能源模块2 细节设计
ENERGY MODULE / 02 ENGINEERING DETAIL
细节设计：每一个数字都要能被复算
需求账本 · eVinci 微堆 · AWE · 光伏 · 潮汐风筝 · LFP / 全钒液流 · 热力系统 · 百年物资
本册作用 | 把《总览》中的每一个数字拆成「公式 + 代入值 + 结果」，供评审复核与参数替换 |
覆盖范围 | 需求侧 → 发电 → 储电 → 储热 → 输配 → 百年物资，共 8 个分系统 |
算式口径 | 全部采用「先写符号式、再代入数值」的两行格式；凡假设均显式标注 |
版本 | v5.0 白龙半岛版 · 2026 年 · 与《总览》《创新技术》同源同数 |
ABSTRACT / 摘要
本册是能源模块的「计算书 + 设备清单」。需求侧用八项人均指标加总到 16.00 GWh/a，并用典型日曲线与季节系数生成 8,760 h 负荷；供给侧逐台设备给出容量、年发电量、容量因子与体积。核能部分给出 eVinci 的热平衡、PHS 被动排热面积、12.5 次换料与乏燃料干式贮存；可再生部分给出 AWE 的风切变外推与 40% 折扣、光伏的面积—效率—辐照链、潮汐风筝的流速分布与容量因子；储能部分给出 LFP 与全钒液流的容量—体积—寿命账；最后把全口径体积拆成运行 3,961 m³ 加百年储备 3,880 m³，合计 7,841 m³，占一百万立方的 0.784%。
本册目录 / CONTENTS
一 需求侧计算书 八项指标 · 8760 h 负荷 · 峰谷比
二 核能：eVinci 微堆与热力系统 热平衡 · PHS · 换料 · 乏燃料
三 可再生：AWE、光伏、潮汐风筝 风切变 · 面积链 · 流速分布
四 储能：LFP 与全钒液流 容量 · 体积 · 寿命 · 调度
五 输配、EMS 与黑启动 ±10 kV 直流 · 四层时间尺度
六 一百年物资账与体积核算 换料 · 换电池 · 换电堆
附录 A 全部算式汇总（可替换参数复算） 符号表 + 逐项代入
复算说明 本册所有数字都可由附录 A 的算式重算。参数集中在 model.py 中：改一个人均指标或一个容量因子，全文的发电量、体积与占比会同步更新——这是「可复算」的技术含义。 |
一 需求侧计算书 DEMAND MODEL
需求侧是全部设计的起点。我们的做法是：先按「领域 × 人均指标」得到年电量，再用「典型日形状 × 季节系数」生成 8,760 h 负荷曲线，最后由曲线的最大值确定设计峰荷，峰均比 1.70 由曲线本身给出。
▌ 1.1 年电量：八项人均指标加总
总需求与平均负荷 E_year = N × e_pc = 2,000 人 × 8,000 kWh/人·a = 16,000,000 kWh/a = 16.00 GWh/a P_avg = E_year ÷ 8,760 h = 16.00×10⁶ ÷ 8,760 = 1,826 kW = 1.83 MW 其中：刚性 15.00 GWh（93.8%）＋ 柔性 1.00 GWh（6.3%） |
表 1-1 需求侧八项指标（2,000 人）
编号 | 领域 | 人均 kWh | 年电量 GWh | 占比 | 刚性 / 柔性 |
D1 | 居住 | 2,500 | 5.00 | 31.2% | 刚性 |
D2 | 公共服务 | 1,400 | 2.80 | 17.5% | 刚性 |
D3 | 农业 | 1,200 | 2.40 | 15.0% | 刚性 |
D4 | 工业 | 1,300 | 2.60 | 16.2% | 刚性 |
D5 | 交通 | 600 | 1.20 | 7.5% | 刚性 |
D6 | 算力 | 500 | 1.00 | 6.2% | 刚性 |
D7 | 水务与环境 | 400 | 0.80 | 5.0% | 柔性 |
D8 | 储能与转换损耗 | 100 | 0.20 | 1.2% | 柔性 |
— | 合计 | 8,000 | 16.00 | 100% | 刚性 15.00 / 柔性 1.00 |
来源：人均指标为课程设定值 8,000 kWh 的分解；分解依据见 1.2 节的三条理由。
▌ 1.2 为什么是 8,000 kWh：三条不得不花的钱
旧世界的城市把三件最耗能的事「外包」给了自然：农业外包给太阳与土壤，水外包给河流与季风，材料外包给全球供应链。一旦城市必须自我闭环，这三笔账就全部回到电表上。按 2,000 人的规模粗算：
表 1-2 封闭城市相对旧世界的三笔「新增账单」
农业补光与环控 | 太阳（免费） | LED 补光 约 140 W/m² × 16 h/d × 3,000 m² 种植面积 | 2.40 GWh/a（人均 1,200 kWh） |
制水与污水再生 | 河流、降雨、重力 | MSF 泵送 2.5 kWh/m³ × 900 m³/d；污水再生 1.2 kWh/m³ | 0.80 GWh/a（含新风除湿） |
材料闭环与再制造 | 全球供应链 | 3D 打印、破碎、分选、再聚合，按 1.2 kWh/kg × 1.08 t/人·a | 2.60 GWh/a（含维修） |
