能源模块2——细节设计
能源模块2——细节设计
水电
水能资源概况：
选址位于莲花镇与汀溪镇交界的翁仔内村（荏畲村），其水文气象条件主要受莲花镇影响最大，莲花镇位于厦门市同安区西北部山区地带，全镇地势由西北向东南倾斜，西北面属中低山地带，东南部属低丘台地和河谷平原，耕地多分布在河谷两岸，最高峰是小坪的状元尖山，海拔 1072m。全镇拥有山地 20.6 万亩，耕地 2.8 万亩，属南亚热带季风性气候区，光热资源丰富，霜期短，常年平均气温 20.8℃，月平均气温最高 28.4℃，最低 12.2℃，年日照 2138.2 小时，年积温 7681℃，年降雨量 1600-1800 毫米，全年无霜期 300 天以上，是个风水宝地。
全工程将集引水，蓄水，发电与灌溉综合利用为一身，本地天然落差约545.5m，预建设引水干渠2公里，石拱坝一座，坝顶长35m，高13.5m，建容积960立方米的压力前池，安装内径1米，长55米的压力水管，厂房250平方米，管理房900平方米，装机2台800千瓦混流式水轮发电机组，1台 320千瓦斜击式水轮发电机组，净水头100m，流量2.5立方米每秒总计装机1920千瓦，运行时间4000小时。
本着结构合理、高效精干的原则，参照《水利水电工程管理单位编制定员试行标准》的规定，电站管理运行设计为少人值守方式，运行过程中由计算机控制管理、自动化程度较髙。同时结合工程规模及管理要求，确定水电站管理机构定员数量为 6 人。根据上游来水情况，分别启用 1 台、2 台或 3 台机组发电，减少弃水、增加发电效益。制定管理制度，定时检修，保证电站安全高效运行。
根据《小坪三级水电站升级改造工程施工图设计说明书》【1】，本站属于建筑容积不大于 3000立方米的戊类建筑物，并且按照《同安县水利电力志》的施工土方石数计算，水电站总容积不超过50000立方米。
核电
项目使用的核反应堆参考MoveluX反应堆设计。该反应堆是一种热管冷却和钙化物调节的反应堆，冷却剂为钠热管冷却，没有中子减速剂；中子减速剂为钙化物（CaH2）。反应堆的热输出功率为10兆瓦，电输出功率为3至4兆瓦。主循环为自然循环，主/次循环的工作压力分别为0.1和0.3兆帕（MPa）。燃料为硅化物（U3Si2），排列方式为六边形，堆芯中有177个燃料组件。
MoveluX反应堆应用于项目的突出优势是其小型化，反应堆压力容器（RPV）的高度为2.5米，直径为6.0米，厂址面积可压缩至100平方米。发电设施设计为地下的压力容器与地上的其他设施，地面设施包括发电机和/或其他应用（热能利用、制氢等），地下设施包含反应堆初级系统（核心、热管和热交换器）。地上设施约占相当于两个压力容器的空间。此外，大气被用作终端的散热器。因此，该核电设施占据空间颇为经济，选址要求宽松。
对核电设施占据空间估测如下：
反应堆压力容器的体积约120m3。根据文档，完整的反应系统占据空间相当于三倍该体积，向上估测为500m3。为稳定性起见，设置一组平行备用的反应系统，保障运行中的反应系统出现重大故障时的电力供应。该系统的体积同样估测为500m3。参考成熟运行的商业核电站的核心设施与外围设施（控制系统、安全系统等）的体积占比，尽可能存留冗余空间，将核电设施占据空间定为20000m3。
生物质能
河岸线养殖淡水生物
在半自然的环境下加以人工监管和水质检测（pH, 温度，氨氮含量，氧含量，磷酸盐含量，硝酸盐含量等），用多孔筛网拦出10m*10m*2m共200m3的区域，保证在不对自然水体和近水土地造成超越河岸生态系统自我调节能力的影响下，进行人工养殖。
人工养殖硅藻
可用于制造可降解塑料、制作多孔陶瓷等，可用于为文昌鱼提供饲料，可以用于净化水质。http://www.polymer.cn/SCI/kjxw17793.html
硅藻脂可以作为原料生产纯烃生物柴油、硅藻壳可以用于锂离子电池负极材料、超疏水涂层和重金属吸附剂。https://faculty.sustech.edu.cn/?p=90978&tagid=huangjt&cat=5&iscss=1&snapid=1&go=1
硅藻养殖每亩年产量可达 8 吨硅藻干粉，即大约每年12kg/m2。按照100m2算，年产量可以达到1.2吨。
https://zgzcyj.com/?p=90&a=view&r=408
硅藻蛋白可以供人类食用。硅藻还可以生产其他工业原料和医药产业原料。
人工养殖文昌鱼
可提供丰富的营养。https://baike.baidu.com/item/%E6%96%87%E6%98%8C%E9%B1%BC/494869
野生文昌鱼密度可达1050条/m2，以1000条/m2计，50m2可以养殖50000条文昌鱼。
