能源模块3 创新技术

               供能

本模块列出未央世界可以替换现有发电与供能装置的实验室级技术，并给出硬件自产能力的边界。全文分三部分：开头的自带件清单，第一节至第四节的水电，第五节至第十三节的光能。所列技术在 2026 年之前均已有可查证的研究依据，正文中的方括号编号对应文末参考文献。未央的能源盘子里，水电约 3400 万 kWh 是主电源，光伏只有约 465 万 kWh，定位不是发电而是省水。

自带件与不可自产件清单

本清单列出未央无法在本地再生产、只能从旧地球带入的硬件。判定口径是坏了或用完了能不能再造一个。下面按能否自产与是否消耗品分三类，因为这两类的风险完全不同。表里的携带体积按未央的规模估算：光伏装机约 2.5 MW、水电机组 11.9 MW、制氢按年产十吨氢气；消耗品按百年用量含更换代次，耐用品按寿命期的冗余备件。光伏组件本体没有单列，它由硅片、封装胶膜与背板、超白玻璃三行共同构成。这些是数量级估算，用来判断占用立方体的比例，不是精确值。

完全不能自产，且属消耗品

这一类用完就没有，只能靠携带量撑到下一次补给。

本体造不出，但属耐用品

这一类只要一次带足、按寿命冗余备份，就不构成生存级问题。

能自产的对照项

混凝土与砌体、钢结构、支架与基础、管路与阀门、保温层、普通机加工件、铜铝导线、普通钠钙玻璃、木材构件、普通水泵与皮带传动、简单电子焊接组装，都可以在本地持续生产。

一、高效混流式转轮

技术原理

长潭水电站是 1960 年代投产的中低水头混流式机组，装机约 11.9 MW、额定水头约 24 m，满发流量约 56.9 m³/s，而多年平均入库流量仅约 18 m³/s[20,21,22]，满发流量是平均流量的三倍以上。机组绝大多数时间运行在部分负荷区，效率损失就发生在那里，而不在额定工况。提升方向有三条：用计算流体力学重构并优化转轮与导叶几何；用分叶片转轮把高效稳定区间往小流量侧扩展；在叶片前缘加装涡流发生器抑制低负荷下的流动分离。

图 1  混流式水轮机结构剖面：蜗壳、导叶、转轮叶片、尾水管与发电机

图片来源：umuttemir.com（HES Çeşitleri）

研究依据

老电站在改造时普遍缺少原始设计资料，长潭水库这类 1960 年代投产的机组尤其如此。2025 年一项以西班牙 Bérchules 水电站混流式机组为对象的案例研究，把逆向设计方法、多目标遗传算法与计算流体力学结合起来，在只有残缺原始资料的条件下重构了转轮与导叶几何，避免对机组做侵入式拆解[3]。该研究分两阶段优化：第一阶段转轮叶片使型面损失降低 22.7%、二次流系数降低 16.8%，叶片最低压力从 -877325.5 Pa 提升到 -132703.4 Pa；第二阶段导叶优化又带来 9.3% 的型面损失降低与 20% 的二次流系数降低[3]。三维逆向设计方法在可逆式水泵水轮机与混流式水轮机上的适用性，另有一篇 2023 年的研究可供参照[4]。

图 2  混流式转轮压力场的 CFD 计算结果

图片来源：Jaberg & Partner，Remsach 水电站转轮优化

普通转轮的高效稳定运行区间通常在额定出力的 50% 至 100%。2025 年一项基于既有电站转轮更换工程的研究显示，采用分叶片转轮后，机组的稳定运行区间从 50% 至 100% 额定功率扩展到 0% 至 100%，同时整体效率提高、压力脉动下降[5]。

偏离最优工况时转轮叶片上会出现流动分离，这是低负荷效率下降的直接原因。2025 年一项实验研究在混流式转轮叶片前缘附近加装两对反向旋转矩形涡流发生器，先按边界层高度估算法确定尺寸，估算的叶片边界层高度为 2.5 mm、所选涡流发生器高度为 5 mm，验证了该手段在非最优工况下抑制流动分离的有效性[6]。

