项目 - 百万立方

能源模块2——细节设计

水能

1.简介：

水电站选址位于新疆伊利喀什河上，兼有发电、防洪、灌溉、蓄水、储能、养殖等综合效益。电站位于喀什河中游的吉林台峡谷段中部，西距尼勒克县城32km，距下游托海水电站95km，距伊宁市150km，与乌鲁木齐市的公路距离为850km，交通便利。坝址处断面控制了全河流域面积的63.3%、年径流量的89%和可利用水头的50%。坝址处多年平均流量112立方米/秒，多年平均径流量34.61亿立方米；设计洪水流量为1399立方米/秒(P=1/500)，校核洪水流量为2187立方米/秒(PMF)；多年平均含沙量0.40kg/立方米，多年平均输沙总量153.2万t。据乌拉斯台水文站资料统计，喀什河多年平均流冰量为1124.03立方米/a，最大行凌期146d。水库大坝为面板砂砾堆石坝，坝高157米。水库总库容25.3亿立方米，调节库容17亿立方米，为不完全多年调节水库。安装一台2.6MW混流式水轮发电机组，根据现实中的吉林台一级水电站，多年平均发电量可达到510万千瓦时。

2.工程概述：

该枢纽所在的吉林台峡谷是一个相对稳定的地块，具备修建高坝的条件。坝址河谷呈V形，谷坡陡峻。出露的岩性主要为凝灰岩、凝灰角砾岩及安山岩等。河床覆盖层厚度3～5m。库区基岩岩性为侏罗系湖沼相含煤、砂、泥岩地层，库岸地下水位均高于水库正常蓄水位，库区周边岩体为弱透水及相对隔水层，无邻谷渗漏问题；大部分库岸不存在边坡稳定问题。坝址区地震基本烈度为8度，大坝按9度设计。该水电站以发电为主，兼有灌溉和防洪效益。可使下游灌区的灌溉保证率提高到75%以上，使下游防洪标准由目前的5年～10年一遇提高到百年一遇的水平。电站枢纽建筑物分别由拦河坝、泄洪隧洞、开敞式溢洪道、发电引水隧洞、压力管道、地面式厂房及户内开关站(GIS)等组成。坝体材料为：坝轴线上游部分为河床砂砾石，下游部分为爆破开挖料。吉林台泄洪建筑物包括开敞式溢洪道和中孔泄洪洞。开敞式溢洪道利用左岸天然垭口及天然冲沟布置，设计泄量451.4立方米/秒，校核泄量为710.8立方米/秒，最大泄量为876.7立方米/秒。采用明渠开敞式进口，WES剖面堰，设弧形工作闸门和平板检修闸门各1道，堰后设消力池，底流消能。中孔泄洪洞系由导流洞改建而成，设计泄量516.5立方米/秒，校核泄量532.9立方米/秒。采用岸塔式进水口，洞身为圆拱直墙式断面，洞长807.06m。进口设拦污栅、弧形工作闸门和平板检修门各1道，出口采用挑流消能。进口采用岸塔式进水口分设拦污栅、平板检修闸门和事故闸门各1道。

3.厂房：

布置在大坝下游左岸，为地面厂房，内装一台水轮发电机组，主厂房长50m，宽12m，高25m。主变压器布置在厂房上游侧主变压器平台上。施工导流采用河床一次断流、导流洞导流、基坑全年施工的方式。临时建筑物挡水设计标准为20年一遇洪水，相应流量924立方米/秒。导流洞布置在左岸，全长1157.7m，断面尺寸8m×10.4m，为明流隧洞，进口底板高程为1285.0m，纵坡0.6%；上下游围堰均采用土石围堰，上游围堰高38.5m，下游围堰最大堰高7.5m。[1]

4.占地：

结合现实中的吉林台一级水电站，该水电站占地为30000m³

太阳能

1.简介：

选址位于新疆省哈密地区，该地年总辐射量接近6400MJ/㎡[2]，是全疆年总辐射值最多的地区。该地日照时间长，积温多，昼夜温差大，无霜期长，年太阳能辐射量仅次于西藏，具有丰富的太阳能光热资源。

2.工作原理：

利用光—电转换。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。利用270W光伏组件，其转化效率可达到16.6%。

3.污染处理：

太阳能电池板的寿命在20-30年之间，其发电功率随时间下降。对于废弃的太阳能电池板，我们将对其进行回收，对其中的污染元素进行再利用以减少对环境的污染。

4.占地：

太阳能的年发电量预计达到255万千瓦时，通过计算，铺设的太阳能电池面积=170*10^7*3600/6400000000/16.6%≈9000㎡，高度约为1.5m，则占地面积约为13000m³

核能

1.简介：

选址位于新疆伊犁盆地，该地南缘砂岩型铀成矿被论证成矿可能，并勘获可能为千吨级铀矿[3]。项目计划采用以MoveluX反应堆为原型的小型反应堆，采用了热管冷却和钙化物调节的技术，具有小型化和高效性的特点。电输出功率为3至4兆瓦。计划年发电量为680万千瓦时.