https://news.cnhnb.com/rdzx/detail/358952/
人工养殖罗非鱼
罗非鱼是一种淡水咸水都能生活的厦门常见鱼种，刺少，美味。https://baike.baidu.com/item/%E7%BD%97%E9%9D%9E%E9%B1%BC/1632562
一般来说，50x30x30cm的水槽能够养5-6条罗非鱼，以75m2计，可以养殖5000-6000只罗非鱼。
罗非鱼要怎么养，缸养罗非鱼的技巧 - 知乎 (zhihu.com)
生物质催化液化生物油
生物质直接液化技术是向装有生物质、催化剂、以水或有机物为溶剂的反应器内通入H2、CO或惰性气体，在适当的温度（150~400℃）和压力（5~30MPa）下使生物质进行热分解，进而得到液态油的技术。反应时间通常需要几分钟至几小时。与快速热解制油相比，直接液化技术可以生产出物理性质、化学性质都更为稳定的液体油。
生物质超临界液化是生物质直接液化的一种。某些物质当被压缩和加热至临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上，会同时具有液化和气体的双重特性，此时该物质被称为超临界流体。超临界流体既有与气体相当的高渗透能力和低粘度，又兼有与液体相近的密度和许多物质优良的溶解能力。生物质超临界液化正是利用了超临界流体的气液双重特性对生物质进行液化。采用水作为超临界流体的生物质超临界液化，称为水热液化。此外，将煤与生物质共液化逐渐受到关注。有研究表明，生物质与煤共液化优于单独液化。生物质与煤共液化时，利用废弃生物质中含量丰富的氢，可降低煤液化的氢耗量，提高液体产品质量，同时也使生物质得到资源化再利用。影响生物质直接液化过程的因素包括：原料种类、催化剂与溶剂、反应温度与时间、反应压力、液化的气氛等。
污泥直接热化学液化工艺
用于城市污泥的处理。据不完全统计，全国每年产生的城市干污泥量达 550 万吨，按照粗略估计，竺托邦一年产生的污泥量在500千克以下。
采用日本资源环境技术综合研究所液化法，该法不使用还原性气 体，催化剂为 Na2CO3。污泥与催化剂(与污泥质量比约为 5%)一起在热水中(300 ℃，10 MPa)进行油化处理。压力靠水的自发压力自动升到10 MPa。油的收率约为 50％，能量收率超过 70％(以高位发热量为基准)。
原理图如下：
在现有的污泥直接热化学液化工艺中，该法不需要对原料进行干燥，反应温度最低，反应所需压力较小，能量回收率和油产率最高。
http://xuebao.tust.edu.cn/docs/2018-06/20180625153405270995.pdf
该工艺可以与污水处理厂结合，按照每人每天产生200L污水计算，1544人每天可以产生308.8立方米污水，假设包括其他所有工业及农业污水，竺托邦日污水产生量为1000吨，那么按照占地面积约2.5公顷，日处理2万吨的污水厂占地面积计算，竺托邦的污水处理厂占地面积为1250m2，算上高度，大约需要12500m3。
https://www.zhihu.com/question/378881085
https://zhidao.baidu.com/question/1455848888009594980.html
农业废弃物回收利用
生物质的不同成分在不同温度下分解并形成不同的产物，但生物油的化学成分也取决于加热速率和停留时间。纤维素在250至350°C的温度下分解，形成左旋葡聚糖和其他无水纤维素。木质素在280至500°C的温度下分解形成多取代酚的低聚物和单体的三种主要成分中具有最复杂的结构和最稳定。半纤维素具有高度含氧的侧支，在加热时容易分解，因此，半纤维素是生物质中第一个在180至320°C温度下分解的成分。半纤维素的分解产生乙酸和其他有机酸，糖和呋喃。生物质热解产生的生物油具有非常复杂的化学成分，使其在原始状态下可用于发动机或化学原料。
在15%锌/HZSM-5催化剂下，以乙醇为溶剂的松木屑液化最高生物油产量为59（wt%），HHV（热值）为32.9兆焦耳/公斤。但竺托邦采用的生物质原料为稻田废弃的作物秸秆，含木质素较少，故以50生物油产量（wt%）计。下面以玉米为例：
一亩（667平方米）玉米地一季能产生 4 - 7.5t秸秆，生物质催化液化生物油的效率最高能达到59（wt%），HHV（热值）为32.9兆焦耳/公斤。玉米秸秆能产生 98.6 - 185兆焦耳/平方米的能量，约 22.5 - 42.2千瓦时/平方米。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975018301800?via=ihub