对未央的意义

长潭最痛的是低负荷工况，分叶片转轮这一条直接对应；而低负荷效率损失的减少，等于用同样的水多发一点电，落在未央的账上就是省水。

二、尾水管与压力脉动治理

技术原理

部分负荷下尾水管内产生的涡带是机组振动的主要来源，也是低负荷效率损失的来源之一。治理手段包括在锥管段加装 J 形槽、加长转轮锥、以及改变尾水管的布置方向，目的是压住涡带的强度与压力脉动幅值。

研究依据

2024 年一项以 HLA551-LJ-43 混流式水轮机为原型的研究，比较了原型、锥管段加装 J 形槽、加长转轮锥以及两者并用共四种方案，在设计流量 0.4 至 0.8 倍的易涡带工况下，用压力脉动频谱、涡带形态与基于熵产的能量耗散三个指标做评价[7]。另有研究专门针对尾水管压力脉动的优化降幅开展工作[8]，并比较了不同尾水管布置方向对压力脉动特性的影响[9]。

低水头混流式机组在部分负荷下的压力脉动测量存在显著不确定性。一项实验研究在 70% 额定负荷工况下，于模型低水头混流式水轮机的不同位置安装 8 个压力传感器，对水力效率与尾水管锥段的压力脉动做测量不确定度评定，并对流量计、压力变送器、扭矩传感器和转速传感器进行原位标定[2]。

图 3  混流式水轮机变速运行试验台的测点布置：扭矩传感器、压力变送器与流量计

图片来源：Bortoni 等，Energies, 2019, 12(19): 3719[23]

对未央的意义

尾水管改造不增加占地，却直接改善低负荷下的可用性。长潭长期低负荷运行，涡带与振动会同时吃掉效率和机组寿命；把这两样压下去，等于把机组可用的运行区间拓宽。

三、全功率变速运行

技术原理

定速机组只能在接近额定转速的窄范围内高效运行。变速方案通过变速发电机加功率变换器，让转速随水头和流量的变化连续调整，使机组始终逼近该工况下的最佳工作点。

研究依据

变速运行是本模块中与未央省水主线耦合最紧密的一项技术。2023 年一项针对中水头混流式水轮机真机原型的研究指出，在极端干旱日益频繁的背景下，合理使用过机水流比以往更重要，而变速运行的潜力正在于提高混流式水轮机的整体效率，从而用更少的水发出等量的电[1]。

图 4  变速水电机组实验台

图片来源：印度理工学院鲁尔基分校可持续能源中心

变速机组不只是效率手段，也是电网灵活性资源。2025 年一项研究把变速水电的控制与辅助服务做了系统梳理，将其定位为增强电网稳定性与灵活性的措施[10]。机组动态模型与用于频率支撑的动态下垂控制，分别有 2025 年与 2026 年的研究给出建模与控制方案[11,12]。变速方案要经过电力电子变换器并网，会削弱机组的物理转动惯量，必须成对处理：变速与定速抽水蓄能机组在发电工况下的动态响应差异，有 2024 年发表于 IEEE Transactions on Energy Conversion 的对比研究[13]；固定转速与变速机组共用一条引水隧洞时的运行优化框架与暂态特性，有 2025 年的研究给出[14]；双馈变速抽水蓄能机组的小扰动稳定性分析亦有 2025 年的专门文献[15]。

对未央的意义

长潭满发流量是平均流量的三倍以上，长期低负荷运行，变速是把高效区拉宽的少数手段之一。它同时把用更少的水发同样的电变成可量化的目标，这一点比任何绝对效率数字都更贴合未央的定位。

四、机组组合与调度优化

技术原理

通过机组组合与调度算法决定任一时刻投运哪几台机组、各带多少负荷，使全年累计发电量最大，同时避开振动区、控制启停频次。

研究依据

水电机组组合问题是高维、离散、非凸的优化问题。2023 年一项研究把遗传算法与动态规划结合，并引入渐进式发电流量分配以改进动态规划在适应度评价中的表现，可同时满足机组启停时长、停机与运行持续时间、出力范围等多类约束，以云南省漫湾水电站为算例验证[16]。2025 年一项研究针对非汛期短期调度，把同一水电站中同类型机组捆绑为等效机组以实现降维，建立等效机组间与机组内的双层嵌套求解框架，外层用改进量子粒子群算法分配水量，内层用动态规划求解[17]。

