DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20231221.01 文章编号：1003-0417(2024)12-14-06
光伏道路隔音屏障的研究进展
李春莹 1,2，解际幸 1,2，唐海达 1,2*，李翠敏 3 ， 朱晓姣 4 ，吕原丽 5
(1. 深圳大学建筑与城市规划学院，深圳 518000；2. 深圳市医养建筑重点实验室 ( 筹建 )，深圳 518000；3. 苏州科技大学环境科学与工程学院，苏州 215009；4. 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；5. 西华大学建筑与土木工程学院，成都 610039)
摘 要：近年来，太阳能资源的高效利用倍受关注，使光伏发电技术快速发展。传统的光伏电站需要占用大 量土地，难以用于人口稠密地区。中国的道路网络密集，利用道路隔音屏障结合光伏发电技术可增加光伏发 电安装面积，并就近为城市居民提供清洁电力。介绍了国内外光伏道路隔音屏障研究的最新进展，以及其发 电量评估研究方法与实际案例，探讨了光伏道路隔音屏障和非常规能源耦合利用的可能性，并从投资收益、 安全、城市道路景观美学 3 方面提出光伏道路隔音屏障研究与应用的优化方向。
关键词：光伏发电；道路隔音屏障；研究进展
中图分类号：TM615 文献标志码：A
在“双碳”目标的指引下，光伏发电技术 因能够实现太阳能的高效利用而备受关注。2022 年，全球新增可再生能源装机容量达 348 GW， 其中光伏发电新增装机容量达到 243 GW[1]。然 而，随着光伏产业的产能加速扩张，2012—2022 年，全球光伏发电产品的利用率由约 60% 下降 至 40% 以下，因此需要在建成环境中加快光伏 发电产业的部署 [2]。
传统光伏电站的建设需占用大量土地，有 限的可利用土地空间制约了光伏发电的发展， 因此需要开发“光伏 +”应用形式，而中国密集 的道路网络为光伏发电提供了新的可能性。截 至 2020 年底，中国公路通车总里程达 519.81 万 km[3]。作为至关重要的基础设施之一，道路在 支持交通服务的同时，其建设和维护也消耗了 大量能源。为减少交通噪声对周围环境的影响， 通常会在道路两侧加装隔音屏障，道路隔音屏 障暴露于强烈的太阳辐射下，且其垂直安装的方 式仅占用少量土地，因此，将其与光伏发电技术 结合，不仅可扩大光伏发电安装面积，还可为城 市居民就近提供清洁电力 [4-5]。
光伏道路隔音屏障是将道路隔音屏障和光伏 发电技术相结合，利用光伏组件将太阳能转化为 电能的一种应用形式。光伏道路隔音屏障可减少 光伏电站对土地的占用，发电过程安全清洁，且 维护、管理成本低 [6]。自 20 世纪 70 年代以来， 丹麦、法国、瑞典和瑞士等国家就开展了光伏道 路隔音屏障的工程试点，验证了其可以满足噪声 衰减要求 ( 即隔声要求 ) [7-10]。本文介绍了光伏道 路隔音屏障最新研究进展，并提出其未来的研究 和应用方向。
1 光伏道路隔音屏障
1.1 安装方式
光伏组件与道路隔音屏障的结合方式多样，如图1所示，光伏组件可以安装在隔音屏障上(即 附加设计式 )，或集成安装于隔音屏障表面 ( 即 集成设计式 ) [11]。
从生产角度出发，集成设计式结合方式是在 新建道路隔音屏障时直接将光伏组件集成到隔音 屏障中，实现一体化生产；附加设计式结合方式 是将光伏组件附加到现有的隔音屏障上 [12]，通 过工程改造实现升级。
集成设计式结合方式更适用于新建的光伏道 路隔音屏障，包括盒式设计、锯齿形设计和全集 成设计 ( 包括单面光伏集成和双面光伏集成 )。 盒式设计能够最大化地利用太阳直射辐射，但当 中午太阳高度角较大时，安装在屏障上部的光伏 组件可能会对下部光伏组件造成阴影遮挡；锯齿 形设计采用光伏组件覆盖部分隔音屏障的方式， 有助于避免自身阴影问题；全集成设计是指用光 伏组件取代传统的隔音屏障，这种设计对光伏组 件的强度有更高的要求。
顶部安装式结合方式更适用于改造类项目， 利用现有的道路隔音屏障作为支撑结构，以较低 的成本增加光伏发电的安装面积。此类结合方式 可避免隔音屏障自身阴影投射在光伏组件上，影 响光伏组件发电效率。为增加太阳辐射量、提高 光伏组件发电效率、防止积雪覆盖影响发电，可 根据需要确定光伏组件安装倾角。
