高效光伏聲屏障設(shè)計研究

王俊生 喬飛 郭凱 夏鵬鵬

摘 要：光伏聲屏障是太陽能發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)聲屏障相結(jié)合的產(chǎn)物，既能起到聲屏障的降噪效果，又能發(fā)揮光伏板功能進行發(fā)電。鑒于此，研究設(shè)計出一種高效金屬吸隔聲屏體與光伏屏體相結(jié)合的高效光伏聲屏障結(jié)構(gòu)形式，計算結(jié)果表明，該設(shè)計吸隔聲性能比常規(guī)聲屏障吸隔聲性能優(yōu)越，同時采用雙面發(fā)電光伏組件，可提高光伏聲屏障發(fā)電效率。該研究對于光伏聲屏障的推廣應(yīng)用具有重大價值。

關(guān)鍵詞：光伏聲屏障;吸隔聲性能;發(fā)電效率

中圖分類號：TM615? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）08-0046-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.013

0? ? 引言

城市公路及軌道交通系統(tǒng)的大力發(fā)展與建設(shè)，為社會生活帶來了不言而喻的便利，然而軌道交通帶來的環(huán)境問題，特別是噪聲污染問題也引起了越來越多的社會關(guān)注。聲屏障是控制城市公路及軌道交通噪聲最經(jīng)濟有效的措施，光伏聲屏障將太陽能發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)聲屏障相結(jié)合，在保障聲屏障降噪性能的同時將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，供給其他用電設(shè)施[1]。與常規(guī)光伏產(chǎn)業(yè)相比，光伏聲屏障不占用城市土地資源，既能發(fā)揮聲屏障作用降低交通噪聲，又能發(fā)揮光伏板優(yōu)勢進行太陽能發(fā)電。與常規(guī)聲屏障相比，光伏聲屏障不僅可以在整個使用周期內(nèi)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益，同時還對城市道路及軌道交通具有明顯的美化作用，因此光伏聲屏障有著巨大的市場潛力和廣闊的應(yīng)用前景。

光伏聲屏障工程應(yīng)用需要解決兩個核心問題，一是光伏聲屏障的吸隔聲性能保障，二是光伏發(fā)電效率。光伏組件無吸聲性能，若直接將其用作聲屏障屏體，容易引起噪聲反射，降低聲屏障降噪效果;此外，直立型聲屏障需要垂直安裝，因此光伏組件只有一側(cè)能接收光照，這勢必導(dǎo)致光伏組件發(fā)電效率下降[2]。本研究的核心工作在于研發(fā)設(shè)計一種高效光伏聲屏障，以解決上述問題。

1?   高效光伏聲屏障系統(tǒng)組成

本研究的高效光伏聲屏障結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，自上而下分別為金屬框架、光伏屏體模塊、金屬吸隔聲屏體模塊，以上模塊由兩端的立柱進行固定。為使高效光伏聲屏障整體具備良好的吸隔聲性能和光伏發(fā)電性能，下面分別對設(shè)計研究的金屬吸隔聲屏體模塊及光伏屏體模塊進行簡述。

2? ? 高效金屬吸隔聲屏體研究

常見的金屬吸隔聲屏體一般采用網(wǎng)孔板+吸聲棉+鍍鋅板的三明治結(jié)構(gòu)形式，如圖2（a）所示，該形式主要利用吸聲棉的特性，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能進行有效吸收。試驗數(shù)據(jù)表明，該種結(jié)構(gòu)形式的金屬吸隔聲屏體對高頻噪聲具有良好的吸聲效果，但是對低頻噪聲，吸聲效果不明顯。圖2（b）為高效金屬吸隔聲屏體結(jié)構(gòu)形式示意圖，具體為穿孔板+吸聲棉+微穿孔板+空腔+鍍鋅板。

