基于新型光伏声屏障的发电效率探究.pdf

92交通科技与管理工程技术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 47 mm 厚太阳能电池板取代原有 0.91.2 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：不额外占用土地面积，节约了有限的土地资源；具有安全可靠的吸隔声降噪效果，维护成本相对较低；光伏成本近年来持续下降，可一体化预制，施工快捷简单；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 35 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。收稿日期：2023-09-17作者简介：顾建波（1979）,男,本科,高级工程师,研究方向：高等级公路建设管理。基于新型光伏声屏障的发电效率探究顾建波（南京市公路事业发展中心,江苏 南京 210000）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）24-0092-042023 年第 4 卷第 24 期93交通科技与管理工程技术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。表 1太阳能电池片对比电池片种类晶硅类薄膜类单晶硅多晶硅非晶硅碲化镉铜铟硒量产效率/%1623.51519.8151815181517实验室效率/%242119.3019.5019.64规模生产已形成已形成已形成已形成已证明可行环境问题中性中性中性使用镉除使用镉外为中性原材料储存中中丰富镉和碲化物都是稀有金铟是昂贵的稀有金生产成本高较高较低相对较低相对较低主要优点效率高效率较高弱光效应好弱光效应好弱光效应好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阳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（GB15763.32009）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 36 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，表 2光伏组件强度试验结果项目钢球规格试验高度结论落球试验1 040 g（63.5 mm）1 200 mm、1 500 mm破碎，中间层无断裂，没有碎片剥离，合格霰弹袋试验45 kg300 mm、750 mm、1 200 mm未破坏，无裂缝或开口，无碎片剥离，合格94交通科技与管理工程技术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线卡固定，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。图 1光伏组件的现场安装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+646.492K8+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 1.97716.8=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。表 3仿真平均发电量月份/月Yf：有效发电量Ls：系统损失Lc：采光损失单位/(kWh/kWp/d)12.143 153 5270.084 471 1930.210 619 03421.987 993 8060.088 041 980.270 300 1931.729 524 8280.096 717 0790.305 666 15341.829 577 3360.099 855 6610.433 366 18951.591 952 630.092 391 820.501 246 43661.596 016 4690.093 253 7390.506 002 88871.637 757 5220.100 920 960.583 259 60481.833 693 6820.100 862 6270.557 814 8892.046 305 2610.084 577 7290.513 641 429102.324 398 7240.082 410 9660.414 080 662112.452 360 9190.074 308 3150.330 021 044122.556 310 5120.071 938 2890.250 857 962平均值1.9770.0890.406图 2光伏声屏障单位发电量仿真结果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95交通科技与管理工程技术效系数达到 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.图 38 月份发电数据统计图 49 月份发电数据统计（上接第 98 页）其他工程受到不稳定地下空间的影响。地质雷达在深埋隧道、富水地层和溶洞发育地区的应用需要综合风险管理，包括将地质雷达的信息与其他地质数据、实验结果和工程方案相结合，以综合评估潜在风险，并采取适当的措施来确保工程的成功。5结论岩溶是我国分布较为广泛的一种地质特征，其发育类型较多、分布情况较为复杂，对于隧道工程的施工安全会造成较大影响。在施工过程中，会导致隧道发生突水涌泥、坍塌、位移以及变形等情况，引发一系列的隧道施工安全问题。因此，隧道工程施工时，为保证施工安全，须对岩溶的地质特性进行相关分析，结合多种隧道岩溶的探测手段，掌握隧道地质特性，进而保证施工安全。文中以某地区的高速公路隧道工程为例，分析高速公路岩溶隧道的地质特征及相关的探测手段，并且通过模拟软件，研究该特征对隧道施工过程中安全的影响，结合探测成果，采取相应的施工措施，为相关工程施工提供合理依据。参考文献1 郑志龙,陈洋,王丽君,等.高密度电法在某高速公路岩溶隧道探测中的应用 J.地下空间与工程学报,2021(S2):912-917+924.2 李世聪,刘亚军,彭荣华,等.瞬变电磁法对隐伏岩溶探测的影响因素研究 J.地球物理学进展,2022(1):397-412.3 张鹏,王立川,李林毅,等.高强度岩溶水致铁路隧道衬砌破损的处治理念与实践 J.现代隧道技术,2022(2):227-241+251.4 张京亮,夏志杰,刘新荣,等.隐伏溶洞影响下隧道开挖稳定性数值模拟分析 J.科学技术与工程,2022(13):5455-5462.5 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