核能：SSR-W+ADS核能供电系统

一、成果总结

1. 燃料消耗：需400公斤核燃料（液态熔盐形式，基于实验室可实现燃耗深度调整）
2. 系统体积：核心设备约116立方米，总占地约150立方米（占地面积37.5平方米）
3. 废料产生：最终不可转化核废料约38公斤（包装后约0.5立方米，基于更现实的嬗变效率调整）
4. 发电能力：额定电功率1.5MWe，配备9MWh储能系统
5. 核心技术：SSR-W熔盐堆技术，ADS嬗变技术。

二、技术优势、可行性评价与文献支撑

体积小型化与百年运行可行性

· 原理论述：高功率密度设计（燃耗深度500,000 MWd/t）、一体化集成、先进屏蔽材料。

· 可行性评价与调整：

· 燃耗深度：当前实验室中，MSR达到的最高燃耗深度为340,000MWd/t[1]。在ADS的高嬗变效率下，燃耗深度应当有所提高。参考先进熔盐堆研发目标，将燃耗深度调整为更接近实验室研究上限的 500,000 MWd/t。

· 燃料质量调整计算：

m_fuel = E_total / Burnup = (5 MW × 36500 天) / 500,000 MWd/t = 0.365 t = 365 kg

考虑到长期发电可能出现意外需要换料，估计共需要携带400kg铀-235。

· 屏蔽体积：纳米复合屏蔽材料可显著减容，屏蔽体积约为15 m³，仍在总体积预算内 [2]。

· 百年运行：核心挑战在于结构材料在高温、强辐照下的长期耐久性。目前仍是全球研发重点，属于实验室攻关目标 [3]。需要长期监控，定期维修。

燃料高效利用可行性

· 原理论述：液态燃料在线处理、深度燃耗（90%利用率）、废物燃料化、中子经济性优化。

· 可行性评价与调整：

· 燃料利用率90%：基于加速器驱动系统（ADS）嬗变的研究模拟，在完善的在线后处理下，将燃料利用率调整为更现实的 90% [3]。

· 在线处理：该技术是熔盐堆的核心优势，但连续、高效的工程化系统仍在开发中，是实现高利用率的关键前提。

废料最小化机制可行性

原理论述：嬗变技术（聚变中子源）、元素分离。

可行性评价与调整：

• 聚变中子源（HINEG-II）：目前主要用于基础物理实验，其功率、稳定性和寿命远未达到连续商业运行百年的要求。技术路径上，采用技术成熟度更高的加速器驱动次临界系统（ADS）进行嬗变是更可行的方案 [3,6]。
• 废料量：基于ADS对次锕系核素（MA）约95%的嬗变效率模拟 [3]。
• 裂变产物质量估算：365 kg燃料（使用） × 90%裂变 ≈ 328.5 kg裂变产物。
• 可嬗变部分（假设90%被嬗变）：328.5 kg × 90% ≈ 295.6kg 被转化。
• 最终废料：328.5 kg - 295.6 kg + 不可嬗变部分（约5 kg，保守估计）≈ 38 kg。考虑固化包装基材，总废物体积约0.5m³。

三、简要设计方案

系统名称：（模块化ADS-裂变混合能源系统）

设计寿命：100年

供电对象：2000户社区或中型工业设施

核心模块配置：

• SSR-W反应堆核心（5MWth）【燃耗目标调整为500,000 MWd/t】
• 双层耐腐蚀合金容器【需使用高性能SiC复合材料等抗辐照、抗腐蚀材料】
• UHPC屏蔽层（含纳米中子毒物）[2]^{[2]}[2]

• 紧凑型加速器中子源（基于ADS技术[3,4]^{[3,4]}[3,4]）
• 废物靶件装配系统
• 中子导向与慢化装置

• 超临界CO₂布雷顿循环发电系统（效率30%合理，实验室可达更高[5]^{[5]}[5]）
• 智能热管理单元

• 9MWh锂离子电池组（防火防爆设计）【符合工业标准】
• 智能电网接口
• 远程监控系统

核心数据摘要

· 热功率：5 MW

· 运行周期：100年（免换料）【长期研发目标】

· 燃料消耗：400 kg 液态熔盐（基于500,000MWd/t燃耗深度）

· 系统体积：150 m³（占地面积37.5 m²）

· 发电能力：1.5 MWe + 9 MWh储能

· 最终废料：~38 kg（包装后约0.4 m³）

参考文献

[1] Andang Widi Harto, Alexander Agung, M. Yayan Adi Putra, et al, 

[2] Great S. Anunike, Ousmane A. Hisseine, 

[3]ADS嬗变效率参考：https://doi.org/10.1016/j.anucene.2023.110059。

[4]ADS系统技术参考：如中国CiADS（加速器驱动嬗变研究装置）项目相关技术文档。网址：www.ciads.impcas.ac.cn

https://doi.org/10.1016/j.anucene.2014.09.002

[5]超临界CO₂循环效率参考：《小型化气冷球床堆方案设计》（《原子能科学技术》2017年第7期）等研究报告指出其热电转换效率实验室环境下可达35%以上。https://yznkxjs.xml-journal.net/cn/article/doi/10.7538/yzk.2017.51.07.1167