算力与运维 | 城市外部数据中心 | 边缘算力 + 全城传感网 + AI 调度 | 1.00 GWh/a |
来源：本模块负荷模型；单位指标按公开的植物工厂 LED 功率密度、MSF 比电耗、塑料再生电耗区间取值。
▌ 1.3 8,760 h 负荷曲线与峰荷
负荷曲线模型 L(h) = B(h) × S(m) × (1 + ε), h = 1…8760, m = 月份 B(h)：典型日基准形状（夜间 0.60、上午爬升、18:00 峰 1.70、22:00 回落） S(m)：季节系数（夏季 1.12、冬季 0.95、春秋 0.90） ε：随机扰动 ±3%（蒙特卡洛 1,000 次，取 P95） P_peak = max L(h) = 3.11 MW；P_avg = 1.83 MW；峰均比 = 1.70 |
图 1-1 月平均负荷与全年 8,760 h 持续负荷曲线
数据来源：本模块负荷模型；逐时曲线由典型日形状 × 季节系数生成。
持续曲线的形状值得注意：峰值 3.11 MW 全年只出现约 120 h，而负荷低于核能基荷 1.6 MW 的时长约 2,643 h。这 2,643 h 的核能富余被送入熔盐罐、MSF 与冰蓄冷。
▌ 1.4 刚性与柔性：15.00 与 1.00 GWh 的切分
切分的意义在于「供给不足时先砍谁」是提前写好的。刚性负荷中断即危及生存或基本运转，柔性负荷可中断、可平移。柔性只有 1.00 GWh（6.3%），看起来不多，但它是 EMS 唯一能踩的刹车：在台风周里，把柔性全部切除可以腾出 1.0 GWh，相当于 23 天的平均负荷。
二 核能：eVinci 微堆与热力系统 NUCLEAR
▌ 2.1 选型依据：为什么是热管 + TRISO
表 2-1 选型依据（四条硬约束）
需求 | eVinci 的回应 | 对设计的意义 |
占地必须极小 | 整机可集装箱运输，地上安装，占地 < 2 英亩，无需冷却水 | 塞进 0.001 km³（100 万 m³）城市的结构底层，不占城市可用空间 |
必须能「自己停下来」 | 热管无泵无阀，被动排热；PHS 靠自然对流与辐射 | 失去全部电源与人员仍能安全停堆 |
必须跟着负荷跑 | 秒–分钟级负荷跟随与甩负荷能力 | 对高比例可再生 + 小电网是刚性需求 |
必须能供热 | 可输出工艺热与区域供热 | 「废热阶梯」的源头，把 33% 抬到 72.6% |
来源：Westinghouse「eVinci Microreactor」产品页：5 MWe / 15 MWth、8 年以上免换料、热管、TRISO 19.75%、无需冷却水、< 2 英亩、秒–分钟级负荷跟随。
▌ 2.2 热平衡：11.69 GWh 电 + 23.73 GWh 废热
热平衡 P_e = 5 MWe；P_th = 15 MWth；η_e = P_e/P_th = 33.3% 年发电量 E_e = 11.69 GWh（负荷反推值）；平均出力 P_avg = E_e / 8,760 h = 11.69e6 / 8,760 = 1.33 MW 容量因子 CF = E_e / (P_e × 8,760) = 11.69 / 43.8 = 26.7%；年运行 7,750 h → 运行小时率 88.5% 年核热量 E_th = E_e ÷ η_e = 11.69 ÷ 0.33 = 35.42 GWhth 年废热 E_w = E_th − E_e = 35.42 − 11.69 = 23.73 GWhth 可回收废热 E_r = E_w × 60% = 14.01 GWhth（其余经 PHS 排入大气） 综合能量利用率 η_u = (E_e + E_r) ÷ E_th = (11.69 + 14.01) ÷ 35.42 = 72.6% |
表 2-2 eVinci 年度热平衡
项 | 数值 | 说明 |
单堆电 / 热功率 | 5 MWe / 15 MWth | 电效率 33.3% |
年发电量 | 11.69 GWh | 平均出力 1.33 MW；CF 26.7% |
年核热量 | 35.42 GWhth | 11.69 ÷ 0.33 |
年废热 | 23.73 GWhth | 占核热 67% |
可回收废热 | 14.01 GWhth | 60% 回收率 |
综合能量利用率 | 72.6% | (11.69 + 14.01) ÷ 35.42 |
堆组配置 | 1 在役 + 1 冷备 | N+1，换料 / 检修不停电 |
来源：参数取自 Westinghouse 产品页；年发电量与容量因子为本模块按负荷反推的运行策略值（CF 26.7%，等效满发 2,338 h）。
图 2-1 eVinci 能流与废热温度阶梯
数据来源：Westinghouse 产品页 + 本模块热平衡计算。
▌ 2.3 容量因子 26.7% 与运行小时率 88.5%：负荷跟随策略的结果