對上述兩種金屬吸隔聲屏體進行計算，利用ANSYS軟件對空腔內(nèi)空氣域建立模型，并劃分單元，將建好的模型導(dǎo)入聲學(xué)分析軟件包，運用有限元法進行聲場仿真分析。在設(shè)定邊界條件時，由于腔體中除微穿孔板以外的各壁面的振動對分析過程的影響很小，可將它們視為剛性壁;在與微穿孔板接觸的面上，設(shè)定簡諧平面聲波從端口處入射，并在入射端口處設(shè)置場點網(wǎng)格，分別取1/3倍頻程各中心頻率的純音作為激勵，求解該模型可得到不同激勵頻率時腔內(nèi)空氣域的聲場分布狀況和入射端面處的聲場分布狀況。求解聲場后，提取出入射端面上各場點的聲壓和法向質(zhì)點速度，求得各場點的聲阻抗率和空腔的輸入聲阻抗率，由類比電路可求得整個吸聲結(jié)構(gòu)的法向聲阻抗率，最終求得該吸聲結(jié)構(gòu)的吸隔聲系數(shù)。

高效金屬吸隔聲屏體的材料參數(shù)具體為：0.55 mm穿孔板（孔徑為2 mm，穿孔率為23%）+24.5 mm厚巖棉（巖棉密度為80 kg/m3）+空腔（空腔內(nèi)置金屬微穿孔板，梯形微穿孔板的高度為25 mm，板厚0.55 mm，微孔直徑為1 mm，微孔間距為20 mm，穿孔率為0.178%）+49 mm厚巖棉（巖棉密度為80 kg/m3）+1.2 mm鍍鋅板。常規(guī)金屬吸隔聲板的網(wǎng)孔板、吸聲棉及鍍鋅板的材料參數(shù)與高效金屬吸隔聲屏體一樣。圖3為兩種吸隔聲屏體隔聲性能對比，圖4為兩種吸隔聲屏體吸聲性能對比，計算結(jié)果表明，高效金屬吸隔聲屏體在中低頻具有良好的吸隔聲性能，與常規(guī)金屬吸隔聲屏體相比，性能較為優(yōu)越。

3? ? 高效光伏屏體研究

3.1? ? 高效光伏屏體聲學(xué)性能

圖5為高效光伏屏體示意圖，其由透明微穿孔板、空腔及光伏組件組成。光伏屏體的隔聲性能主要由光伏組件提供，吸聲性能則由整體形成的微穿孔共振吸聲提供。

高效光伏屏體隔聲量計算公式[3]為：

R0=20lg m+20lg f-48? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：R0是頻率f下的隔聲量;m為面密度;f為頻率。

光伏組件主要是鋼化玻璃，密度為2 500 kg/m3，厚度為5 mm，面密度為12.5 kg/m2，通過公式（1）計算出不同頻率下的隔聲量，最終得到計權(quán)隔聲量為27 dB。

高效光伏屏體吸聲基于微孔共振吸聲原理[4]。普通穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)吸聲效能的實現(xiàn)需要在穿孔板內(nèi)部填充吸聲棉，此類構(gòu)造吸聲性能優(yōu)異，但耐久性差，環(huán)保性能欠佳。微穿孔板孔徑在1 mm以內(nèi)，穿孔率小于5%，相較于常規(guī)穿孔板，聲阻明顯增大，結(jié)合微孔背后的空氣腔，形成赫姆霍茲共鳴器，利用空氣在微孔內(nèi)振動時的熱粘性損耗，即微孔的聲阻來消耗聲能量。共振頻率的控制可通過調(diào)整空氣腔大小來實現(xiàn)，空腔越大，共振效率越低。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能和頻帶寬度主要由微穿孔板結(jié)構(gòu)的聲質(zhì)量m和聲阻r來決定。微穿孔板的相對聲阻率和聲抗率可分別表示為：

