创新设计——能源储存

一、储存总览[i]

能源储存上，由于我们小组基本只采用电能的能源形式特点，我们创新性地提出了“多种储能方式混合使用”的特色储能方式。从而在保证能源质量的同时做到对于核能发电的充分利用。

根据搜索到的资料，我们小组采用了锂离子电池和飞轮电池的双重储能方式。其中，锂离子电池由于其输出效率高、寿命长的特点，被用作长期储能的手段；而飞轮电池由于其输出功率足够高，被用于需要高功率输出的场合的储能手段。

二、储能周期

由于核能在单位时间内发电量极大，我们采用定期发电，定期储存的方式来实现能源的充分利用，避免过量发电导致的能源浪费。具体表现为每个月初进行核能发电并进行储能，保证储存后可利用的能源量在年能耗的10%左右，从而在减少突发情况影响的前提下尽可能小的发电。

新的挑战之后，计算得储能的总能量为3.06*10^6 kW·h，由锂电池和飞轮电池进行储存和利用。

三、储能设备设计

锂离子电池有如下优势：

• 锂离子电池无记忆效应，即在未放空电的情况下可随时充电。
• 锂离子电池自放电低，具体为<5%/月。
• 储存温度容易达到，在 -10°C~0°C。
• 循环次数可达 5000次或更多。
• 充放电时间长，输出效率约 95%。
• 储存充电电量为60%时，能量密度计算为 318 kWh/m^3，容量年衰减 2%。
• 在储存电量不高时，估计寿命在10年以上，10年后容量仍在 80% 以上

综合以上优势，我们把锂离子电池作为一种主要的长期储能手段。由于锂电池的寿命在10年以内都可以得到保障，因此我们采取10年一次大维护，经常进行短期维护的方式来保证能源的持续输出。

在占地面积的计算上，我们考虑到锂离子储存能源基本在年能耗在10%左右，我们按1.8*10^6 kWh计算其储能总量。根据资料，考虑平均能量密度为 280 kWh，输出能量密度为 266 kWh；且该部分储能总体积约为 6800 m^3，加入供电模块后估计为 7500m^3~8000m^3。

根据链接中提供的数据，我们整理出飞轮电池具有以下特点：

• 能量密度：0.473kWh/m^3       单个电池所占体积为2.112m^3
• 额定功率：100kW
• 有效充放电容量：1kWh
• 最大功率：120kW
• 输出电压：600~900Vdc
• 输入电压：600~900Vdc
• 放电效率：大于90%
• 放电深度：100%
• 相对湿度：≤95%
• 工作温度：-40℃~50℃
• 循环次数：>1000万次 预测有效寿命在20年以上
• 单个电池的机柜尺寸：（W*D*H）1200mm*800mm*2200mm
• 控制系统柜（配合飞轮电池使用，辅助配电控制和管理）：单个机柜占2.574m^3

从数据上可以看出，飞轮电池可以充当高品质UPS电源，可以用于高功率输出需求的场合，例如工厂、交通工具。

飞轮电池将被分别安置于各重要产业场所，例如各个工厂或高能耗的研究所。根据计算，所有飞轮电池（附带控制系统柜）的空间总需求约 8000m^3。

四、占地面积估计

综合两种储能方式，总储能模块约消耗 16000 m^3。

能源模块——创新设计

Team: 职业退学助理

一、Hyper Squares

对于环境模块中的广场，我们参考Hyper Squares设计[i]，构建了一个更加多元化、多功能化的广场设计。

构型上，考虑将广场分为露天和有遮蔽的两个部分，其中，有遮蔽的区域考虑用若干个立方体组成一个有雨棚遮蔽的广场空间，在支撑框架上加装LED灯管用于照明。然后，在框架顶部考虑采用太阳能玻璃收集太阳能，在侧面地面上设置压电路面采集行人路过时的能量用于驱动灯管，从而在不影响公民生活的情况下节省广场的空间，使得广场空间也具有了供能属性。

大致构型如下图（图片来自原设计）：

由于这个框架具有很高的后期设计自由度，它可以同时具有绿化、游憩、公共聚集等多种功能。这个区域中可以轻松的设置一些公共娱乐、公共健身的设施，比如利用压电陶瓷驱动LED瓷砖发光，甚至接入计算机实现一些体感游戏的功能。同时由于其不对称性，Hyper Squares设计具有很高的美观度。