5 MW 跑满一年是 43.8 GWh，为本城市需求（16.00 GWh）的 2.7 倍；满发产生的电量无处消纳，只能弃电或建设巨型储能。运行策略采用负荷跟随：夜间约 1.6 MW、白天 1.1–1.9 MW，仅在台风周与冷备切换时短时上冲至 5 MW。由此得到年发电量 11.69 GWh、平均出力 1.33 MW、容量因子 26.7%，年运行 7,750 h（88.5%）、带负荷平均功率 1.5 MW。
容量因子的两种口径 容量因子 CF = E_e / (P_e × 8,760) = 11.69 GWh / 43.8 GWh = 26.7% 平均出力 P_avg = E_e / 8,760 h = 1.33 MW（约 27% 额定功率） 运行小时率 = 7,750 / 8,760 = 88.5% 两者关系：CF = 运行小时率 × 带负荷平均功率率 = 88.5% × 30% = 26.7% |
▌ 2.4 PHS：失电后的被动排热
停堆后的衰变热是核安全的核心问题。按经验公式，停堆瞬间约为额定热功率的 6.5%，1 h 后约 1.5%，1 d 后约 0.4%，30 d 后约 0.1%。对 15 MWth 堆芯，停堆 1 h 后的衰变热约 225 kW——这个量级完全可以靠空气自然对流与辐射带走。
PHS 散热面积 Q_decay(t) ≈ 0.065 × P_th × t^(-0.2)（t 以 s 计，经验近似） t = 1 h：Q ≈ 0.065 × 15 MW × (3600)^(-0.2) ≈ 0.28 MW 按最保守 0.5 MW 设计 PHS：A = Q ÷ (h_eff × ΔT) 取 h_eff = 12 W/(m²·K)（自然对流 + 辐射），ΔT = 60 K A = 500,000 W ÷ (12 × 60) = 694 m² 采用 6 组翅片式散热壁（每组 120 m²，立式布置），总散热面积 720 m²，体积约 40 m³（PHS 散热壁，计入本体包络） |
为什么这一条比发电量更重要 福岛事故的物理链条是「失电 → 失冷 → 氢气爆炸」。eVinci 用热管 + PHS 把这条链的第一环剪断了：热管不需要泵，PHS 不需要电。反应堆可以「什么都不做」地安全停在那里——这是把它放进一座 100 年无人救援的城市的唯一理由。 |
▌ 2.5 一百年换料：12.5 个堆芯与乏燃料干式贮存
换料与乏燃料 换料次数 N = 100 a ÷ 8 a/次 = 12.5 次 → 取整 13 个堆芯（含初始装料 1 个 + 后续 12 个） 单堆芯 TRISO 燃料质量 m ≈ 3 t（铀质量约 2.4 t） 总燃料质量 = 13 × 3 t = 39 t；燃料体积 = 39 t ÷ 10.5 t/m³ ≈ 3.9 m³ 乏燃料干式贮存：单容器 Φ1.5 m × 5 m ≈ 8.8 m³，12 个容器 ≈ 105 m³；含屏蔽与散热通道取 250 m³ 换料窗口 6 周，冷备堆顶替；换料期间城市由冷备堆 + 储能 + AWE + 潮汐维持 |
表 2-3 核燃料与乏燃料账
项 | 数值 | 备注 |
换料周期 | 8 年以上（西屋口径） | 本模块按 8 年保守取值 |
百年换料次数 | 12.5 次（取 13 个堆芯） | 含初始装料 |
总燃料质量 | 约 39 t（铀约 31 t） | TRISO 球 / 柱，铀密度 10.5 t/m³ |
乏燃料容器 | 12 个 × 8.8 m³ ≈ 105 m³ | NRC 运输容器口径 Φ1.5 m × 5 m |
贮存方式 | 厂址内干式贮存（混凝土模块 + 自然通风） | 100 年内不离场；不埋、不发散 |
辐射防护 | 厂界剂量 < 0.25 mSv/a | 低于天然本底（约 2.4 mSv/a）的 1/10 |
来源：TRISO 燃料质量与铀密度按公开的 eVinci 堆芯描述量级估算；容器体积取美国核管会（NRC）运输容器口径。
诚实地说：这一节是整份设计里唯一「无法被 100 年解决」的问题。乏燃料的放射性要 1 万年才能降到天然铀矿水平，而我们的城市只计划运行 100 年。我们能做的只有三件事：把它关在陶瓷里、关在钢里、关在混凝土里，并用 7,841 m³ 中的 250 m³ 为它留一个永久的、可监测的位置。这部分安排属于长期责任，超出技术设计能解决的范围。
▌ 2.6 一百年要带多少核燃料
核燃料与容器 换料周期 8 a → 100 a 需 12.5 个堆芯；取整为 13 个（初始装料 1 + 后续 12） 单堆芯燃料质量 3.0 t（铀 2.4 t，富集度 19.75%，TRISO 包覆） 总燃料质量 = 13 × 3.0 = 39 t（铀 31.2 t）；燃料体积 = 39 ÷ 10.5 = 3.9 m³ 乏燃料容器 12 只（Φ1.5 m × 5 m，8.8 m³/只），新燃料入厂与乏燃料出厂共用同一批容器 → 105.6 m³ 运输质量：燃料 39 t + 容器 12 × 25 t = 约 340 t，随首批运输舱一次带入 |
表 2-6 百年核燃料与容器
项目 | 数量 | 体积 | 质量 | 备注 |
新鲜燃料（13 个堆芯） | 13 炉 | 3.9 m³ | 39 t | TRISO 球/柱，铀密度 10.5 t/m³ |
