加载中

能源模块2——细节设计

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°C,铅铋合金的熔点更低,约为 125°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°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 10MW

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

  每个月固定时间工作 50h,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 0.97×190×2048=377446.4kg。其能量密度约为 14.017.6MJ/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 度电能,产生 6.1×105L 氢气,根据氢气在标准状况下的密度大约是 0.09g/L,氢气的热值为 ×1.43×108J/kg,得出其大约对应 7.8407×109J的能量。每吨净能量产出大概在 7.73702×109J。则最终我们能产出约 0.154337389318451MW 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 25.2kg猪肉,一头猪从出生到出栏约要半年,能提供 5060kg 的净肉,得知我们应维持畜养 2000 头左右的猪,每头猪每天大概产粪 3kg;根据人均每年消耗 12.3kg 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 66g 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 2048×0.15×365×126.17L氢气,对应 0.0059536149MW 的能量产出。

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

2. 能源作物

  对于芒属作物,其可达到每公顷 42132 度的年发电量,换算为 0.05MW

  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 18.945kJ/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 个立方体便可以完成 0.4MW的产能。其中制氢阶段和产油脂阶段产能比为 11.115:7.830。即总共产生了 0.2346793349MW 的氢能,和 0.1653206651MW 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 14m/s。茂名市周围海域风速没有达到额定风速,但仍有7.53m/s

  风力发电机的瞬时输出功率可以用以下公式计算:P=12ρAv3Cp

其中:

  P 是风力发电机的功率输出(单位:瓦,W)。

  ρ 是空气的密度(单位:千克/立方米,kg/m3),通常取值约为 1.29kg/m3

  A 是风力发电机叶片的扫过面积(单位:平方米,m2),可以用 A=πr2计算,其中 r 是风机叶片的长度。

  v 是风速(单位:米/秒,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。

  Cp 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%,即 Cp 的理论最大值为 0.593。现代风力发电机的实际 Cp 值通常在 0.30.5 之间。

  该风力发电机组 Cp值取 0.4r=115.5m,代入公式计算得功率约为 4.5MW.

  每年发电 300 天(去除极端天气情况),每日有效发电时长 5 小时,得到年发电量 6750MWh。占总发电量的 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 1606.4kWh/m3。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%,接近极限值 28%。铺设方面,倾斜角为 17°,为最优倾角.

  预期年发电量为 4246673kWh4.25GWh),而每平方米的有效年发电量为 1606.4×0.273=438.5472kWh,计算可得至少需要铺设 9683.5m2的太阳能电板,为了提高容错率,我们计划铺设 10500m2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 100kg/m3,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。

2024-09-28 20:54:19
葫芦兄弟

1 条评论 (登录以进行评论)

陈琛

有没有算过风机的体积?15mw的风机不管从体积上还是从产能上都没有必要吧?为什么不搞个小点的呢?