太阳能

一、光伏系统能量产出计算

烟台年平均日照为2698.4h，太阳辐射总量年平均值为5224.4MJ/m²，若按一年365天，每天24小时计算，平均能量密度约为59.6W/m²。

1.1光伏系统效率(PR)计算

光伏电站系统效率(PR)是衡量光伏电站发电性能的核心指标，计算公式为：

PR = 实际发电量 / 理论发电量 × 100%

根据IEC61724标准，PR值计算公式可细化为：

PR = Eout / (P₀ × Hᵢ/Gᵢ,ref)

其中：

· Eoutt：光伏系统特定时段内的发电量(kWh)

· P0：STC条件下光伏系统的额定功率(kW)

· Hi：光伏方阵面上特定时段内接收到的辐射量(kWh/m²)

· Gi,ref ：定义 P0 的参考光强(1kW/m²)

山东烟台地区光伏系统效率（PR）可通过 2024 年烟台市光伏发电总装机容量与发电量，结合该地区多年平均太阳总辐照量进行计算，结果约为 76.2% （年尺度）。

计算过程

PR = Eout / (P0 × Hi / Gi,ref) × 100%

= 53.04×10^8 / (612×10^4 × 1460 / 1000) × 100% ≈ 76.2%

说明

• Eout 与 P0 数据直接来自烟台地区 2024 年光伏统计，具有年度代表性。
• Hi 采用当地实测多年平均值，接近该地区斜面辐照水平，符合 IEC 61724 中 “特定时段内方阵面辐照量” 的定义。
• 该计算结果为年度平均系统效率，不同项目因倾角、遮挡、设备老化等因素会有所差异。一般地面 / 农光互补项目在烟台地区可达 75%~80%，海上光伏略低（约 70%~75%）。

1.2 发电量计算方法

峰值小时数法

年发电量 = 年峰值小时数 × 装机容量 × PR值

· 年峰值小时数：1400h（基于山东沿海地区辐射量）

· 装机容量：假设为100kWp（可根据实际需求调整）

· PR值：取76.2%

计算：

年发电量= 1400h × 100kW × 0.762 = 106,680 kWh

1.3 考虑因素

光伏系统实际效率受多种因素影响：

· 天气、气温、光照条件变化

· 逆变器损耗（效率通常80-90%）

· 线损、器件损耗

· 灰尘损耗

· 热损耗（75.58%的入射太阳能会转化为热能）

二、实际案例参考

2.1 山东垦利海上光伏项目[4]

· 位置：山东东营东部离岸8公里海域

· 规模：100万千瓦

· 年发电量：17.8亿kWh

· 节约标煤：50万吨/年

· 减少CO₂排放：130万吨/年

此案例可作为山东沿海地区光伏发电潜力的重要参考。

[1] 国际在线山东频道《山东烟台：加快推进新能源发展和消纳》（2024-11-12）

[2] 分布式光伏项目案例（烟台，2016）

[3] IEC 61724 标准

[4] 辛钟毓全球最大开放式海上光伏项目并网发电-中国能源网2024年11月13日

三、实验室创新技术

海上光伏发电

HJT (异质结) 组件：（组件效率: 22.5% - 23.2%）

·低温度系数 (-0.26%/°C)：充分利用海水冷却效应，高温下发电损失更少。

·高双面率 (>90%)：高效利用海面高反射光，背面增益显著。 ·卓越的抗PID性能：确保在高湿、高盐雾环境下功率不衰减。

TOPCon 组件（组件效率: 22.5% - 23.0% ）

·高双面率 (80%-85%)：利用水面反射光发电。

组件级电力电子 (优化器/微逆)：可挽回因失配造成的10%-25%发电损失 解决因浪花遮蔽、鸟粪、浮台阴影等导致的组串"木桶效应"，让每块板子独立工作在最佳功率点。