乏燃料容器（重复使用） | 12 只 | 105.6 m³ | 12 × 25 t | 干式贮存，自然通风，厂界剂量 < 0.25 mSv/a |
堆芯内石墨与结构件 | 随堆 | — | 约 12 t | 随堆退役，不单独运输 |
合计带入 | — | 109.3 m³ | 约 340 t | 含屏蔽容器 |
来源：燃料质量与铀密度按 eVinci 堆芯公开描述的量级估算；容器尺寸取 NRC 运输容器口径。
三 可再生：AWE、光伏、潮汐风筝 RENEWABLES
▌ 3.1 AWE：把 3.1 m/s 变成 5.6 m/s
风切变外推与折扣 风切变幂律：v(h) = v(10) × (h / 10)^α，取 α = 0.14（开阔海岸） h = 300 m：v = 3.1 × (30)^0.14 ≈ 3.1 × 1.61 ≈ 5.0 m/s h = 1,000 m：v = 3.1 × (100)^0.14 ≈ 3.1 × 1.91 ≈ 5.9 m/s 功率密度 ∝ v³：(5.0/3.1)³ ≈ 4.2 倍；(5.9/3.1)³ ≈ 6.9 倍 单机理论年发电 E_AWE = 10 GWh（试验值，2025-11 内蒙古阿拉善左旗，5,000 m² 捕风伞） 本模块计入 = 10 GWh × 40% × 2 台 ÷ 2 = 4.00 GWh/a（2 台，按 1 台等效出力计） |
图 3-1 AWE 功率曲线与单机年发电核算
数据来源：《人民日报》2025-11-15；功率曲线为量级估算。
表 3-1 AWE 关键参数
参数 | 数值 | 来源 / 说明 |
捕风面积 | 5,000 m² | 《人民日报》2025-11-15：约 12 个标准篮球场 |
捕风高度 | 300–3,000 m | 同上；试验从 500 m 升至 3,000 m |
单次循环 | 约 20 min，上升一次约 500 kWh | 同上 |
单机额定 / 年发电 | 5 MW / 约 10 GWh | 同上（年 1,000 万 kWh） |
占地与用钢 | 节约约 90% | 同上；地面仅卷扬机 + 发电机房 + 伞库 |
度电成本 | 比常规陆上风电低约 30% | 同上（中国能建中电工程专家口径） |
本模块配置 | 2 × 5 MW，计入 4.00 GWh/a | 40% 折扣，为试验阶段留余量 |
台风工况 | 收伞入库（≤ 30 min），地面站按 50 m/s 风压设计 | 本模块设计假设 |
来源：《人民日报》2025-11-15 第 2 版《世界最大高空风力发电捕风伞成功开伞》；中国新闻网转载。
▌ 3.2 光伏：面积—效率—辐照三连环
装机与年发电 装机 P_pv = A_land × GCR × η_mod × 1,000 W/m² 取 A_land = 8,333 m²（顶面外圈），GCR = 0.60，η_mod = 30%（晶硅-钙钛矿叠层） P_pv = 8,333 × 0.60 × 0.30 × 1,000 = 1,500 kWp = 1.5 MWp 年发电 E_pv = A_land × GCR × H × η_mod × PR = 8,333 × 0.60 × 1,290 kWh/m² × 0.30 × 0.80 = 1.55 GWh/a 等效满发小时 = 1.55×10⁶ ÷ 1,500 = 1,033 h；容量因子 = 11.8% |
图 3-2 光伏逐月发电量与系统配置
数据来源：本模块计算；辐照取北海年总辐射 1,290 kWh/m²。
为什么只铺 0.83% 的顶面 顶面 1 km² 要同时承担五件事：光伏、光导阵列（把阳光直接送进温室）、散热器、天线、通行与停机坪。光伏每多铺 1%，温室就少 1% 的自然光。电可以储存，自然光不可储存，因此光伏的边界由温室的光照需求决定。 |
▌ 3.3 潮汐风筝：一个诚实的降级
流速约束下的容量因子 北海大潮实测：涨潮平均 0.13 m/s，落潮平均 0.31 m/s，最大 0.79–1.03 m/s Minesto Dragon 12 启动流速约 1.2 m/s → 本场地大部分时间低于启动阈值 按流速分布积分（< 1.2 m/s 的时长占 96%），6 × 1.2 MW 的年发电量： E_tidal = 7.2 MW × 8,760 h × CF = 7.2 × 8,760 × 0.0059 ≈ 0.37 GWh/a 容量因子 CF = 0.59%，仅作零占地示范与极端冗余 |
表 3-2 潮汐风筝参数与定位
参数 | 数值 | 备注 |
机型 | Dragon 12（Minesto） | 1.2 MW，干重约 28 t，翼展 12 m，系缆 55–100 m |
实证 | 法罗群岛 Vestmannasund 并网（2024-02） | 全球首个 utility-scale 潮汐风筝电站 |
启动流速 | 约 1.2 m/s | 常规潮流机组通常需 2.5 m/s 以上 |
本模块配置 | 6 × 1.2 MW = 7.2 MW | 布于铁山港潮流通道强流窗口 |
年发电 / CF | 0.37 GWh / 0.59% | 按实测流速分布保守折减 |