按照污水处理厂面积估算，该地占体积大约10000m3。
生物质汽化生成燃料
生物质气化是另一种将生物质转化为气态产品的热化学过程，称为生产气体或产品气，主要由CO、H2、 CO2和 CH4以及其他碳氢化合物组成。气化过程在 700 至 1200 °C 的温度下运行。 气化剂，如O2、空气、蒸汽和CO2或其混合物用于生物质气化过程。当 O2或使用空气作为气化剂，发生部分燃烧反应，为其他吸热反应提供所需的热量。另一方面，当使用蒸汽作为气化剂时，整个气化反应是吸热的，因此需要向气化反应器提供外部热量。
蒸汽已被公认为理想的气化剂，因为它可以增强许多有利的气化反应，如下所示：
然而，蒸汽生物质气化反应总体上是吸热的，因此需要外部热量来维持设定温度下的气化操作。使用热交换器的传统传热技术不适用，因为换热器表面外的传热系数较低。此外，生物质和气体在热交换器外的流动会对热交换器表面产生严重的磨损。
为了解决上述问题，竺托邦将采用双流化床（DFB）蒸汽气化。
如图所示，DFB气化炉包括两根塔，一根鼓泡流化床（BFB）塔（BFB气化炉）和一根循环流化床（CFB）塔（CFB燃烧器）。它使用蒸汽作为气化剂，并通过内部循环床材料为吸热气化过程提供所需的热量。在DFB气化系统中，固体燃料被送入BFB气化炉的床层，蒸汽从气化炉底部喷射。蒸汽气化产生的焦炭与床层材料一起流向循环流化床塔，在循环流化床柱中引入空气并燃烧焦炭以加热床层材料。然后，热化床材料和循环流化床塔中的烟道向上和流出塔，进入旋风分离器，将床层材料和烟气分开。烟气从旋风分离器顶部排出进行热回收，热床材料从旋风分离器底部流出，然后进入虹吸管。虹吸管起到密封作用，防止气体在两根柱子之间交叉流动。最后，热床材料流回BFB气化炉，为蒸汽气化提供所需的热量。来自BFB气化炉的产生气体从顶部流出反应器，然后流入另一个旋风分离器，用于分离灰分和夹带颗粒。
如果要将生产气体用于发电，则可以在高温下使用硅砂，其热值较低，但温度较高。如果气体用于纯氢气，则可以使用含氢量为62%的方解石床材料。当气体使用费托工艺生产液体燃料时，首选 50% 橄榄石砂和 50% 方解石的混合物，因为氢与 CO 的比例为 2，用于 F-T 反应。
转化效率：
由于生物质气化占地面积较小，故估算为8000m3。
沼气利用
原料来自农业生产中牲畜产生的粪便、人类生活产生的排泄物和工业有机废水等。
沼气燃烧供热
按照每千克粪便产生0.3立方米沼气来算，每立方米沼气的发热量约为20800~23600J。
假设每人每年产生2.7t粪便，即1890立方米沼气，能产生10.93千瓦时热量。
1000m³的沼气池每天的产气量在300~600m³，冬季在300m³左右，如做加热处理，则可达到450~550m³左右，气温零下38℃加热至25℃左右，每天每平方耗气量最大为0.5m³，足够供应1000m2房间取暖。
沼气发电
一般沼气CH4含量为60%±5%，可发电1.8 - 2.6度/Nm³，国产机组发电量一般为1.7 - 2.0度/Nm³，发电效率30% - 35%；进口机组可达2.0 - 2.3度/Nm³，发电效率35% - 42%。
每立方标准燃气发电量=燃气热值(MJ/Nm³)÷热耗率(MJ/kW·h)×系数(沼气机组系数一般为0.85 - 0.90)。
机组持续功率下每小时耗气量=额定功率×90%÷每立方标准燃气发电量
发电机效率：
以1000m3的沼气工程为例，30kW的发电机每小时的耗气量在15m³，24小时为360m³，每天发电量为576千瓦时，每天夏季产气高峰可产气600m³。
根据对现有工程的调查，日产气规模在500m³及以上的沼气站大约可以供给民用（500m³，约500户）。由于竺托邦人数稀少，沼气工程总量占地体积按照500m3计算。
参考：
https://www.sohu.com/a/236029717_100119247
47041f34cead4c90b86c9ecb769dd8c1.pdf (biogas.cn)
https://www.soujianzhu.cn/NormAndRules/NormContent.aspx?id=2524
太阳能
当地的太阳最优倾角辐射量每年1587.0 kWh / m^2 ，太阳能光伏板安装最优倾角为21 度 ，后续将会根据不同时间太阳光倾角情况进行定期调整。我们计划在屋顶、及地面上部分无建筑遮挡区域修建，使用太阳能板为美国国家可再生能源实验室研发的III-V 型六结结构，转化效率可达39.2%，综合考虑逆变器损失、电力传输损失等干扰因素，得到最终综合转化效率为29.4%。这样，得到每年的产能：1587.0 kWh / m^2 * 29.4% 为466.58 kWh/m^2 .