海水冷却效应：系统级发电效率提升 5% - 8% 海水自然冷却光伏板，使组件工作在更低温度，从而提升输出功率。

陆上光伏发电

·BC (背接触) 组件（组件效率: 24.5% - 26.0%）将全部电极移至电池背面，彻底消除正面栅线遮挡，实现最大受光面积和极致外观。

·TOPCon 组件：（组件效率 23.0% - 24.5%）通过背面超薄氧化硅钝化层，减少电子复合，提升开路电压和效率，是目前量产高效组件的主力。

·HJT组件：（组件效率 23.5% - 24.8%）结合晶硅与非晶硅优势，效率高、温度系数低、无光衰，适合高性能分布式项目。

·AI智能跟踪支架（较固定支架发电量提升15% - 25%）：通过AI算法预测天气，控制支架实时追踪太阳，并智能规避相邻阵列阴影，最大化光照捕获。

·多路MPPT逆变器：降低复杂地形导致的失配损失 针对山地、丘陵等不平整场地，优化不同朝向、倾角组串的发电输出。

地热能

1发电产出计算

烟台属浅层地热，平均地表热流值约60mW/㎡，以常用浅层地热井深150m直径  0.2 m为例，以高温流体温差发电，一口典型的生产井热源本身可持续提供的热功率约P=q×A=0.06×1,000,000=60,000W。而对于热源产生的高温流体，假设流量m=20kg/s，ΔT=180°C，P=20×4.18×180≈15,000kW，乘以10%的发电效率大约1500kW，即1.5MW，小于商业地热井的发电功率 3 - 10 MW 区间，可以认为发电效率低，没有开发必要。（这与烟台实际地热发电情况吻合，但不排除部分热流高能区域存在开发可能）（参考地热发电现状与展望，烟台市地热资源开发利用专项规划）

2.1地源热泵（目前较可行的开发手段）

（夏天将建筑物内多余的热量抽取出来，排到地下土壤中，为室内降温。冬天从地下土壤中吸取热量，提升温度后，送到建筑物内为室内供暖。）

主要能源为浅层地热能。烟台地区土壤温度约在12-16°C。

驱动能源为电能，用于驱动压缩机、循环水泵和风机等设备。

冬季土壤温度12°C，室外平均气温0°C，夏季土壤温度15°C，室外平均气温25°C

春秋季暂且算作不需要热泵，则温差约10摄氏度，一年运行六个月。建筑热负荷约3400 kW（按单人2kW算），所需输入电功率能效比通常为5.0。

需要输入电功率 = 建筑热负荷 / 能效比 = 3400kW / 5.0 = 680kW（仅需夏冬季使用）地源热泵系统 比电调温系统节电80%左右。

2.2 太阳能跨季节储热-地源热泵供能系统（冬季土壤储冷，夏季储热）

在太阳能跨季节储热-地源热泵供热 系统中，太阳能的热量由集热器中的水吸收后，产生热水，在非供热季由水泵经由埋设于地下 的 U 形管与土壤换热，从而逐渐把土壤加热。在供热季，通过地源热泵把土壤的热量吸收，为建筑提供热量。

利用此原理同样可以处理工业余热

文献：

[1] 王善民 地热发电现状与展望《西藏科技》2022年8期

[2] 地源热泵系统在建筑领域的节能减排应用分析《资源节约与环保》 2024年第7期

[3] 烟台市地热资源开发利用专项规划（政府文件）

[4] 河北工业大学 太阳能跨季节储热-地源热泵供能系统

[5] 山东建筑大学 基于工业余热--地源热泵复合系统的地下蓄热研究

生物能

系统的能量产出来源于将所有有机废弃物通过厌氧发酵转化为沼气，然后利用热电联产机组将其转化为电和热。

1.1 确定可利用的有机废弃物总量

植物工厂残渣：年产蔬菜248吨，假设可食用部分65%，则残渣为 248吨 × 35% = 86.8吨。

水产养殖污泥：保守估计为鱼产量的10%，即 62吨 × 10% = 6.2吨。

社区厨余垃圾：1700人 × 0.3 kg/人/天 × 365天 = 186.2吨。

能源微藻：目标年产 30吨（干重）。

年废弃物总量：86.8 + 6.2 + 186.2 + 30 = 309.2吨（干物质）。

1.2 计算沼气总产量与总能量

产气率：取一个稳妥的平均值 280 m³/吨（干物质）[1]^{[1]}[1]。

年沼气产量：309.2吨×280m3/吨=86,576m3。

沼气总能量：沼气热值取 22MJ/m3，最终年总有用能约 1,523,437 MJ。

1.3 计算最终有用能产出（热电联产后）

发电效率：取 35%。

年发电量 = 1,904,672 MJ × 35% = 666,635 MJ。

换算为kWh：666,635 MJ / 3.6 MJ/kWh = 185,176 kWh。

产热效率：取 45%。

年产热量 = 1,904,672 MJ × 45% = 856,802 MJ。

年总有功能量产出：666,635 MJ（电）+ 856,802 MJ（热） = 1,523,437 MJ。

参考资料

[1] 张全国等. 《厌氧发酵技术及工程应用》，化学工业出版社，2019。混合有机废弃物（厨余、秸秆、污泥）的产沼气潜力在250-450 m³/吨之间。

[2] U.S. Energy Information Administration (EIA). "Heat Content of Natural Gas and Other Fuels". 提供了典型沼气（甲烷含量约60%）的低位热值为22-24 MJ/m³。