功能定位 | 零占地示范 + 极端冗余 | 不参与电量平衡 |
来源：Minesto「Dragon 12」产品页；北海海洋站潮流实测口径（大潮涨 0.13 m/s、落 0.31 m/s、最大 0.79–1.03 m/s）。
四 储能：LFP 与全钒液流 STORAGE
▌ 4.1 容量配置：从「最大缺口」反推
容量反推 日内最大缺口 ΔE = Σ max(0, L(h) − G(h)) × 1 h 按典型日仿真：ΔE ≈ 26 MWh/d（约占日电量 59%） LFP 承担其中 60%（快变部分）：E_LFP = 26 × 0.6 ≈ 15.6 MWh → 取 24 MWh（含 1.5 倍裕度） 全钒液流承担 40% + 跨日平移：E_VFB = 26 × 0.4 ≈ 10.4 MWh → 取 32 MWh（可支撑 0.73 天（17.5 h）平均负荷） 合计电储能 56 MWh ≈ 30.7 h 平均负荷 |
表 4-1 四级储能的容量—体积—寿命
储能 | 容量 | 功率 | 时长 | 体积 | 单位体积能量 | 寿命 |
LFP 磷酸铁锂 | 24 MWh | 12 MW | 2 h | 300 m³ | 80 kWh/m³ | ≥8,000 次 / 12 a |
全钒液流 | 32 MWh | 6 MW | 5.3 h | 900 m³ | 36 kWh/m³ | 电解液不衰减 / 电堆 20 a |
熔盐储热 | 40 MWhth | 8 MWth | 5 h | 260 m³ | 154 kWhth/m³ | 30 a |
冰蓄冷 | 50 MWhth | 8 MWth | 6 h | 715 m³ | 70 kWhth/m³ | 30 a |
来源：LFP 体积按 3.44 MWh 集装箱（约 8.8 m³/MWh，含间距）估算；全钒按 30–40 Wh/L 电解液能量密度；熔盐按 2.8 MJ/(m³·K) × 200 K 与 PCM 复合提升；冰蓄冷按 93.6 kWh/m³ 冰 × 0.75 填充率。
▌ 4.2 体积账：为什么液流比锂电「占地方」
体积核算 LFP：E_V = 24 MWh × 8.8 m³/MWh ≈ 211 m³ → 含 PCS、消防、通道取 300 m³ 全钒：V_electrolyte = 32,000 kWh ÷ 40 kWh/m³ = 800 m³ → 含电堆、管路、泵取 1,050 m³ 热储：40 MWhth ÷ 154 kWhth/m³ ≈ 260 m³；冰蓄冷：50 MWhth ÷ 70 kWhth/m³ ≈ 715 m³ |
液流的单位体积能量只有锂电的 45%，但它的「可用寿命能量」是锂电的 3 倍以上：电解液不衰减，100 年只需换 4 次电堆（1,000 m³），而锂电要换 8 次（2,400 m³）。把「初始体积 + 百年更换体积」加在一起，液流是 800 + 1,000 = 1,800 m³，锂电是 300 + 2,400 = 2,700 m³——两者接近，但液流承担的是「长时、深充放」，锂电承担的是「短时、高频」。分工不同，不能互相替代。
▌ 4.3 调度策略：SOC 与循环深度
图 4-1 典型日 SOC：LFP 一日一循环，液流承担周尺度平移
数据来源：本模块储能调度仿真。
表 4-2 四类储能的运行策略
策略 | LFP | 全钒液流 | 熔盐 / 冰蓄冷 |
循环深度 DoD | ≤ 70% | ≤ 60% | ≤ 80% |
日循环次数 | 1 次（峰谷各半） | 0.5–1 次 | 1 次（昼充夜放） |
响应时间 | < 1 s | 分钟级 | 分钟级 |
主要职责 | 调频、黑启动、云遮 | 跨昼夜、连续阴雨 | 造水、制冷、供暖 |
寿命折算 | 12 a × 8 次更换 | 20 a × 4 次更换 | 40 a（结构寿命） |
来源：本模块 EMS 设计；循环深度与响应时间取设备公开参数区间的保守值。
五 输配、EMS 与黑启动 GRID & EMS
▌ 5.1 电压等级与母线
母线参数 中压直流母线 ±10 kV：额定 20 kV 极间，允许 ±10% 波动 单极额定电流 I = P ÷ U = 5 MW ÷ 10 kV = 500 A 母线截面按 2 A/mm² 取 250 mm² 铜排（或 400 mm² 铝排） 分区：AC 区（旋转机组、泵、压缩机）/ DC 区（光伏、储能、LED、算力） AC/DC 变换环节减少 3 级，系统效率提升约 4%–6% |
表 5-1 电力系统层级与设备
层级 | 设备 | 参数 | 作用 |
源侧 | 微堆发电机出口 | 10.5 kV / 50 Hz | 经升压变接入 ±10 kV 母线 |
源侧 | AWE 地面发电机 | 0.69 kV → 10 kV | 变流后直流接入 |
源侧 | 光伏组串逆变 | 0.8 kV DC → 10 kV | MPPT + 直流并网 |
储能 | LFP PCS | 12 MW 双向 | ±10 kV 直挂 |
储能 | 全钒 PCS | 6 MW 双向 | ±10 kV 直挂 |