式中：K=（）（d/2）;d為穿孔直徑;c為空氣中的聲速;t為板厚;σ為微穿孔板的穿孔率;μ為空氣的運動粘滯系數(shù)。

對于非金屬材料板，μ=1.56×10-6 m/s2。對于金屬板，由于熱傳導(dǎo)系數(shù)比較大，管中空氣脹縮不再為絕熱過程，而應(yīng)視為等溫過程，因此μ中應(yīng)加上空氣中的溫度傳導(dǎo)系數(shù)v，以v+μ=3.56×10-6 m/s2代替。

微穿孔板后留深度為D的空腔，即組成共振吸聲結(jié)構(gòu)，其吸聲系數(shù)可按照下式計算：

αθ=（4）

式中：θ為聲波入射方向與板面法線方向的夾角;x=ωmcos θ-ctan（ωDcos θ/c）。

根據(jù)微穿孔板的理論公式，采用數(shù)值方法對透明微穿孔板的參數(shù)——板厚b、孔徑d、間距l(xiāng)以及空腔深度h等進行優(yōu)化設(shè)計。

透明微穿孔板參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計采用ISIGHT軟件進行，通過MATLAB進行數(shù)值計算編程，將透明微穿孔板板厚b、孔徑d、間距l(xiāng)以及空腔深度h設(shè)置為可變參數(shù)，由于聲屏障總厚為100 mm，光伏組件總厚為5 mm，因此，空腔深度h≤95 mm，通過優(yōu)化計算，最終選擇透明微穿孔板的參數(shù)如表1所示。

由于實際應(yīng)用中透明板標(biāo)準(zhǔn)厚度一般為整數(shù)，因此這里選用5 mm透明PC板，優(yōu)化后的高效光伏屏體吸聲性能如圖6所示，可以看出，光伏屏體在中低頻具有良好的吸聲性能。

3.2? ? 高效光伏屏體發(fā)電效率

常規(guī)設(shè)計中，光伏發(fā)電組件一般為單面發(fā)電，將光伏組件應(yīng)用到聲屏障之后，如果仍然采用單面發(fā)電，發(fā)電效率會很低，為增加發(fā)電效率與發(fā)電時間，光伏聲屏障采用雙面發(fā)電的光伏組件。圖7為聲屏障上光伏組件發(fā)電示意圖，可以看出，雙面發(fā)電組件無論是上午還是下午都能發(fā)電，而單面光伏組件只能在上午或下午時間段內(nèi)發(fā)電，因此采用雙面光伏組件能有效提高發(fā)電效率。

圖8為單面組件與雙面組件每瓦發(fā)電量對比，可以看出垂直安裝條件下，相同傾角情況下，雙面組件每瓦發(fā)電量更高。

4? ? 總結(jié)與展望

20世紀(jì)90年代以來，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。利用太陽能光伏進行發(fā)電，全過程不產(chǎn)生任何環(huán)境有害物質(zhì)，是純粹的“綠電”，還可以相應(yīng)減少標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗，并減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放，環(huán)保效益佳。將光伏發(fā)電與聲屏障相結(jié)合，既能有效降低道路交通噪聲，又能實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電創(chuàng)造效益，綜合考慮建造投入成本和收益，在直接收益方面，其年收益率不低于10%，擁有廣闊的發(fā)展前景。

[參考文獻]

[1] 喬飛，王俊生，姚舒涵，等.光伏聲屏障的發(fā)展與應(yīng)用研究[J].工程技術(shù)研究，2020，5（11）：241-242.

[2] 楊金煥，談蓓月，葛亮.太陽能光伏聲屏障[J].中國建設(shè)動態(tài)（陽光能源），2006（2）：46-47.

[3] 馬大猷.聲學(xué)手冊[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[4] 尹忠莉.太陽能光伏聲屏障的研究[D].武漢：武漢紡織大學(xué)，2010.

收稿日期：2022-01-06

作者簡介：王俊生（1992—），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，工程師，研究方向：噪聲治理。