一、海洋能

海是人类最远古的家园。以海潮为名，我们感恩她的馈赠。

1.潮汐能

由于需要利用潮汐涨落及其造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机发电，所以传统的潮汐电站具有与水电站相似的结构特征。其需要修建一条大坝来把大海与临近的海湾隔开形成水库。大坝工程不仅占用较大空间，且会不可避免地在使泥沙淤积的同时影响潮汐规律，导致海水浊度和盐度的长期改变。这不仅会导致坝址附近海洋生物的数量锐减，还会改变附近海岸线形态，进而对包括滩涂在内的海湾大型生态系统造成难以逆转的破坏。

有鉴于此，我们设计摒弃了传统的潮汐电站思路，转而考虑以无库式潮汐能发电装置——潮汐流涡轮机，又称“水下风车”作为潮汐能利用的手段。
右图为我们世界所在地——山东威海乳山口的潮汐流分布特征，数字代表潮汐流最大流速，横纵坐标代表经纬度。[1]

 图中的红圈处即为乳山口，坐标为（36°46′30″N，121°28′30″E），具有1.6m/s以上的最大潮汐流速，是潮汐能发电阵列的选址，其剖面图见右。[2]由右图可以看出，乳山口的宽度约为700m，最深深度约为17m，但整个湾口内的深度差异较大。因此，我们选择因地制宜安装两种不同尺寸的潮汐流涡轮机以最大化利用潮汐能。

（1）Minesto DG100

我们世界采用Minesto研发的DG100“海底风筝”作为湾口较深处的潮汐流发电装置。[3]
Minesto的“海底风筝”发电装置通过固定在水底的系绳牵引（因此需要一定深度），依靠潮汐流过风筝翼产生的浮力悬浮；通过自带的控制系统和方向舵，风筝能够以预定的八字形自主转向，推动风筝上的涡轮机在水中发电。经此运动轨迹，经过涡轮机的水流速能达到潮汐流速的数倍，而发电功率与流速呈立方关系，故大大提高了“海底风筝”在较低速的潮汐流中的发电能力。

通过将不同的翼展、发电机尺寸和系绳长度相结合，“海底风筝”可以适应乳山口的潮汐环境。DG100是“海底风筝”的应用于丹麦法罗群岛Vestmannasund的版本：翼展5m，自重2t，额定功率100kW，额定流速1.2-2.5m/s。乳山口的潮汐流速可达1.6m/s以上，在此基础上估计流速的波动可以相互抵消，全天候均可按额定功率计算。[4]

占用空间：单台DG100所占空间不会超过5m*5m*5m=125m³，在乳山口一共布置5台装置（布局图见后），共占有5*125m³=625m³。

年发电量：5*（100kW*24h*365）=4380000kW·h。

（2）Tocardo T2

我们世界采用Tocardo研发的T2潮汐流涡轮机作为湾口较浅处的潮汐流发电装置，与“海底风筝”互为补充。[5]
Tocardo T2同样具有良好的较低流速适应性，各项性能指标如右图所示：其最小尺寸的有效最大流速为2.4m/s，在1.6m/s流速下的额定功率约为60kW·h，乳山口的潮汐流速可达1.6m/s以上，在此基础上估计流速的波动可以相互抵消，全天候均可按额定功率计算。

占用空间：采用Tocardo T2的最小尺寸，叶片直径为9.9m，扫过面积为76.8m²，轮机仓长5.85m，使用如上图所示的阵列方式安装2组共2*10=20台涡轮机，体积不超过2*（10*（76.8m²+76.8m²（两台之间间隔））*5.85m*2（水下支撑结构需要大致同等体积））=35942.4m³。

年发电量：2*10*（60kW*24h*365）=10512000kW·h。
乳山口潮汐能发电装置的整体布局如右图，占用总空间为625+35942.4=36567.4m³，年总发电量为4380000+10512000=14892000kW·h。两套装置均具有二十年以上的设计寿命，且因其体积小而易于更新。

我们所采用的装置均完全浸没，最大程度地消除了视觉上的污染。且两套装置的总体积较小，同时Minesto DG100的装置间隔大于“水下风筝”活动半径的2.5倍，Tocardo T2的叶轮转速不高于2.5r/s，给海洋生物活动留出了充裕的空间，最大限度上降低了对海洋生物的伤害可能和对环境的影响。

2.波浪能

在潮汐能发电的基础上，我们增加了由Carnegie Clean Energy研发的CETO 5波浪能发电/海水淡化装置作为进一步利用海洋能源的方式。[6]