负荷 | 住区 / 农业 / 工业 | 750 V DC + 400 V AC | 分区变换 |
保护 | 直流断路器 + 固态开关 | 10 kA 分断，< 5 ms | 故障隔离 |
来源：本模块电气设计；电压等级参照中压直流配电网公开方案（±10 kV）。
▌ 5.2 四层时间尺度与权限红线
图 5-1 废热温度阶梯（左）与 EMS 四层时间尺度（右）
数据来源：本模块 EMS 设计。
EMS 的时间尺度从毫秒到年：毫秒级做并网/孤岛切换与故障隔离；分钟级做 LFP 调频与 AWE 收放伞；小时级做液流充放、冰蓄冷与 MSF 负荷跟随；周–年级做换料窗口、台风预案与燃料调度。权限红线写在最下面：EMS 可以调度、预测、切换，但不能解释事实、不能确定价值优先级——它输出「建议 + 置信度」，由人决定「要不要」。
▌ 5.3 黑启动：从「全黑」到「有光」的 15 分钟
黑启动时序 t = 0：LFP 黑启动（自带黑启动能力，无需外部电源） t = 30 s：±10 kV 母线建立，P0 负荷（医院、生命维持）恢复 t = 3 min：微堆控制系统上电，堆芯状态确认 t = 15 min：微堆达到 20% 功率，P1 负荷恢复 t = 60 min：AWE 放伞、光伏并网，系统进入正常调度 |
黑启动的第一电源选择 核堆的启动需要控制电源、冷却与仪表——它自己也需要「被点亮」。LFP 的黑启动能力（无需外部电源即可建立电压）是整个系统的「第一根火柴」。这也是我们把 LFP 放在「秒级」层的根本原因：它不只是储能，是系统的点火器。 |
六 一百年物资账与体积核算 HUNDRED-YEAR LEDGER
一座 100 年不返航的城市必须把设备更换列为常规作业。能源模块的百年物资账分三类：燃料、电池、电子件。把这三类全部计入体积，才是「全口径」。
图 6-1 一百年：换料、换电池、换电堆的三条时间轴
数据来源：本模块百年物资模型。
▌ 6.1 逐项体积与合计(设备寿命与百年更换计划)
体积按「设备包络」计量：水下设备（潮汐风筝按排水体积 28 m³/台、锚块 15 m³/台、海缆）全部计入；储热与储冷按热/冷单独记账；更换件按材料与关键部件的携带体积折算。
表 6-1 能源模块逐项体积（A 账 + B 账成品等效）
设备 | 数量 | 单件 m³ | 初始 m³ | 寿命 a | 百年更换 m³（成品） |
eVinci 微堆本体（含屏蔽、安全壳、PHS 接口） | 2 | 45 | 90 | 100 | 0 |
反应堆辅助系统（主换热器、熔盐回路、衰变热排出） | 1 | 30 | 30 | 40 | 60 |
热管备件（10% 冗余，逐根更换） | 1 | 3 | 3 | 100 | 0 |
AWE 地面站（卷扬机 + 发电机 + 变流） | 2 | 100 | 200 | 25 | 600 |
AWE 捕风伞（5,000 m²，折叠收纳） | 2 | 12 | 24 | 10 | 216 |
AWE 主缆绳与卷绕盘 | 2 | 1 | 2 | 10 | 18 |
光伏组件（叠层，8,333 m²） | 1 | 35 | 35 | 25 | 105 |
光伏支架与基础 | 1 | 8 | 8 | 40 | 16 |
光伏逆变器（组串式） | 1 | 4 | 4 | 12 | 32 |
潮汐风筝本体（Dragon 12，排水体积） | 6 | 30 | 180 | 20 | 720 |
潮汐锚泊与锚块（水下） | 6 | 15 | 90 | 40 | 180 |
潮汐海缆与岸基收放站 | 1 | 20 | 20 | 25 | 60 |
燃气内燃机 2 MWe（应急） | 1 | 25 | 25 | 25 | 75 |
柴油发电机组 0.5 MWe（黑启动） | 1 | 15 | 15 | 20 | 60 |
LFP 储能系统 24 MWh | 1 | 300 | 300 | 12 | 2,400 |
全钒液流电解液（32 MWh） | 1 | 800 | 800 | 100 | 0 |
全钒液流电堆与管路 | 1 | 250 | 250 | 20 | 1,000 |
熔盐双罐 40 MWhth | 1 | 260 | 260 | 40 | 520 |
熔盐泵阀与换热器 | 1 | 30 | 30 | 15 | 180 |
冰蓄冷 50 MWhth | 1 | 715 | 715 | 40 | 1,430 |
MSF 海水淡化 900 m³/d | 1 | 400 | 400 | 30 | 1,200 |
变配电 / ±10 kV 直流母线 / 保护 | 1 | 120 | 120 | 30 | 360 |
PCS / 变流器 / EMS 机柜 | 1 | 60 | 60 | 15 | 360 |
应急燃料（LNG 60 m³ + 柴油 30 m³） | 1 | 150 | 150 | 100 | 0 |
运行备件库 | 1 | 150 | 150 | 100 | 0 |
核燃料 13 炉（计入 B 账） | 13 | 0.3 | 3.9 | 8 | 3.9 |
乏燃料容器 | 12 | 8.8 | 105.6 | — | 0 |
