核能：

  为提高核能发电的安全性，我们采用铅基核反应堆发电

反应堆结构：

工作原理及优点：

  铅基核反应堆利用液态铅或铅铋合金作为冷却剂，它在反应堆中吸收热量并将其传导到发电系统。由于铅具有较高的熔点（铅的熔点约为 $327\text{°C}$$327\text{°C}$，铅铋合金的熔点更低，约为 $125\text{°C}$$125\text{°C}$），在正常和高温下都可以保持稳定状态，作为冷却剂具有以下几个优点：

• 高沸点：铅的沸点高达$1740\text{°C}$$1740\text{°C}$，使得反应堆在高温下仍然保持液态，大大降低了冷却剂沸腾的风险，增强了系统的安全性。

• 良好的导热性：铅和铅铋合金具有良好的导热性，能够有效传导反应堆产生的热量。

• 低反应性：与水或钠等冷却剂相比，铅在遇水或空气时反应性较低，减少了冷却剂泄漏时的安全风险。

  我们采用俄罗斯研发的 SVBR-10 小型铅铋反应堆，额定功率为 $10\text{MW}$$10\text{MW}$。

  计划核能发电为 $5559\text{MWh/year}$$5559\text{MWh/year}$，占全部能量的 $20\mathrm{\%}$$20\%$。核电站全年约需运行 $556\text{h}$$556\text{h}$。

  每个月固定时间工作 $50\text{h}$$50\text{h}$，多出的少量能量可作为应急储能。

生物质能：

1. 有机废弃物类

（1） 农业

  暂时主要考虑水稻、玉米和小麦（少量）三种植物的秸秆。根据公式秸秆量 = 经济产量 × 谷草比，及人均谷物消耗量，我们保守的估计我们的年水稻秸秆产量为 $0.97\times 190\times 2048=377446.4\text{kg}$$0.97\times 190\times 2048 = 377446.4\text{kg}$。其能量密度约为 $14.0\sim 17.6\text{MJ/kg}$$14.0\sim 17.6\text{MJ/kg}$。我们采用污泥/秸秆共气化的技术转化产氢，该技术采用污泥：秸秆=4：6的比例混合原料，该技术处理一吨原料需要消耗 $28.8$$28.8$ 度电能，产生 $6.1\times {10}^5\text{L}$$6.1\times 10^5\text{L}$ 氢气，根据氢气在标准状况下的密度大约是 $0.09\text{g/L}$$0.09\text{g/L}$，氢气的热值为 $\times 1.43\times {10}^8\text{J/kg}$$\times 1.43 \times 10^8 \text{J/kg}$，得出其大约对应 $7.8407\times {10}^9\text{J}$$7.8407 \times 10^9 \text{J}$的能量。每吨净能量产出大概在 $7.73702\times {10}^9\text{J}$$7.73702\times 10^9\text{J}$。则最终我们能产出约 $0.154337389318451\text{MW}$$0.154337389318451\text{MW}$ 的能量。

（2） 林业

  未收集到足够数据，待后续环境设计完善进行补齐。

（3） 畜牧业

  主要考虑排泄粪渣部分。根据人均每年消耗 $25.2\text{kg}$$25.2\text{kg}$猪肉，一头猪从出生到出栏约要半年，能提供 $50\sim 60\text{kg}$$50\sim 60\text{kg}$ 的净肉，得知我们应维持畜养 $2000$$2000$ 头左右的猪，每头猪每天大概产粪 $3\text{kg}$$3\text{kg}$；根据人均每年消耗 $12.3\text{kg}$$12.3\text{kg}$ 的禽肉，假设全部折合为鸡类，我们应维持畜养两万只肉鸡，每只肉鸡每天大概产 $66\text{g}$$66\text{g}$ 的粪便；对于牛类和羊类，由于数量级较小，我们暂不考虑。此处沼气转换数据尚无可靠论文来源支撑。因此暂且不计。

（4） 市政垃圾

  其中厨余垃圾按照每人每日0.15kg计算，由数据可知能产生 $2048\times 0.15\times 365\times 126.17\text{L}$$2048\times 0.15\times 365\times 126.17\text{L}$氢气，对应 $0.0059536149\text{MW}$$0.0059536149\text{MW}$ 的能量产出。

  其余可焚烧部分垃圾按每人每日 $1\text{kg}$$1\text{kg}$ 计算，由数据可知每吨垃圾约产 $540\text{kWh}$$540\text{kWh}$ 的电。则可产生 $0.13\text{MW}$$0.13\text{MW}$ 的电能。

2. 能源作物

  对于芒属作物，其可达到每公顷 $42132$$42132$ 度的年发电量，换算为 $0.05\text{MW}$$0.05\text{MW}$。

  在生物柴油方面，我们以微生物发酵油脂、工程微藻等途径作为来源。

  据资料称，在最佳条件下，微藻的产能可达 $18.945\text{kJ/L}$$18.945\text{kJ/L}$，且在一周左右的时间就可以达到饱和产量。因此，我们只需约 $13000$$13000$ 个立方体便可以完成 $0.4\text{MW}$$0.4\text{MW}$的产能。其中制氢阶段和产油脂阶段产能比为 $11.115:7.830$$11.115:7.830$。即总共产生了 $0.2346793349\text{MW}$$0.2346793349\text{MW}$ 的氢能，和 $0.1653206651\text{MW}$$0.1653206651\text{MW}$ 的储存于油脂的化学能。

