能源创新
能源创新
- 1. 数字孪生和智能电网
我们使用数字孪生技术对风力发电机进行数字建模，通过OpenFAST、TurbSim和MLife等开源风力涡轮机仿真工具整合了空气动力学、结构动力学、风模拟和控制系统，精确预测风力涡轮机性能和叶片使用寿命。同时实时监测海上风力涡轮机结构的疲劳状态，实现更精准的预测性维护。[1][2]
结合数字孪生技术，电网智能巡检平台能够实现实时测量感知、数字模型构建和数据驱动的模拟决策。这有助于及时发现电网隐患和问题，克服了现有智能巡检技术在检测精度、数据样本不平衡和系统相对孤立等方面的不足。数字孪生在机械故障诊断和预测中的应用也日益成熟，能够实现对设备运行状态的监控、故障智能诊断和预测。[3]
数字孪生通过数据驱动和模拟决策，能够对电网的运行、管理和控制做出先进的虚拟预测。这包括电压稳定性评估、动态稳定性分析以及可再生能源集成优化。在可再生能源微电网中，数字孪生通过实时数据、模拟和机器学习，显著提升了效率、可靠性和可持续性。特别是在可再生能源为主的电力系统中，数字孪生提供了一个高级框架，用于建模、模拟和优化这些复杂的系统，以应对电力电子设备和多能源集成带来的挑战。[4][5]
- 2. 背接触式太阳能光伏板技术
背接触式太阳能电池（Back-Contact Solar Cell，BC-SC）是一种先进的太阳能电池结构，其主要特点是将所有金属电极都放置在电池的背面，而不是传统的正面和背面都有电极的“三明治”结构[6]
由于消除了正面金属栅线的遮挡，更多的光子可以进入太阳能电池，显著减少了光学损失。这直接导致了更高的短路电流（Jsc）和整体光电转换效率（PCE）。[7]
背接触式太阳能电池的正面呈现出统一的外观，没有可见的金属栅线，使其具有更好的美学吸引力。这对于建筑一体化光伏（BIPV）和车辆等对外观有较高要求的应用场景非常有优势。此外，这种设计简化了电池的互连方式，避免了正面布线，为组件封装提供了更大的设计自由度。[8]
背接触式电池在高温和低光照等条件下仍能保持高效运行，具有良好的操作通用性。例如，研究表明IBC-SHJ（异质结）和IBC-POLO（多晶硅钝化接触）结构在不同温度和少子寿命变化下均表现出优异的性能。[9]
- 3. 超临界水制氢技术
当水的温度和压力超过其临界点（374°C和22.1 MPa）时，水进入超临界状态。在此状态下，超临界水（SCW）的物理化学性质发生显著变化，例如其密度、粘度和介电常数均不同于常态水。超临界水表现出独特的溶剂性能，可以完全溶解有机物和气体，而无机盐的溶解度则显著降低。同时，超临界水具有高扩散系数和低粘度，这些特性使其成为有机物转化的理想介质，能有效促进有机物向富氢气体转化。在超临界水环境中，水的离子积常数远高于常温常压水，使得其中的自由基反应和水解反应更容易发生，从而有利于有机物的降解和氢气的生成。[10]
超临界水气化技术可以直接处理湿生物质，避免了传统气化过程中高能耗的干燥步骤。这使得该技术在处理高含水量的有机废弃物（如废水污泥、海藻和生物质）方面具有显著优势。研究表明，超临界水气化技术可以将各种原料（包括液态原料如甲醇、乙醇、甘油、石油基碳氢化合物以及模型生物质化合物如葡萄糖和木质素）有效地转化为氢气[11]
- 4. AEM电解水制氢技术
非贵金属催化剂的使用：传统PEM电解依赖铂族金属（如IrO₂、Pt），成本高昂。而AEM电解可使用低成本过渡金属催化剂，如镍（Ni）、钴（Co）、铁（Fe）的氧化物或合金。例如，NiFeOx和NiFeCoOx等混合金属催化剂在碱性环境中表现优异，大幅降低系统造价。[12]
组件成本优化：AEM电解槽采用非全氟化膜和廉价电极支撑材料，减少了制造与维护费用。根据经济分析，这种低材料成本结构使AEM更适合大规模商业化氢能项目。[13]
动态响应快速：固体聚合物电解质使AEM能快速适应间歇性可再生能源输入（如风电或光伏波动），系统能在毫秒级响应负载变化，确保系统的稳定。[14][15]
水源灵活性：但AEM系统可使用非纯水资源（如海水或废水），减少淡水依赖。[16][17]
- 5. 蓄热式压缩空气储能技术
TS-CAES技术基于热力学循环原理，通过多级压缩机与膨胀机的配合实现能量的高效存储与释放。系统主要由压缩机、级间冷却器、高温蓄热器、储气装置、膨胀机和低温蓄热器等核心部件构成，形成完整的能量循环链。
在储能阶段，系统利用电网低谷时段的廉价电能驱动多级压缩机，将环境空气压缩至高压状态。空气在压缩过程中温度显著升高，通常可达400℃以上。与传统压缩空气储能不同，TS-CAES系统在压缩机各级之间设置了级间冷却器，将压缩热通过冷介质（水、导热油或熔融盐）捕获并存储于高温蓄热器中。压缩后的高压空气被存储在地下盐穴、废弃矿井或地上储气罐中，完成电能向压力势能的转化。[18]
