高效光伏声屏障设计研究

引言

城市公路及轨道交通系统的大力发展与建设,为社会生活带来了不言而喻的便利,然而轨道交通带来的环境问题,特别是噪声污染问题也引起了越来越多的社会关注。声屏障是控制城市公路及轨道交通噪声最经济有效的措施,光伏声屏障将太阳能发电技术与传统声屏障相结合,在保障声屏障降噪性能的同时将太阳能转换为电能,供给其他用电设施。与常规光伏产业相比,光伏声屏障不占用城市土地资源,既能发挥声屏障作用降低交通噪声,又能发挥光伏板优势进行太阳能发电。与常规声屏障相比,光伏声屏障不仅可以在整个使用周期内创造可观的经济效益,同时还对城市道路及轨道交通具有明显的美化作用,因此光伏声屏障有着巨大的市场潜力和广阔的应用前景。

光伏声屏障工程应用需要解决两个核心问题,一是光伏声屏障的吸隔声性能保障,二是光伏发电效率。光伏组件无吸声性能,若直接将其用作声屏障屏体,容易引起噪声反射,降低声屏障降噪效果;此外,直立型声屏障需要垂直安装,因此光伏组件只有一侧能接收光照,这势必导致光伏组件发电效率下降。本研究的核心工作在于研发设计一种高效光伏声屏障,以解决上述问题。

1高效光伏声屏障系统组成

本研究的高效光伏声屏障结构形式如图1所示,自上而下分别为金属框架、光伏屏体模块、金属吸隔声屏体模块,以上模块由两端的立柱进行固定。为使高效光伏声屏障整体具备良好的吸隔声性能和光伏发电性能,下面分别对设计研究的金属吸隔声屏体模块及光伏屏体模块进行简述。

2高效金属吸隔声屏体研究

常见的金属吸隔声屏体一般采用网孔板＋吸声棉+镀锌板的三明治结构形式,如图2(a)所示,该形式主要利用吸声棉的特性,将声能转化为热能进行有效吸收。试验数据表明,该种结构形式的金属吸隔声屏体对高频噪声具有良好的吸声效果,但是对低频噪声,吸声效果不明显。图2(b)为高效金属吸隔声屏体结构形式示意图,具体为穿孔板+吸声棉+微穿孔板+空腔+镀锌板。

对上述两种金属吸隔声屏体进行计算,利用ANSYS软件对空腔内空气域建立模型,并划分单元,将建好的模型导入声学分析软件包,运用有限元法进行声场仿真分析。在设定边界条件时,由于腔体中除微穿孔板以外的各壁面的振动对分析过程的影响很小,可将它们视为刚性壁:在与微穿孔板接触的面上,设定简谐平面声波从端口处入射,并在入射端口处设置场点网格,分别取1/3倍频程各中心频率的纯音作为激励,求解该模型可得到不同激励频率时腔内空气域的声场分布状况和入射端面处的声场分布状况。求解声场后,提取出入射端面上各场点的声压和法向质点速度,求得各场点的声阻抗率和空腔的输入声阻抗率,由类比电路可求得整个吸声结构的法向声阻抗率,最终求得该吸声结构的吸隔声系数。

高效金属吸隔声屏体的材料参数具体为:0.55mm穿孔板(孔径为2mm,穿孔率为23%)＋24.5mm厚岩棉(岩棉密度为80kg/m3)＋空腔(空腔内置金属微穿孔板,梯形微穿孔板的高度为25mm,板厚0.55mm,微孔直径为1mm,微孔间距为20mm,穿孔率为0.178%)＋49mm厚岩棉(岩棉密度为80kg/m3)＋1.2mm镀锌板。常规金属吸隔声板的网孔板、吸声棉及镀锌板的材料参数与高效金属吸隔声屏体一样。图3为两种吸隔声屏体隔声性能对比,图4为两种吸隔声屏体吸声性能对比,计算结果表明,高效金属吸隔声屏体在中低频具有良好的吸隔声性能,与常规金属吸隔声屏体相比,性能较为优越。