1.2 光伏组件类型
目前，针对光伏道路隔音屏障的研究与应用 中晶硅光伏组件占据主导地位，主要原因在于晶 硅光伏组件具有更高的光电转换效率和更佳的耐 久性。双面光伏组件的正反两面皆可发电，这种形 式可在有限的安装面积上实现更高的发电效率[13]， 与单面光伏组件相比，双面光伏组件组成的光伏 道路隔音屏障可带来更大的发电量和更佳的经济 效益，投资回收期可能更短。
通常用双面发电量增益 Gb 来表示双面光伏 组件相对于单面光伏组件的优势发电效益，其计 算式为：
式中：YB 为双面光伏组件的发电量；YM 为 单面光伏组件的发电量。
1.3 优化设计
国内外学者针对光伏道路隔音屏障的优化设 计开展了大量实验与仿真模拟研究，以优化其声 学性能和发电性能。
Hasmaden 等 [14] 提出了两段倾斜式光伏道路 隔音屏障集成优化设计方法，兼顾了隔音效果与 光伏组件发电效率，其设计示意图具体如图 2 [14] 所示。图中：l、d 分别为上侧、下侧光伏组件的 宽度；α、β 分别为上侧、下侧光伏组件安装倾角。
两段倾斜式光伏道路隔音屏障集成优化设计 方法是利用 PVsyst 6.7.7 软件计算光伏道路隔音 屏障的发电量，利用 Sound PLAN 7.2 软件计算 结构噪声控制效率，并基于 TOPSIS 方法寻找最 优方案。当下侧光伏组件宽度为 3 m、其安装倾 角为 58°，且上侧光伏组件宽度为 2 m、其安装倾角为 31°时为最优方案。
Vallati 等 [15] 针对光伏道路隔音屏障的形状对 隔音和发电性能的影响开展了实验测试，5 种声学 性能实验设计方案示意图如图 3 [15] 所示。根据 5 种 不同隔音屏障设计的测试数据可知，顶部屏蔽单元 为 T 型配置 ( 图 3 中的案例 B) 和顶部屏蔽单元与 垂直方向倾斜 60°( 图 3 中的案例 A) 的设计方案表 现最佳。值得注意的是，优化结果与光伏道路隔音 屏障的安装位置及朝向相关，不同的光伏道路隔音 屏障项目应结合其实际条件进行评估与优化。
1.4 经济性评估
光伏道路隔音屏障的建设成本高于普通道路 隔音屏障，其经济可行性取决于光伏组件的价格、 电价和政府对可再生能源的激励措施[16]。在美国， 各州设有可再生能源信贷计划和净计量政策，以 激励可再生能源利用，例如：太阳能投资税收抵 免 (ITC) 为太阳能地产领域的住宅、商业和公用事 业投资者提供了 30% 的税收抵免 [17]。近年来，中 国的光伏发电项目的投资成本持续下降，2020 年 光伏发电成本比 2010 年降低了约 60%[18]，使项目 的投资回收期缩短，并在投资回收期结束后为投 资者提供额外利润。此外，Ellen 等 [19] 主张将光伏 道路隔音屏障所带来的环保与生态效益货币化， 以此全面估量光伏道路隔音屏障的经济回报率。
2 光伏发电量评估
在光伏道路隔音屏障项目中，地理信息系统 (GIS) 技术可用于收集和分析太阳辐射量、土地 可用性、建筑阴影遮挡等数据，从而全面评估光 伏发电潜力和经济可行性。Wadhawan 等 [11] 提 出基于 GIS 的光伏道路隔音屏障的光伏发电量 估算方法，可用于评估城市或国家范围内的光 伏道路隔音屏障的发电潜力。该估算方法的具 体步骤为：确定用于安装光伏组件的现有道路隔 音屏障的位置和尺寸数据，使用 Google Earth 对 这些位置数据进行标记和分类，然后使用 DNR Garmin 软件将数据转换成“形状文件”；利用 QGIS 软件计算每个位置的太阳总辐射量，并将 道路隔音屏障位置、路线图和太阳总辐射量数据 进行叠加，具体如图 4 所示。研究人员采用该方 法估算了加利福尼亚州可安装光伏道路隔音屏障 的道路全年总发电量潜力，并将结果外推到整个 美国。结果表明：美国的光伏道路隔音屏障总发 电功率潜力在 7～9 GW 之间，足以为美国 5 万 多个家庭提供电力。
近年来，机器学习和人工智能技术的发展使 光伏发电潜力评估的效率与准确性迅速提高 [20]。 Zhong 等 [21] 提出一种融合深度学习的光伏道路 隔音屏障发电潜力评估框架，利用自定义数据集 上训练的 YOLO v3 模型，从大量的街景图像数 据集中识别出包含道路隔音屏障的街景图像，可 以确定现有的道路隔音屏障的位置；同时，根据 城市规划相关政策，确定预计安装光伏道路隔音 屏障的位置。以南京市为例，2019 年已有的光 伏道路隔音屏障装机容量为 14.26 MW，规划安 装的光伏道路隔音屏障装机容量为 57.24 MW，计算得出二者相应的年发电量分别为 4662 MWh 和 18088 MWh。