2.工作原理：

对可地浸砂岩型铀矿按一定网度布置工艺钻孔，从注液孔注入地浸液，使地浸液与铀进行充分反应,经抽液孔提出地表，在地表工厂进行萃取铀的过程。[4]浸出液采用溶有CO2+O2的水溶液，绿色安全环保，对环境影响小，极大提高了地浸采铀的本质安全度，，还使温室气体得到了资源化利用。而且浸出试剂成本仅2~3万元，相较于原先仅浸出试剂成本高达十几万元，大大降低了生产成本。隔二十米，一根约手腕粗细的软管通过钻孔把溶有CO2+O2的水溶液注入地下，只在地上露出尺许的弧度。连通地上和地下，把铀从数百米地下提取出来，进而成为核电发展的宝贵原料。[5]采用钠热管冷却作为冷却剂，这种冷却方式具有高效、稳定的优点，能够有效地将反应堆产生的热量带走。并使用钙化物（CaH2）作为中子减速剂，有助于控制核反应的速度和稳定性。核燃料的形式为由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块(内容物为富集度为3.5-5%的UO2芯块)。瓷芯块为直径1厘米，高度1厘米的圆柱体。几百个芯块叠在一起装入直径1厘米，长度约4米，厚度为1毫米左右的细长镍基合金材料套管内。

3.核废料处理：

采取深度隔离技术，通过深度钻孔，然后将核废料包裹在钢结构中，埋入地下。

4.占地：

压力容器高度为2.5米，直径为6.0米，体积约为120立方米。这是反应堆核心部分的主要占地面积。除了反应堆压力容器外，还需要考虑其他辅助设施（如冷却系统、电气控制系统等）的占地面积。并为了保证供能，额外配备一套备用装置，供需2000m³左右空间。

风能

1.简介：

新疆的风能资源丰富，主要处于新疆南边。位于新疆西北部的伊犁风能资源虽相对一般，但也处于可利用区，年>=3m/s约4000h-5000h，风速>=6m/s约1500h-2000h。新疆伊犁的风能能量密度约为100－150W/m^2，在全国位居前列，处于可利用区。[6]由于伊犁河谷南北两侧有山脉成V型，开口向西北方向，而且伊犁河流经可以形成山谷风，故将风电站设立在伊犁河谷西北部山区的山脉，最终决定将风电站选址确定在伊宁市麻扎乡和阿乌利亚乡。该地区南有伊犁河中下游，北有天山北麓，具有良好成风条件。风机面向东南侧方向，以更好承接季风和山谷风。

2.工作原理：

采用FD60A 100kW级的风机数据，我们利用Python及官网数据对其能源利用效率绘制图表。其中横轴是风速（m/s），纵轴是效率。计算方法为P（发电）*1000（单位换算）/0.5*1.29（空气密度）*12469（风叶面积）*v（风）^3，其中风力假设按速度均匀分布。在读图后，在伊犁的风速条件下在3m/s－6m/s效率取20%，6m/s至9m/s取35%，前者时间按4000h，后者时间按1500h计算，年发电量约为6.73*10^5kWh，由于存在弃风限电现象，我们假设其一年发6.5*10^5度电，世界预计装4台，寿命20年。余下的风机我们打算在工业区中继续制造。

3.污染处理：

风力发电对环境的污染除了生活垃圾和清洁布等一次性用品外，主要因素是液压油和清洗剂的泄露。可以在方圆几米内设置污染缓冲区，防止污染物渗入更多的地下水。

4.占地：

一台风机排放强度约10gCO2/kWh[8]。一台风机占地面积50m^2，而高度约为60米，算上叶片及电机，占体积约14000m^3。

参考资料

[1]吉林台一级水电站——百度百科（吉林台一级水电站_百度百科 (baidu.com)

[2]《干旱气象》期刊第26卷第4期

[3]《新疆伊犁盆地南缘砂岩型铀成矿潜力综合评价》侯惠群韩绍阳柯丹

[4]地浸采铀——百度百科（地浸采铀_百度百科 (baidu.com)

[5]《三十年，中国铀业“地浸之剑”从淬炼到起舞》《中国核工业报》2023年第32期

[6] 原版阅读-新疆风能资源的开发利用及其综合评价研究 (cnki.net)

[7] 《风能与风力发电技术》第三版7.2