在释能阶段，高压空气从储气装置释放，经过调节阀后进入膨胀机。此时，存储在高温蓄热器中的压缩热被释放，通过热交换器加热膨胀机入口的空气，使其温度回升至接近压缩前的水平。热能与压力势能的协同释放，使膨胀机获得更高的做功能力，从而产生更多电能，实现能量的高效转换。加热后的空气温度降低，存储于低温蓄热器中，形成完整的热力循环。
TS-CAES系统效率显著高于传统压缩空气储能技术。传统补燃式压缩空气储能系统效率仅为42%-54%。而TS-CAES系统通过回收压缩热并直接用于膨胀过程，效率提升至60%-70% 。例如，贵州毕节10 MW示范系统效率达60.2%，河北张家口100 MW示范项目设计效率达70.4%，湖北应城300 MW项目效率达到70%。随着技术进步，TS-CAES系统效率有望进一步提升至72.1%，接近抽水蓄能（75%-80%）的水平。[19][20]
绝热型 TS-CAES 实现零碳运行（zero-carbon-emission），因全程无需化石燃料，仅依赖电能输入。这显著减少 CO₂ 和其他排放物，助力电网脱碳。此外，TS-CAES 能快速响应可再生能源波动，如风能或光伏输出不稳定时，其储热系统提供稳定缓冲，提升再生能源利用率并减少弃光/弃风。[21]
TS-CAES系统在选址灵活性方面具有显著优势。传统压缩空气储能系统依赖地下盐穴、岩石洞穴等大型天然储气库，选址限制严格。而TS-CAES系统可采用多种储气方式，包括地下盐穴、人工硐室、压力容器和管线钢阵列等，大幅降低了地理条件限制。例如，山东泰安350 MW项目利用废弃盐穴作为储气库 ，而其他地区则可采用人工储气装置，使其能够在全国范围内推广。
能源技术有机光伏（OPV）太阳能、藻类光生物反应器、微生物燃料电池（MFC）年产量200兆瓦时其他社会协同效益：为4700户家庭提供食物、二氧化碳封存、灰水处理、公共集会空间
L 分形树
每棵树年产量0.5兆瓦时（360棵树合计180兆瓦时），其他社会效益包括雨水收集。
我结尾
在约7500平方米的面积上，我们可产生约315万千瓦的发电量。通过垂直轴风力涡轮机，我们每天每平方米可获取250至400瓦时的电力，这些电力可用于应急供电。
l 仿生花
太阳能利用：研究表明，德国的光伏电池在太阳能发电效率方面位居全球首位。这些电池被安装在叶片上，叶片可调节角度和高度。
每片叶片搭载 AXITEC 公司生产的双面光伏电池（型号：AXIbipremium XQ HC MT），住宅型配置50片，城市型配置102片，平均功率660瓦，年发电量可达144.5兆瓦（住宅型）至294.9兆瓦（城市型），符合联合国可持续发展目标第七项要求。以16米高的太阳能花为例，配备10片电池的装置年发电量可达2949兆瓦。每座太阳能花的设计中，电池和叶片的朝向均可灵活调整，确保始终朝向最佳日照方向。
风能的利用：在本设计中，利用风能，采用螺旋型垂直轴（VAWT）涡轮机的旋转叶片组合系统。
该系统由垂直风力涡轮机构成，其高度为2米，半径为0.5米，中央垂直轴连接着旋转叶片（叶片通过轴杆与涡轮机相连）。当叶片随风绕涡轮机主体旋转时，带动轴体转动并增强轴的运动，从而提升涡轮机效率。根据该地区平均风速3.2米/秒的数据，这套组合系统可产生15千瓦时的电力。
以上四种能源的创新利用形式是我们世界暂定的使用方案。由于我们世界存在大面积的口袋花园，所以我们计划在花园中布设适当数量的分形树和仿生花，作为能源的补充。而生态连廊与我们原本的局部交通方案相似，在稍作修改后可以直接应用。而FIN或许作为社区相关配套设施的一种解决方案。
设计名称 | 能源利用形式 | 设施基本原理 | 能源年产量（估算） | 制造材料 | 其他社会效益 |
克罗珀吉 | 太阳能、生物质能、化学能 | 混合系统：结合有机光伏（OPV）、光生物反应器（PBR）和植物微生物燃料电池（PMFC）。 | 未找到直接数据，按太阳能板估算200kwh/平方米/年 蔬菜60公斤/平方米/年 | 提及使用生物聚合物和生物塑料，强调可持续性。 | - 直接生产食物，促进粮食安全 |
BAU（M） 分形树 | 太阳能、风能 | 分形结构：树状空间桁架，形态模仿自然树木，最大化接收光照。 | 单棵树发电约 370 kWh（仅计算太阳能部分） | 竹材、回收塑料/金属、3D打印连接件，强调使用本地和可再生材料。 | - 收集雨水和露水，提供水资源 |
F I N 项目 | 太阳能、风能 | 资源控制：通过构建物来支持对太阳能、风能和水资源的收集与管理。 | 太阳能部分约 3,150,000 千瓦时 | 计划引入竹基础设施材 | - 强调文化认同，连接传统与现代 |
太阳能花（太阳能花-公共设施版） | 太阳能、风能 | 多功能叶片：叶片兼具发电（双面光伏板）、雨水收集和垂直农业功能。 | 一个10叶片的设施（城市尺度）年发电约 2,949 MWh | 回收钢材、汉麻混凝土（一种负碳材料） | - 叶片提供垂直农业空间，应对耕地不足 |
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