调度不能只追求发电量，还必须避开机组的振动区。2026 年一项研究按工程实践中采用的三区划分，把运行工况分为安全运行区、限制运行区与禁止运行区，并指出这三个区域一般是非凸的、可能含洞[18]。频繁启停会加速转轮劣化，2026 年另一项研究提出基于改进混沌麻雀搜索算法与计算流体力学结合的机组开机计划多目标优化方法[19]。

对未央的意义

多台小机组、流量偏小、非汛期长，这三条都是长潭的特征，也是等效机组捆绑与振动区约束这类方法最见成效的场景。按投入产出来排，这一节应当排在所有硬件改造之前。

五、硅基高效路线：TOPCon、背接触与混合背接触

技术原理

TOPCon 把钝化接触做在背面，用一层超薄氧化硅加掺杂多晶硅降低金属接触复合，是与现有产线兼容性最好的高效路线。背接触把正负电极全部挪到背面，正面没有栅线遮挡，受光面积最大，外观也最整齐，业界把它看作晶硅单结电池的工业终点。把异质结的钝化与背接触的结构合到一起，就是混合背接触，它追求的是在量产工艺上再挤出一段效率。

研究依据

TOPCon 的路线梳理见 2023 年《光伏研究与应用进展》[45]，p 型 TOPCon 电池的综述见 2023 年《电气与电子材料汇刊》[46]。背接触作为工业单结晶硅电池最终演进的论证见 2022 年《太阳能》[47]。背接触与异质结结合的硅异质结背接触电池已经做到 27.09%，2024 年发表于《自然·通讯》[48]，这一数字高于商用尺寸单结硅的 27.03% 纪录[27]。

对未央的意义

正面无栅线这一条，对未央的垂直墙面特别合适：墙面本来就有观感约束，背接触组件的均匀外观比常规组件更像建筑表面。

六、钙钛矿-硅叠层电池

技术原理

普通硅电池只吸收一定波段的光，其余能量以热的形式损失。叠层电池把钙钛矿与硅上下叠合，让两种带隙不同的材料分别利用太阳光谱的不同部分，从而减少热化损失。

图 5  钙钛矿-硅叠层电池的结构剖面：钙钛矿顶电池与硅底电池通过隧穿结串联

图片来源：MIT News，新型叠层太阳能电池报道

研究依据

2025 年《自然》报道了效率 33.6% 的柔性钙钛矿/硅叠层电池[24]。叠层的户外稳定性问题在更早就有了可用样本：2021 年《焦耳》报道的器件效率 28.2%，并且通过了户外稳定性测试[25]；把纳米光学设计用于单片叠层、进一步压低光学损失的工作见 2022 年《自然·纳米技术》[26]。

图 6  叠层光伏组件实物

图片来源：Maxwell 叠层电池效率进展报道，SolarBytes

判断叠层到底领先多少，需要一把统一的尺子。单结硅的现状是：商用尺寸（350 cm²）全面积世界纪录 27.03%，2025 年发表于《自然·通讯》[27]；此前硅异质结的最好成绩是 26.81%，2023 年发表于《自然·能源》[28]。各类电池口径的可比数据以 Green 等人维护的太阳能电池效率表为准[29]，引用效率数字时必须说明是实验室小面积、商用尺寸还是组件，三者不可混用。叠层的工程瓶颈不是效率，而是稳定性，强光下钙钛矿的卤化物偏析是衰减主因，2024 年已有研究给出抑制手段[30]。另一个容易被跳过的问题是铅：钙钛矿含铅，器件破损后是环境风险，器件级铅封存见 2020 年《自然》[60]，环境可持续的铅固定方案见 2023 年《自然》[61]。