作为我们世界当中开放程度与自由程度最高，且对于科技水平要求最低的公共空间，我们考虑用这种灵活、先进的设计来体现我们世界科技驱动的生活理念，从而使居民尤其是难民在潜移默化中理解体会到这种积极的生活态度，使其主动对科技的神奇产生向往。

同时，这个广场采用的 LED、压电陶瓷等节能技术也是一种对于节约能源的良好宣传。虽然压电陶瓷事实上供给的能量微乎其微，但是其对于居民户外活动的积极性，以及其对于能源节约的认识都能起到一个很好的宣传作用。

太阳能：该方案集成了Sunman的eARC太阳能电池板，具有重量轻、灵活性和耐用性。该产品采用结晶硅电池技术，不含玻璃和金属，实现了轻质耐用，同时降低了闪电风险。面板可以根据太阳角度旋转，以最大限度地收集辐射。

我们使用200个单元，占地面积1800m^2，产能为3627.2MWh / 900kwh/m^2 * 1187.3kwh/m^2 / 22392m^2 * 1800m^2 = 641.14MWh（顶层60%空间光伏发电），满足了我们世界对于太阳能1/10的需求。

风能：风机墙采用垂直轴风机技术。该系统集成了Airiva风机墙和Alpha 311垂直轴风机技术，可以在任何地方驾驭风，几乎不产生声音，并产生不断变化的美学效果。每个3米×3米的风机壁可以以30%的效率产生约1480千瓦时/年的发电量。

我们世界计划在广场小型建筑的使用100个3m×3m×3m的风机墙，一方面起到广场功能分区的作用，一方面用于审美。其能够产生148000kWh/yr的能量，该部分能量将与游客自身的动能一起用于互动游戏装置的运行。

动能：该模块集成了Pavegen瓷砖和互动游戏结构，使游客能够与模块进行有趣的互动。动能收集策略被视为需要游客参与的额外能量输入，因此不包括在总能量输出计算中。当人们踩在模块表面时，他们的重量会导致瓷砖下面的发电机旋转，通过电磁感应发电。此外，嵌入瓷砖中的蓝牙信标可以与移动应用程序连接，让游客了解他们产生的能量。

二、eTree

对于环境模块中的“现代风格”居住区，我们考虑在一定程度上替换掉传统的绿化，采用“eTree”设计[ii]来对居住空间进行美化，实现建筑风格的统一。

考虑在现代风居民区中设置若干树状eTree太阳能发电桩，在美观的同时也可以像植物一样利用太阳能。在原设计的基础上，我们考虑在eTree上加入一些空气净化、温湿度小范围调节的作用，使得eTree也具有传统树所具有的休憩、改善环境等的作用。其具体构型为一个立杆上缠绕若干圈螺旋状的太阳能板，进行白天的发电功能，晚上可以考虑在eTree上加装LED灯使其也具有路灯的功能，实现一体多用。

其具体设计如下（图片来自原设计）：

考虑到我们世界对于居住区设计的风格化区分，我们考虑通过这种人造“绿化”来进一步提升现代化居住区的未来感和科技感，同时也营造一种积极科研的氛围。同时，eTree相比传统的绿植具有更高的科技改造空间，比如在eTree中加入空气净化功能和空气调节功能，或者通过eTree形成一张传感器监测网，都可以在更大程度上用科技改善居民生活，也同样契合了我们世界数据驱动、科技驱动的理念。

考虑我们世界的太阳能能源供给比例，计划在我们世界种200棵eTree，每棵eTree一年可以提供13800 kW·h的太阳能能量，因此eTree 的总供能在2760MW·h左右。eTree平均分布在我们世界的城区。

三、The Hyperbolic Garden

由于原垂直农场只具有农业生产这一个功能，我们考虑将其与环境模块结合，将农场构建成一个人人皆可参观的花园。因此，我们采用了“The Hyperbolic Garden”设计[iii]。

考虑将原本封闭的垂直农场建筑改为半开放式，建筑的最外圈提供一圈过道供公民在上面行走，并且在空间上开放最外圈，使公民可以远眺俯瞰周围的景物。在内壁上种植各种花卉与绿植，在彰显垂直农场作用的同时起到美化环境的作用，也可以用来进行花卉的培养。

参考图如下（图片来自原设计）：