来源：1包络体积按集装箱、储罐、机房的公开尺寸与检修间距估算。
2寿命取厂商公开口径与工程惯例的保守值；AWE 捕风伞按 10 年、LFP 按 12 年、MSF 按 30 年。
3更换次数 = ⌈100 / 寿命⌉ − 1；核燃料按 13 炉计。
体积合计 A 运行设备 = 3,961 m³ B 百年更换（成品等效）= 9,701 m³ B 实际携带（成品等效 ×0.4）= 3,880 m³ 合计 = 7,841 m³ = 0.784% 的一百万立方 |
图 6-1 能源模块体积账：7,841 个立方块 = 0.784%
数据来源：本模块设备清单（表 6-1）。
附录 A 全部算式汇总 APPENDIX A
以下为可替换参数复算的核心算式。左列为符号式，右列为本次取值与结果。
表 A-1 核心算式汇总
项目 | 算式 | 结果 |
年需求 | E = N × e_pc = 2,000 × 8,000 | 16.00 GWh/a |
平均负荷 | P_avg = E ÷ 8,760 | 1.83 MW |
设计峰荷 | P_pk = max L(h)（含季节系数与 P95 扰动） | 3.11 MW |
核能年发电 | E_e = 11.69 GWh；P_avg = E_e / 8,760 = 1.33 MW | 11.69 GWh |
核能年热量 | E_th = E_e ÷ η_e = 11.69 ÷ 0.33 | 35.42 GWhth |
废热 | E_w = E_th − E_e | 23.73 GWhth |
可回收热 | E_r = E_w × 60% | 14.01 GWhth |
综合利用率 | η_u = (E_e + E_r) ÷ E_th | 72.6% |
PHS 面积 | A = Q ÷ (h × ΔT) = 500 kW ÷ (12 × 60) | 694 m²（取 720 m²） |
AWE 年发电 | E = 10 GWh × 40% × 2 台 ÷ 2 | 4.00 GWh |
光伏装机 | P = A × GCR × η × 1,000 = 8,333 × 0.6 × 0.3 × 1 | 1.5 MWp |
光伏年发电 | E = A × GCR × H × η × PR | 1.55 GWh |
潮汐年发电 | E = 7.2 MW × 8,760 × 0.0059 | 0.37 GWh |
电储能 | E = 24 + 32 | 56 MWh ≈ 30.7 h |
热储 | E = 40 + 50 | 90 MWhth |
全口径体积 | V = A + B = 3,961 + 3,880 | 7,841 m³ / 0.784% |
总供给 / 冗余 | (17.73 − 16.00) ÷ 16.00 | 17.73 GWh / 10.8% |
应急气耗 | 0.12 GWh × 3.6 ÷ 36 MJ/Nm³ | 1.2 万 Nm³/a |
应急碳排 | 12,000 × 1.9 kg | 22.8 t CO₂/a |
来源：本模块计算书；所有参数可在 model.py 中替换后重算。
R 参考文献 / REFERENCES BIBLIOGRAPHY
计算书引用清单：设备参数取厂商公开资料，方法学取同行评议文献，本地数据取地方志与政府公开口径。
[1] Westinghouse Electric Company. (2024). eVinci Microreactor: Electricity When and Where You Need It [Technical Brochure]. Cranberry Township, PA: Westinghouse. 厂商技术资料
[2] International Atomic Energy Agency. (2012). Advances in High Temperature Gas Cooled Reactor Fuel Technology (IAEA-TECDOC-1674). Vienna: IAEA. IAEA 技术文件
[3] Petti, D., Maki, J., Hobbins, R., & Pappano, P. (2012). Key differences in the fabrication, irradiation and high temperature accident testing of US and German TRISO-coated particle fuel, and their implications on fuel performance. Nuclear Engineering and Design, 251, 149–165. ScienceDirect
[4] U.S. Nuclear Regulatory Commission. (2020). Spent Fuel Transportation Package Dimensions and Thermal Ratings (Regulatory Guide 7.9 / NUREG-series). Washington, DC: U.S. NRC. 美国核管会
