障一般在城市高架、高速道路上應(yīng)用，利用兩側(cè)的隔離屏障空間來(lái)安裝光伏系統(tǒng)，與建筑光伏一體化的方式相似。具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不額外占用土地面積，節(jié)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(hù)成本相對(duì)較低；③光伏成本近年來(lái)持續(xù)下降，可一體化預(yù)制，施工快捷簡(jiǎn)單；④雙面光伏技術(shù)可增加發(fā)電量，進(jìn)一步降低成本。這些優(yōu)點(diǎn)使得光伏聲屏障成為一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的交通噪聲治理和可再生能源利用解決方案。

該項(xiàng)目所研發(fā)的新型雙面光伏聲屏障，具有獨(dú)特的復(fù)合中空結(jié)構(gòu)與光伏隔聲屏體有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成一體化聲屏障，在上面優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加了30%的發(fā)電量；提高發(fā)電效率，減少光污染，有效節(jié)約資源；兼具吸聲、隔聲特點(diǎn)，聲屏障頂部設(shè)置了吸聲桶，底部設(shè)置了泡沫吸音材料，在保證基本隔聲效果的同時(shí)減少反射聲的產(chǎn)生，相比普通聲屏障可以進(jìn)一步降低噪音3～5 dB。

2 光伏聲屏障的光伏組件設(shè)計(jì)研究

2.1 太陽(yáng)能電池片比選

目前市面上常見(jiàn)的光伏組件主要包括三類(lèi)：晶體類(lèi)、薄膜類(lèi)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的光伏組件[3]。該項(xiàng)目將對(duì)不同電池片的效率、生產(chǎn)規(guī)模、環(huán)境問(wèn)題、儲(chǔ)存、成本等方面進(jìn)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(jìn)步和制造成本的持續(xù)下降，單晶硅太陽(yáng)能電池組件與多晶硅電池組件的價(jià)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(yōu)點(diǎn)，如轉(zhuǎn)化效率高、節(jié)約集約利用土地、擴(kuò)大實(shí)際裝機(jī)規(guī)模、良好的弱光性等，這些優(yōu)點(diǎn)使得單晶硅電池組件在市場(chǎng)上仍然具有顯著的優(yōu)勢(shì)。為積極響應(yīng)國(guó)家能源局、工業(yè)和信息化部、國(guó)家認(rèn)監(jiān)委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)先進(jìn)光伏技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的意見(jiàn)》鼓勵(lì)使用先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品的政策，該項(xiàng)目最終決定選用單晶硅太陽(yáng)能電池片，不僅符合政策導(dǎo)向，也符合提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和降低成本的長(zhǎng)期目標(biāo)。

2.2 光伏組件生產(chǎn)工藝比選

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

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

MBB技術(shù)通過(guò)在太陽(yáng)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(zhǎng)期發(fā)電性能和機(jī)械性能，從而增強(qiáng)光伏組件的穩(wěn)定性。

疊瓦技術(shù)是一種將太陽(yáng)能電池片和封裝玻璃交替疊層排列的技術(shù)，無(wú)焊帶，采用疊瓦技術(shù)的光伏組件抗熱斑、抗裂性能優(yōu)異，但其產(chǎn)量相對(duì)較低，同時(shí)成本也較高。

雙面技術(shù)是指太陽(yáng)能電池片的正面和反面都可以接收光線，通過(guò)在光伏組件背面采用金屬漿料印刷細(xì)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(dāng)太陽(yáng)光照射到雙面光伏組件上時(shí)，一部分光會(huì)被周邊環(huán)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(fā)電量。

對(duì)比單面與雙面太陽(yáng)能電池每天發(fā)電量的數(shù)據(jù)，在垂直安裝的條件下，東西面每日有兩個(gè)發(fā)電高峰期，較單面發(fā)電技術(shù)每日增加8.4%的發(fā)電量，東西面比南北面每日增加10%～15%發(fā)電量。因此，該項(xiàng)目選擇雙面技術(shù)進(jìn)行光伏組件的生產(chǎn)。

2.3 光伏組件的力學(xué)性能試驗(yàn)

光伏組件應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，為防止在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中被飛石等雜物擊碎表面造成破壞，該項(xiàng)目根據(jù)《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(jié)的要求，對(duì)封裝好的光伏組件展開(kāi)霰彈袋沖擊和落球沖擊兩項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果可以看出，光伏組件具有較高強(qiáng)度，在落球試驗(yàn)和霰彈袋試驗(yàn)過(guò)程中，中間層均無(wú)斷裂，無(wú)碎片剝離，表明其可以有效抵御汽車(chē)行駛導(dǎo)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(jié)構(gòu)部分施工

基于上述設(shè)計(jì)方案，在工廠進(jìn)行了樣品制作與相關(guān)檢測(cè)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了施工安裝。光伏聲屏障的鋼結(jié)構(gòu)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的型鋼[5]，且H型鋼立柱的焊接強(qiáng)度和底板及加強(qiáng)筋板基本匹配，經(jīng)檢驗(yàn)合格后進(jìn)行下一步工序。