对未央的意义

同一块表面多发约五成电，或者反过来保持 250 万 kWh 不变、把铺板面积砍掉三分之一，把省下的表面留给采光窗和温室。后者对未央更值。

七、多结电池与聚光

技术原理

把多个带隙不同的半导体层叠加，分别吸收不同能量的光子，同时用透镜或反射镜聚光，提高单位电池面积的输出功率。同一路线上还有变流级的功率电子：碳化硅器件能在更高频率下开关，把逆变环节的损耗和体积一起压下来。

研究依据

六结 III-V 族电池在 143 倍聚光条件下达到 47.1% 的转换效率，2020 年发表于《自然·能源》[31]，这是目前公开记录中聚光路线的高点。全钙钛矿路线的三结器件（钙钛矿-钙钛矿-硅）做到 24.4%，发表于 2024 年《能源与环境科学》[32]。碳化硅变流器设计综述见 2025 年《能源》[34]，碳化硅功率 MOSFET 的工艺综述见 2022 年《晶体》[35]。聚光必然带来散热问题，高倍聚光电池的散热器设计已有专门研究[33]。

图 7  三五族/硅叠层记录电池实物

图片来源：Fraunhofer ISE，三五族-硅叠层电池效率记录报道

对未央的意义

按单位采光面积的年发电量算，聚光路线在浙江不占优，它的核心硬件又落在不能自产的清单上，因此只作为研究储备保留。

八、双面组件、跟踪支架与表面反照率

技术原理

双面组件的正面和背面都发电，背面靠环境反射光吃饭，增益大小取决于背景反照率，也取决于支架结构对背面光的遮挡。跟踪支架让组件跟随太阳转动，把一天的入射角损失压小。

研究依据

反照率与支架结构造成的双面增益损失，有 2023 年发表于 IEEE Journal of Photovoltaics 的实测研究[36]；双面组件的能量评级方法见 2023 年《光伏研究与应用进展》[37]；能量产出的估算模型见 2021 年《能源》[38]。太阳跟踪系统的综述见 2025 年《能源》[52]；固定倾角与单轴跟踪的双面电站技术经济对比见 2020 年《太阳能》[53]；跟踪支架下地面反射板的尺寸与位置对发电量和经济性的影响，见 2024 年《光伏研究与应用进展》[54]。

对未央的意义

立方体的顶面与墙面本来就是垂直安装，垂直面的背面反射条件比地面电站好得多。把立方体表面做成高漫反射涂层，等于白捡一成的电，几乎不额外占体积。这是整套光能方案里最便宜的收益。

九、建筑一体化光伏与建筑表面设计

技术原理

建筑一体化光伏把光伏组件直接做成建筑的围护构件，代替屋面、幕墙、遮阳板或采光顶，而不是装在建好的屋面上。区别在于它同时承担发电与建筑功能：防水、承重、遮阳、采光。未央的立方体表面本来就是建筑表面，屋顶和外墙上都有，所以选型的第一个问题不是哪种电池效率最高，而是每个部位能装多少、每年能发多少度电。

研究依据

建筑一体化光伏的技术设计选项，有 2021 年《能源与建筑》的综述[62]；系统层面的综合梳理见 2024 年《国际传热传质通讯》[63]；窗与遮阳百叶方向的研究进展见 2021 年《可再生与可持续能源评论》[64]；全尺寸立面的一体化实测案例见 2025 年《能源》[65]。立面一体化最大的工程难点是自遮挡，2024 年一项研究用组件级直流优化器把立面光伏的遮挡损失压了下来[66]。屋顶系统加装直流优化器以减少遮挡损失的实测评估见 2023 年《太阳能》[59]。把光伏做成遮阳构件的研究综述见 2023 年《能源》[67]；美学对建筑一体化光伏推广的影响见 2021 年《能源连结》[69]；用于建筑一体化的半透明钙钛矿研究见 2023 年《能源与环境科学》[68]。

按建筑部位的技术组合是这样分的。屋顶以高效背接触组件为主，成熟量产组件的效率约在 24% 至 27%；外墙用不透明光伏幕墙，设计目标可先按组件效率 20% 至 25% 做方案比较，具体取决于组件类型与产品规格；玻璃区域用光伏窗或半透明组件，适合天窗、采光顶与幕墙的局部透明处。需要提醒的是，外墙的优势是增加发电面积，而不是每平方米的年发电量一定高于屋顶，这一点不能反过来宣传。