CETO 是一种完全浸没的点吸收类型的波浪能技术，其水下浮标位于海面以下数米处，随波浪运动驱动水泵对海水加压，再将高压海水输送到陆地上驱动涡轮机（在我们世界中位于主建筑下的基础设施层）发电。另一方面，高压海水也用于生产淡水（具体见【科技模块5-基础设施设计】）。

我们选用适合近岸（3.5km以内）地带的CETO 5作为我们世界的波浪能发电/海水淡化装置，其在8kW/m的波浪能流密度下额定功率为240kW[7]。鉴于乳山以东黄海海域波浪能流密度不超过2kW/m[8]，故波浪能仅作为辅助发电能源。

CETO 5完全浸没，同样不会产生视觉污染。CETO 5设计寿命为20年以上，其模块化设计易于组装、拆卸和维护，且可在各种海况下安全运行。其对环境的影响极小，可以吸引海洋生物并与之共存。

占用空间：单台CETO 5高24m，浮标直径11m，体积不超过24m*3.14（圆周率）*（11m/2）²=2279.64m³；共安装5台，总体积为5*2279.64m³=11398.2m³。

年发电量：5*（（2/8）*240kW*24h*365）=2628000kW·h。

二、其它能源

1.风能

依据课件上对我国风能空间分布的分类，山东乳山属于第四类风能区，风功率密度为150-200W/m²，3m/s以上风速全年出现时间为4000-5000h。由右图globalwindatlas.info的数据可以得出，我们世界选址地附近海域在10m高度的平均风功率密度为185 W/m²，平均风速4.87m/s，与上述分类相符合。

鉴于风能并非我们世界的主要能源，故我们选择的是相对小型的海上风力发电机，一台金风GW87/1500永磁直驱（PWDD）风机即可满足我们的需求。

 根据金风官网pdf的数据（如右图所示），GW87/1500的叶轮直径为87m，迎风面积为5890m²，可选最大高度85m，切入风速为3m/s。[10]

由右图globalwindatlas.info的数据，选址地100m高度的风功率密度为343W/m²；因功率密度正比于风速三次方，由课件中速度的换算公式可求得85m处的风功率密度为343W/m²*（（85m/100m）^{1/7（风切变指数）}）³=319.9 W/m²。取可利用小时数为4000+（185-150）/（200-150）*（5000-4000）=4700h计算。

占用空间：估计风机基座深度不超过20m，直径不超过10m，叶片厚度不超过3m，则体积不超过（20m+85m）*3.14*（10m/2）²+3m*5890m²=25912.5m³。

年发电量：取Betz极限=0.59，则一台金风GW87/1500年发电量为（319.9/1000）kW/m²*5890m²*4700h*0.59=5224917kW·h。

风机水下支撑部分将结合鱼礁的功能，为海洋生物提供栖息地，最大程度减轻对海洋环境的影响。

2.太阳能
由于太阳能发电总量有限，我们世界将其作为辅助能源，提供居民住宅的分布式发电解决方案（详见【科技模块-基础设施设计】）。

由右图solargis.info提供的数据，乳山口的地表水平总辐射（GHI）为1440kWh/m²每年。我们世界的光伏模组选用的是由美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）研发的三结GaInAs/GaAsP+量子阱太阳能电池（上图所示），其以39.5%的地面效率保持着目前常规光照条件下的能量转化效率世界纪录。[11]

占用空间：由于分布式发电的具体实现采用了建筑整合太阳能（BIPV）技术（详见【科技模块-基础设施设计】），故总体积视为世界主建筑的一部分，不再额外计算。

年发电量：将于世界主建筑的屋顶和墙体铺设，年总产出不低于1440kWh/m²*5250m²（屋顶铺设面积）*39.5%=2986200kW·h。

由我国居民用电量约占总用电量的14.1%推算[12]，我们世界的太阳能发电总量足以供应居民住宅的总用电量1776*11900kW·h（人均能耗）*14.1%=2979950kW·h，故此分布式发电的设计是可行的。

3.生物质能

我们世界通过一系列技术回收废弃物中的生物质能，具体实现见【科技模块-农业设计】。因其不参与发电，故不纳入整体的能源计算中。

三、能源储存与分配

我们世界的年发电总量是：14892000+2628000+5224917+2986200=25731117kW·h。

因世界的年人均能耗上限*最终人口为11900*1776=21134400kW·h，故多余4596717kW·h，约17.8%能源将储存备用和/或与其它世界进行贸易。

发电设施占用的总空间是：36567.4+11398.2+25912.5=73878.1m³。

能源的储存和分配具体设计详见【科技模块-基础设施设计】。

参考文献：