3 多种能源耦合利用
光伏发电技术与其他形式的非常规能源或 可再生能源的耦合利用是一个值得关注的研究方 向。目前，已有学者针对道路隔音屏障的声能发 电技术和风力发电技术开展研究，在未来，这两 项技术有望与光伏发电技术相结合，提升光伏道 路隔音屏障的能源利用效率。
3.1 道路隔音屏障与声能发电技术结合
声能发电技术是通过换能器实现声能到电 能的转换。道路交通噪声本质上是一种能量，而 且是一种可以被收集用于发电的非常规能源。 Wang 等 [22] 研究了一种新型隔音屏障，由 4 部 分组成：噪声收集输入模块、声压放大模块、电 力生成模块和储能模块，利用赫姆霍兹谐振器 (HR) 和聚偏氟乙烯 (PVDF) 薄膜来收集和转换声 能，以实现降噪和发电。PVDF 材料具有柔性、 低密度、低阻抗和高电压电常数等优异的性能， 该研究所用 PVDF 薄膜的物理特性参数如表 1 所 示。研究结果显示：该隔音屏障在 110 dB 的入 射声压级下能够产生的瞬时最大输出电压为 74.6 mV，输出功率为 1.24 μW。
未来，在交通流量大、噪声大的区域，有望 利用此类隔音屏障采集噪声发电，并结合光伏发 电技术增加电力输出。
3.2 道路隔音屏障与风电结合
风力发电机可分为水平轴风力发电机和垂 直轴风力发电机。光伏道路隔音屏障与风电的 耦合利用可以平衡光伏发电的时空不稳定性。 Chrysochoidis-Antsos 等 [23] 研究了隔音屏障顶部 的风速、流入角度和湍流强度，从而模拟计算安 装在隔音屏障顶部的微型风力发电机的年发电 量。微型垂直轴风力发电机的结构组件较少、运 行噪音较小、维护相对容易，更加适用于隔音屏 障发电。
4 研究展望
既有研究表明，光伏道路隔音屏障是在建成 环境中大规模利用太阳能资源的有效手段。深入 开展光伏道路隔音屏障研究，可促进太阳能资源 的高效利用、提高光伏道路隔音屏障的投资收益、 实现光伏道路隔音屏障的安全耐久性，并兼顾城 市道路景观的美学考量。
4.1 投资收益
光伏道路隔音屏障的设计需充分评估太阳辐 射资源及周围环境因素，例如：附近建筑阴影、 树木阴影遮挡。选择光伏发电潜力较大路段安装 光伏道路隔音屏障，从而提高经济效益，缩短项 目的投资回收期。同时，可沿路建设充电站点， 直接利用光伏道路隔音屏障所发电能为电动车充 电，既可以满足市民的充电需求，又可以减少传 输过程中的电能损失，具有良好的社会效益和经 济效益。
4.2 安全问题
光伏道路隔音屏障的设计应充分考虑道路交 通安全问题。相关研究表明，若光伏道路隔音屏 障中的光伏玻璃面层处理不当，会反射高强度的 太阳辐射导致眩光，影响司机视线，甚至造成交通事故。因此，未来的研究需要关注光伏道路隔 音屏障中光伏组件的表面材料，提高对太阳光线 的吸收率并降低反射率，合理设计反射角度，避 免在司机视线范围内形成高亮眩光。
4.3 城市道路景观的美学考量
光伏道路隔音屏障的安装量大、面积范围广， 安装时需评估其对城市道路景观的影响。未来研 究可开展主客观调查研究，评估城市居民对于光 伏道路隔音屏障的外观审美接受度，确保其外观 设计与周围环境协调，避免突兀。通过美学设计， 提升光伏道路隔音屏障作为城市道路景观元素的 价值，使其成为城市美化的一部分。
5 结论
本文介绍了国内外光伏道路隔音屏障研究的 最新进展，总结了当前的光伏道路隔音屏障发电 量评估研究方法与实际案例，探讨了光伏道路隔 音屏障与非常规能源耦合利用可能性，并从投资 收益、安全、城市道路景观美学 3 方面提出光伏 道路隔音屏障未来研究与优化方向，以期促进太 阳能资源的高效利用。
[ 参考文献 ]
[1] REN21. Renewables global status report[EB/OL]. (2023-07-28). https://www.greenbr.org.cn/cmsfiles/1/titlepic/2512222e-b215-4806-bb5b-c2d1f3cecfd9.pdf.