朝向要分开设计。屋顶与外墙面接收的太阳辐射差异很大，外墙还受朝向、窗墙比例与周边建筑遮挡影响。南向立面通常优先研究；东、西向立面可以补充早晨与下午的发电，但不能只凭朝向判断收益，要把邻楼遮挡、太阳高度角和实际立面面积纳入模型；北向立面不应默认放弃，但只有模拟结果证明有足够收益时，才值得大面积安装。屋顶的思路相反，先最大化可利用面积、再优化组件效率：把女儿墙、空调机组、排烟设备、楼梯间这些遮挡物纳入三维模型，比较固定倾角阵列与低倾角高密度阵列的全年发电量，而不是只追求某一天的最佳发电角度。

对未央的意义

年发电量的估算方法是把装机容量乘以当地年等效满负荷小时数[71]，其中等效小时数要取当地实测辐照数据，而不是实验室标准条件；浙江省气象部门发布的太阳能资源年景公报可作为量级参考[70]。对未央来说，一体化的价值在于把原本只用于围护的表面变成发电面，也就是补充安装面积；真正决定总量的仍是可安装面积乘上每平方米的年发电量，而不是电池的峰值效率。

十、半透明光伏与农光互补

技术原理

温室与育苗区要的是光，不是电。半透明光伏调整透光率，让作物需要的那部分光谱透过，其余波段用来发电，使同一块表面同时承担采光与发电。

研究依据

农光互补下作物生产与发电的进展与挑战，有 2022 年《可再生与可持续能源评论》的综述[49]；按植物需要的光谱设计透明度的思路见 2023 年《科学报告》[50]；温室光伏到底能供多少电，有 2023 年《能源报告》的专门测算[51]。用于建筑与温室的半透明钙钛矿器件研究见 2023 年《能源与环境科学》[68]。

对未央的意义

这一项直接改写先留够采光窗、剩下的再铺板这个顺序。半透明组件让同一块表面同时是窗和板，等于把温室从占地项变成发电项。而且透过的光是经过光谱筛选的，对育苗未必是损失。

十一、热光伏、熔盐储热与聚光光热

技术原理

热光伏先用太阳能或工业余热把材料加热到高温，再让高温材料发出热辐射，由专用的窄带隙光伏电池把辐射转成电。它与普通光伏的区别在于光源不是太阳，而是一块被加热的发射体，因此不受昼夜和天气影响。要让它连续工作，热必须存在介质里，所以这一节还包括熔盐储热与聚光集热。

研究依据

GaInAsSb/GaSb 异质结器件把热光伏效率往上推，2024 年发表于《物理脚本》[39]；GaSb 热光伏转换器的性能评估见《可再生能源杂志》[40]；系统级的光学损失削减见 2021 年《电源杂志》[41]。下一代聚光光热电站的熔盐储热性能改进见 2022 年《应用能源》[58]。

图 8  太阳能热光伏与相变储热的系统构成：定日镜、二次聚光、石墨发射体、热光伏电池与储热单元

图片来源：Science X 报道，Molten storage and thermophotovoltaics offer new solar power pathway

对未央的意义

它和聚光系统可以共用同一套聚光与跟踪机构，把太阳辐射到电能这条链条走通，并在夜间继续发电。但因为核心硬件不能自产、镜场又重，建议只作为研究储备，不作为建成时的主方案。

十二、太阳能热化学制氢

技术原理

用高温太阳能驱动金属氧化物的还原与再氧化循环，两步法分解水制氢。

研究依据

以金属氧化物为载氧体的两步水分解热化学循环综述见 2020 年《应用能源》[42]；氧化还原材料、循环与反应器的系统梳理见 2022 年《能源》[43]，这一篇是开放获取；太阳能脱碳制氢与合成气的工艺综述见 2020 年《国际氢能杂志》[44]。

图 9  太阳能高温反应器

图片来源：Science X 报道，Future fuels for everyone powered by the sun

对未央的意义

这一节与能源模块其他部分关于电解制氢的分析是同一个问题的两条路径。如果未央的氮肥和还原剂原料要求自给，热化学路线可以用高温太阳能直接驱动，不必先发电再电解，少一道转换。