生物质能其余详细实现细节和引用资料见创新设计。

风能：

  采用 Vestas V236-15 MW 型号海上风力发电机，其额定工作风速为 $14\text{m/s}$$14\text{m/s}$。茂名市周围海域风速没有达到额定风速，但仍有$7.53\text{m/s}$$7.53\text{m/s}$。

  风力发电机的瞬时输出功率可以用以下公式计算：$P=\frac{1}{2}\cdot \rho \cdot A\cdot v^3\cdot C_p$$P=\frac{1}{2}\cdot \rho \cdot A \cdot v^3 \cdot C_p$

其中：

  $P$$P$ 是风力发电机的功率输出（单位：瓦，$\text{W}$$\text{W}$）。

  $\rho$$\rho$ 是空气的密度（单位：千克/立方米，${\text{kg/m}}^3$$\text{kg/m}^3$），通常取值约为 $1.29{\text{kg/m}}^3$$1.29\text{kg/m}^3$。

  $A$$A$ 是风力发电机叶片的扫过面积（单位：平方米，${\text{m}}^2$$\text{m}^2$），可以用 $A=\pi r^2$$A=\pi r^2$计算，其中 $r$$r$ 是风机叶片的长度。

  $v$$v$ 是风速（单位：米/秒，$m/s$$m/s$），这是最重要的因素，风速的变化对发电功率有巨大的影响，因为功率与风速的三次方成正比。

  $C_p$$C_p$ 是风力发电机的功率系数，代表风能被转换为电能的效率。根据贝兹定律，最大转换效率为 $59.3\mathrm{\%}$$59.3\%$，即 $C_p$$C_p$ 的理论最大值为 $0.593$$0.593$。现代风力发电机的实际 $C_p$$C_p$ 值通常在 $0.3$$0.3$ 到 $0.5$$0.5$ 之间。

  该风力发电机组 $C_p$$C_p$值取 $0.4$$0.4$，$r=115.5\text{m}$$r=115.5\text{m}$，代入公式计算得功率约为 $4.5\text{MW}$$4.5\text{MW}$.

  每年发电 $300$$300$ 天（去除极端天气情况），每日有效发电时长 $5$$5$ 小时，得到年发电量 $6750\text{MWh}$$6750\text{MWh}$。占总发电量的 $23.8\mathrm{\%}$$23.8\%$。

太阳能：

  太阳能是过程性能源，当地的年最优倾角辐射量为 $1606.4{\text{kWh/m}}^3$$1606.4\text{kWh/m}^3$。因各地区的纬度、气候条件不同，太阳能也不同，低纬度地区太阳能较丰富.其在白天发电，晴天发电较多，阴雨天气发电少.目前，主要的利用方法是将太阳能电板铺设于每栋建筑的房顶，节省空间，将吸收的太阳能转化为电能.

  电板方面，采用背接触晶硅异质结太阳能电池，转换效率达到 $27.3\mathrm{\%}$$27.3\%$，接近极限值 $28\mathrm{\%}$$28\%$。铺设方面，倾斜角为 $17°$$17°$，为最优倾角.

  预期年发电量为 $4246673\text{kWh}$$4246673\text{kWh}$（$4.25\text{GWh}$$4.25\text{GWh}$），而每平方米的有效年发电量为 $1606.4\times 0.273=438.5472\text{kWh}$$1606.4\times 0.273=438.5472\text{kWh}$，计算可得至少需要铺设 $9683.5{\text{m}}^2$$9683.5\text{m}^2$的太阳能电板，为了提高容错率，我们计划铺设 $10500{\text{m}}^2$$10500\text{m}^2$的太阳能电板.

氢能：

  氢能作为来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，是计划中最具有创新性的设计，代表着未来的发展方向。

  氢能主要源自生物质能的藻类产氢，秸秆、污水的产氢，以及少部分的厨余垃圾，而其主要去向为重工业生产（包括石油炼化、甲醇制备等），在这里不做过多展开。而其余的去向有氢燃料电池、储氢材料等。

i.氢燃料电池：

  产生的一部分氢气作为氢燃料电池的原料，应用于汽车等领域，帮助减少居民日常生活的碳排放量以及对环境的污染。

ii.储氢材料：

  在储氢材料方面，我们决定采用效率较高的固体储氢，结合茂名当地丰富的稀土资源，应用La-Mg-Ni系储氢合金。目前，我们应用熔炼法、球磨法等多种工艺进行联合制备，其效率理论可达 $100{\text{kg/m}}^3$$100\text{kg/m}^3$，具有较大潜力。

  稀土储氢材料的应用，可以是首先将其用于蓄热泵，因为两种物性不同的稀土储氢合金，当其吸放氢时反应热量值较高，所以两者通过相互交换氢气，以实现吸收或放出热量，这就是金属氢化物蓄热泵的制热原理（见下图）。通过稀土储氢材料可以将工厂的废热或低质热能加以回收利用，从而开辟了能源高效利用的新途径。其次利用稀土储氢材料吸收或放出氢时，所产生的压力效应，可以用作热驱动的动力，还可用做机器人内部系统的动力源。加之，该合金体积小、质量轻、输出功率大，可用于制动器升降装置和温度传感器、激发器或控制等。