[2] International energy agency. World energy outlook 2023[EB/OL]. (2023-10-01). https://www.iea.org/reports/ world-energy-outlook-2023.
[3] 交通运输部 . 2020 年交通运输行业发展统计公报 [EB/ OL]. (2021-05-19). https://xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/ zhghs/202105/t20210517_3593412.html.
[4] PAN H Y，QI L F，ZHANG Z T，et al. Kinetic energy harvesting technologies for applications in land transportation：a comprehensive review[J]. Applied energy，2021，286: 116518.
[5] 胡恒武，查旭东，吕瑞东，等 . 基于光伏发电的道路 能量收集技术研究进展 [J]. 材料导报，2022，36(20)：133-144.
[6] CARSON P，AMY P，TINA H. Highway renewable energy：photovoltaic noise barriers[EB/OL].(2017-07-01). https：//rosap.ntl.bts.gov/view/dot/32521.
[7] BENDTSEN H. Noise barrier design: Danish and some European examples[EB/OL]. (2010-05-01). https://www. ucprc.ucdavis.edu/PDF/UCPRC-RP-2010-04.pdf.
[8] NORDMANN T，CLAVADETSCHER L. PV on noise barriers[J]. Progress in photovoltaics: research and applications，2004，12(6)：485-495.
[9] NORDMANN T，FRÖLICH A，CLAVADETSCHER L， et al. Drei integrierte PV-schallschutz versuchsfelder[EB/ OL]. (2002-12-01). https://www.aramis.admin.ch/Default?D ocumentID=50661&Load=true.
[10] PEERLINGS J，REINDERS A，CATITA C，et al. The photovoltaic potential for electric vehicle charging along highways：a Dutch case study[J]. Progress in photovoltaics：research and applications，2024，32(4)：244-252.
[11] WADHAWAN S R，PEARCE J M. Power and energy potential of mass-scale photovoltaic noise barrier deployment：a case study for the U.S[J]. Renewable and sustainable energy reviews，2017，80: 125-132.
[12] KAKOULAKI G，SZABO S，FAHL F F，et al. European transport infrastructure as a solar photovoltaic energy hub[J]. Renewable and sustainable energy reviews，2024， 196：114344.
[13] RODRÍGUEZ-GALLEGOS C D，BIERI M，GANDHI O， et al. Monofacial vs bifacial Si-based PV modules：which one is more cost-effective?[J]. Solar energy，2018，176：412-438.
[14] HASMADEN F，ZORER GEDIK G，YÜĞRÜK AKDAĞ N. An approach to the design of photovoltaic noise barriers and a case study from Istanbul，Turkey[J]. Environmental science and pollution research international，2022， 29(22)：33609-33626.
[15] VALLATI A，DE LIETO VOLLARO R，TALLINI A， et al. Photovoltaics noise barrier：acoustic and energetic study[J]. Energy procedia，2015，82：716-723.
[16] CAVALLARO F，NOCERA S. Are transport policies and economic appraisal aligned in evaluating road externalities?[J]. Transportation research part D：transport and environment，2022，106：103266.
[17] DAVIDSON C，GAGNON P，DENHOLM P，et al. Nationwide analysis of U.S. commercial building solar photovoltaic (PV) breakeven conditions[EB/OL]. (2015- 10-31). https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/64793. pdf?gathStatIcon=true.
[18] WANG Y，ZHOU S，HUO H. Cost and CO2 reductions of solar photovoltaic power generation in China：perspectives for 2020[J]. Renewable and sustainable energy reviews， 2014，39：370-380.
[19] DE SCHEPPER E，VAN PASSEL S，MANCA J， et al. Combining photovoltaics and sound barriers——a feasibility study[J]. Renewable energy，2012，46：297- 303.
[20] IZANLOO M，ASLANI A，ZAHEDI R. Development of a machine learning assessment method for renewable energy investment decision making[J]. Applied energy，2022， 327：120096.
[21] ZHONG T，ZHANG K，CHEN M，et al. Assessment of solar photovoltaic potentials on urban noise barriers using street-view imagery[J]. Renewable energy，2021，168：181-194.
[22] WANG Y，ZHU X，ZHANG T S，et al. A renewable low-frequency acoustic energy harvesting noise barrier for high-speed railways using a Helmholtz resonator and a PVDF film[J]. Applied energy，2018，230：52-61.
[23] CHRYSOCHOIDIS-ANTSOS N，AMOROS A V，VAN BUSSEL G J W，et al. Wind resource characteristics and energy yield for micro wind turbines integrated on noise barriers——an experimental study[J]. Journal of wind engineering and industrial aerodynamics，2020，203：104206.