十三、自清洁与抗积灰

技术原理

光伏板要清洗，清洗要用水，这一条与未央的省水主线正面冲突。超亲水与抗积灰涂层让灰尘不易附着、更容易被雨水冲走，从而把人工清洗的周期拉长。

研究依据

超亲水涂层减少积灰的性能研究见 2021 年《涂料》[55]；积灰动态与清洗效率在不同沙尘环境下的评估见 2025 年《太阳能 RRL》[56]；抗积灰涂层与水清洗之间的关系，有 2026 年《科学报告》的专门建模[57]。

对未央的意义

长潭水库在浙江沿海山地，梅雨季降水本身能承担大部分冲洗，但冬春季连续晴天的积灰会直接吃掉出力，而这恰好是未央最需要光伏出力的枯水期。涂层把清洗周期拉长，省下的不是电，是水。

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储能

在模块1绘制的能源转化桑基流图中，系统总电力供给为2650万千瓦时/年，能源来源为水力发电2500万千瓦时/年、光伏发电150万千瓦时/年；另有沼气30万千瓦时/年，用于供暖和生活用气。

系统电力在完成终端负荷分配（生活用电、农业、工业与建设、环境控制、交通电力）之外，划出250万千瓦时/年接入转化储能单元，该部分能量在充放电转换过程存在损耗，储能分为抽水蓄能（150万千瓦时/年）与钠电池化学储能（100万千瓦时/年）两类技术方案。

设置储能单元的核心目的：平抑光伏出力的间歇性波动，配合水电基荷出力，实现能量时序平移，在负荷低谷储存富余电能，负荷高峰释放电能，保障高优先级终端负荷稳定供能，优化整套系统能源分配策略[12]。

工作原理

低谷时段利用富余电力驱动水泵，将下库水体提升至上水库，将电能转化为水体重力势能储存；用电高峰时，上库水体下泄，推动水轮发电机组发电，将重力势能重新转换为电能回馈电力母线[2][3]。

技术特点与创新优势

属于大容量长时储能技术，适配本系统水电为主的能源结构，适合跨日、跨季节的大规模能量调度，单机容量大、运行稳定，寿命周期长，是本系统主力长时储能单元[1]。

关键参数

储能输入能量：150 万千瓦时/年

综合往返效率：75%[1]

水头高度：220 m[2][3]

装机容量：25 MW[3]

年充放电循环次数：280次[11]

充放电转换损耗：37.5 万千瓦时/年[11]

年有效可输出电能：112.5 万千瓦时/年[11]

工作原理

利用钠离子在正负极之间嵌脱完成充放电过程，低谷富余电能转化为电池内部化学能储存，高峰放电时化学能重新转化为电能，接入主电力母线供给负荷[4]。

技术特点与创新优势

属于新型电化学储能，相比传统锂离子电池，钠资源储量充足、原料成本更低，低温性能优异，响应速度快，适合短时调频、应急备电，和抽水蓄能形成长短时互补的复合储能体系[5][9]。

关键参数

储能输入能量：100 万千瓦时/年

充放电往返效率：88%[7]

额定容量：15 MWh[7]

循环寿命：6000 次[5][7]

能量密度：120 Wh/kg[7]

响应时间：≤20 ms[8]

充放电转换损耗：12 万千瓦时/年[7]

年有效可输出电能：88 万千瓦时/年[7]

现存挑战

创新展望

后续可优化复合储能协同调度算法，进一步降低充放电总损耗[10]；也可拓展其他创新储能方案，更新桑基图储能支路能量流量，实现系统供能性能升级。

本模块对应桑基图转化储能支路，总输入储能能量为250万千瓦时/年，由抽水蓄能150万千瓦时/年、钠电池化学储能100万千瓦时/年组成。该储能单元作为系统创新技术模块，实现水电+光伏多能系统的能量时序平移，总转换损耗49.5万千瓦时/年，年有效输出电能200.5万千瓦时/年，支撑系统能源分配与负荷优先级调度，提升整体供能可靠性[12]。

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