图3 隔声性能对比图

图4 吸声性能对比

3高效光伏屏体研究

3.1高效光伏屏体声学性能

图5为高效光伏屏体示意图,其由透明微穿孔板、空腔及光伏组件组成。光伏屏体的隔声性能主要由光伏组件提供,吸声性能则由整体形成的微穿孔共振吸声提供。

高效光伏屏体隔声量计算公式为:

式中:R0是频率f下的隔声量:m为面密度:f为频率。

光伏组件主要是钢化玻璃,密度为2500kg/m3,厚度为5mm,面密度为12.5kg/m2,通过公式(1)计算出不同频率下的隔声量,最终得到计权隔声量为27dB。

高效光伏屏体吸声基于微孔共振吸声原理。普通穿孔板吸声结构吸声效能的实现需要在穿孔板内部填充吸声棉,此类构造吸声性能优异,但耐久性差,环保性能欠佳。微穿孔板孔径在1mm以内,穿孔率小于5%,相较于常规穿孔板,声阻明显增大,结合微孔背后的空气腔,形成赫姆霍兹共鸣器,利用空气在微孔内振动时的热粘性损耗,即微孔的声阻来消耗声能量。共振频率的控制可通过调整空气腔大小来实现,空腔越大,共振效率越低。微穿孔板吸声结构的吸声性能和频带宽度主要由微穿孔板结构的声质量m和声阻r来决定。微穿孔板的相对声阻率和声抗率可分别表示为:

式中:K=(Vo/μ)(d/2):d为穿孔直径:c为空气中的声速:1为板厚:r为微穿孔板的穿孔率:μ为空气的运动粘滞系数。

对于非金属材料板,μ=1.56×10-6m/s2。对于金属板,由于热传导系数比较大,管中空气胀缩不再为绝热过程,而应视为等温过程,因此μ中应加上空气中的温度传导系数,,以,+μ=3.56×10-6m/s2代替。

微穿孔板后留深度为D的空腔,即组成共振吸声结构,其吸声系数可按照下式计算:

式中:9为声波入射方向与板面法线方向的夹角;x=omcos9-ctan(oDcos9/c)。

根据微穿孔板的理论公式,采用数值方法对透明微穿孔板的参数一板厚b、孔径d、间距l以及空腔深度h等进行优化设计。

透明微穿孔板参数的优化设计采用IsIGHT软件进行,通过MATLAB进行数值计算编程,将透明微穿孔板板厚b、孔径d、间距l以及空腔深度h设置为可变参数,由于声屏障总厚为100mm,光伏组件总厚为5mm,因此,空腔深度h≤95mm,通过优化计算,最终选择透明微穿孔板的参数如表1所示。

由于实际应用中透明板标准厚度一般为整数,因此这里选用5mm透明PC板,优化后的高效光伏屏体吸声性能如图6所示,可以看出,光伏屏体在中低频具有良好的吸声性能。

3.2高效光伏屏体发电效率

常规设计中,光伏发电组件一般为单面发电,将光伏组件应用到声屏障之后,如果仍然采用单面发电,发电效率会很低,为增加发电效率与发电时间,光伏声屏障采用双面发电的光伏组件。图7为声屏障上光伏组件发电示意图,可以看出,双面发电组件无论是上午还是下午都能发电,而单面光伏组件只能在上午或下午时间段内发电,因此采用双面光伏组件能有效提高发电效率。

图8为单面组件与双面组件每瓦发电量对比,可以看出垂直安装条件下,相同倾角情况下,双面组件每瓦发电量更高。

4总结与展望

20世纪90年代以来,光伏发电产业发展迅猛。利用太阳能光伏进行发电,全过程不产生任何环境有害物质,是纯粹的"绿电",还可以相应减少标准煤的消耗,并减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放,环保效益佳。将光伏发电与声屏障相结合,既能有效降低道路交通噪声,又能实现并网发电创造效益,综合考虑建造投入成本和收益,在直接收益方面,其年收益率不低于20%,拥有广阔的发展前景。