3.2 光伏組件安裝準(zhǔn)備

為了確保安裝工作的順利進(jìn)行，選擇3～6名專(zhuān)業(yè)的安裝人員。每位安裝人員應(yīng)配備一套安裝工具，包括萬(wàn)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(zhǔn)備絕緣膠布和防水膠帶等輔助材料。在選擇拆裝地點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇距離安裝地點(diǎn)較近的位置，以便于在組裝完成后進(jìn)行運(yùn)輸。同時(shí)，為了防止地面凸起、細(xì)沙和污漬等對(duì)設(shè)備造成的磨損、劃傷和玷污等損害，應(yīng)在拆裝地點(diǎn)鋪設(shè)防雨布。在安裝之前，應(yīng)仔細(xì)核對(duì)組件的清點(diǎn)清單，確保各部件無(wú)磕碰、磨損、變形和劃傷等問(wèn)題。如有不合格品，應(yīng)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(jié)構(gòu)上，包括將太陽(yáng)能光伏板固定在支架上，并進(jìn)行電纜連接和接線。現(xiàn)場(chǎng)50塊太陽(yáng)能發(fā)電組件形成一個(gè)組串，每塊組件與組件之間通過(guò)正負(fù)極相插形成一個(gè)組串，串聯(lián)至逆變器。再由逆變器進(jìn)入到專(zhuān)業(yè)并網(wǎng)箱。直流側(cè)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(xiàn)場(chǎng)安裝圖見(jiàn)圖1。安裝完成后對(duì)所有工作復(fù)檢，檢查立柱底板螺絲是否打緊、組件之間接線是否松動(dòng)、逆變器接線處是否松動(dòng)、逆變器安裝是否牢固。

4 光伏聲屏障的發(fā)電效率研究

4.1 依托項(xiàng)目

該項(xiàng)目依托G328寧揚(yáng)交界至龍池互通段改擴(kuò)建工程，進(jìn)行了光伏聲屏障的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，實(shí)施路段為K8+646.492～K8+769.492第三聯(lián)，光伏聲屏障實(shí)施長(zhǎng)度約為100 m，共計(jì)60塊光伏組件，總功率為16.8 kW，應(yīng)用光伏總面積約為200 m2。

4.2 光伏聲屏障的發(fā)電仿真研究

項(xiàng)目使用GSA網(wǎng)站進(jìn)行簡(jiǎn)單的仿真，以估算在特定氣候條件下，光伏聲屏障的日發(fā)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(tǒng)仿真結(jié)果見(jiàn)表3，仿真所得該項(xiàng)目每kW系統(tǒng)在各月的平均發(fā)電量見(jiàn)圖2。

仿真結(jié)果顯示，夏季的發(fā)電量相較其他月份較低，秋季和冬季陽(yáng)光更接近直射光伏板，輻照損失較水平更少。經(jīng)計(jì)算日平均有效發(fā)電量為1.977×16.8=33.22 kWh，年總發(fā)電量為10.31 MWh。此外，在真實(shí)運(yùn)行場(chǎng)景下，考慮高溫、陰影遮擋、運(yùn)維、積灰、氣象等因素，一般光伏系統(tǒng)的能效系數(shù)為75%～90%，假設(shè)取系統(tǒng)較高值85%，因此該項(xiàng)目中平均日發(fā)電量預(yù)估28.24 kWh。其中8月份和9月份的日平均發(fā)電量預(yù)測(cè)分別為22.18 kWh和24.72 kWh。

4.3 光伏聲屏障的發(fā)電數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)

2023年8月12日試驗(yàn)段實(shí)施完成后，通過(guò)后臺(tái)平臺(tái)軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)了8月13日—9月15日的日發(fā)電量數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖3和圖4。今年南京地區(qū)8月份天氣主要以陰雨為主，陰雨、多云天氣會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量下降60%～80%，8月份累計(jì)發(fā)電量統(tǒng)計(jì)為290.98 kWh，日平均發(fā)電量為15.01 kWh。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示9月日平均發(fā)電量較8月出現(xiàn)較為明顯的提升，且最大發(fā)電量9月達(dá)到了29 kWh，平均日發(fā)電量為24.96 kWh。基于仿真計(jì)算結(jié)果（24.72 kWh），實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真值非常接近且略高，說(shuō)明該項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)的光伏聲屏障性能優(yōu)良且運(yùn)行穩(wěn)定。

5 總結(jié)

該項(xiàng)目研發(fā)的光伏聲屏障集光伏發(fā)電、聲學(xué)隔離和安裝方便于一體，并在聲屏障項(xiàng)目中得到應(yīng)用。經(jīng)過(guò)產(chǎn)品測(cè)試、理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)評(píng)估，該項(xiàng)目共安裝16.8 kW光伏系統(tǒng)，光伏產(chǎn)品性能優(yōu)良，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，在垂直安裝場(chǎng)景下平均日發(fā)電量約為28 kWh，實(shí)際運(yùn)行中能效系數(shù)達(dá)到85%，超過(guò)預(yù)期模擬數(shù)據(jù)，具有廣闊的市場(chǎng)前景與推廣意義。

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