我们计划安装总面积为 7500 平方米的太阳能板，每年供能为466.58 kWh/m^2 * 7500 m^2 = 34993350 kWh ，占总供能需求约15.1%。
参考链接：
[1]https://apps.solargis.com/prospect
[2]https://www.nature.com/articles/s41560-020-0598-5
储能
锂离子电池：
由于锂离子电池的能量密度较高，且转化稳定，我们计划将其设置为主要储能方式。
存储规模：2100 MWh/3500MWh（实际储存容量/电池总容量）
能量密度：300kWh/m^3 / 500kWh/m^3 /（实际储存密度/电池最高密度）
占地体积：电池自身体积为7000m^3，加上相应建设、维护及输电设备，总体积为8000m^3
储存及使用：保持储存温度为0摄氏度，计划电池容量保持约在80%~20%，即电池充电在达到80%容量后停止，放电直至20%容量后停止。这样可以减少自放电耗损并延长电池使用寿命，且剩余的20%容量可以作为应急使用。
能源耗损：能量转化效率可达95%。在上述存储及使用条件下，考虑自放电等能量耗损及制冷等能量使用，每个充能、放能周期内能量流失约占存储量5%，该能量会定期进行输入。
参考网站：
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%94%82%E7%A6%BB%E5%AD%90%E7%94%B5%E6%B1%A0
固体储氢：
储氢：在100bar、77K环境下，NU-1501-Al吸附储氢能力为46.2kg/m^3，1kg氢可通过氢燃料电池产出约20KWh电能，则每立方米储能为924kWh。
利用质子交换膜电解池，电解制备1公斤氢需要约36KWh的电能，总共通过储氢来蓄能需要耗电831.6MWh，工业、农业生产中产生的氢气同样会输送过来进行储存。
储存规模：462MWh。
占地体积：氢气以固态吸附方式储存500m^3，综合考虑高压及低温维持设备、气体输送管道、电解及燃料电池等，预估占空间为800m^3。
参考网站：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaz8881
总储能：2562 MWh 总占地空间：8800m^3
总体储能及使用方案为：世界建立初期锂离子电池为容量80%状态。当有能源供给冗余时，优先给锂离子电池供电，直至容量达到最大容量的80%；随后在通过电解氢对固体储氢进行补充。使用时，优先使用锂离子电池，直至使用到最大容量20%，其次再是将储氢通过氢氧燃料电池发电供能；在能源急缺的应急时期，将使用锂离子电池最后的20%容量电能。
供能校核：
总体上，每年，原先总消耗能量为23160MWh，总能源生产量为24505 MWh，其中核能作为主要能源，供给15000MWh能量。在新的人口迁入后，额外需要9270MWh能量，现将核电站开启时间额外延长60%，使其产出能量为24000MWh，结合先前的能量生产冗余，可以满足新需求。
核电站产电功率为3兆瓦，每年共开启333.3天，产出能量24000MWh，在其余时间，核电站将进入关闭状态，核电站关闭时间的选取为年初时间，此段时间不会包含耗能较多的大型活动。核电站平均每天产能为72MWh，除了核电外，水电、太阳能及生物质能的供应为全年开启，其平均每天总产出能量26.40MWh，竺托邦平均每天耗能为90.08MWh。核电站开启时间，平均每月会有8.32MWh能量为产能冗余，其将被用于给锂离子电池的充电及固氢储能的维护，此段时间共333.3天。核电站关闭时期，需要消耗储能处能量，以闰年计算，其时长为32.7天，每天将消耗62.63MWh储能处能量，共2052.94MWh，这由锂离子电池的2100MWh的常规储能即可供应。