[5] Sepulveda, N. A., Jenkins, J. D., Edington, A., Mallapragada, D. S., & Lester, R. K. (2021). The design space for long-duration energy storage in decarbonized power systems. Nature Energy, 6, 506–516. https://doi.org/10.1038/s41560-021-00796-8 Nature Energy
[6] International Energy Agency. (2023). Energy Technology Perspectives 2023. Paris: IEA. IEA
[7] Cherubini, A., Papini, A., Vertechy, R., & Fontana, M. (2015). Airborne wind energy systems: A review of the technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 51, 1461–1476. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.053 ScienceDirect
[8] Betz, A. (1920). Das Maximum der theoretischen Ausnutzung des Windes durch Windmotoren. Zeitschrift für das gesamte Turbinenwesen, 26, 307–309. 经典文献
[9] Global Wind Atlas Consortium. (2021). The Global Wind Atlas: High-resolution global wind resource map and data. Bulletin of the American Meteorological Society, 104(8). https://doi.org/10.1175/BAMS-D-21-0075.1 气象学期刊
[10] Minesto AB. (2024). Dragon 12: Technical Data and Design Properties. Göteborg: Minesto AB. 厂商技术资料
[11] Neill, S. P., Angeloudis, A., Robins, P. E., Walkington, I., Ward, S. L., Masters, I., et al. (2018). Tidal range energy resource and optimization: Past perspectives and future challenges. Renewable Energy, 127, 763–778. ScienceDirect
[12] Cavalcante, J., & Miranda, B. (2023). Characterization of wave power resources off the coast of Guangdong. Processes, 11(7), 2221. https://doi.org/10.3390/pr11072221 MDPI
[13] Green, M. A., Dunlop, E. D., Yoshita, M., Kopidakis, N., Bothe, K., Siefer, G., et al. (2024). Solar cell efficiency tables (Version 63). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 32(1), 3–13. https://doi.org/10.1002/pip.3750 Wiley
[14] National Renewable Energy Laboratory. (2024). Annual Technology Baseline (ATB). Golden, CO: NREL. NREL 数据集
[15] Weber, A. Z., Mench, M. M., Meyers, J. P., Ross, P. N., Gostick, J. T., & Liu, Q. (2011). Redox flow batteries: A review. Journal of Applied Electrochemistry, 41(10), 1137–1164. https://doi.org/10.1007/s10800-011-0348-2 Springer
[16] Caraballo, A., Galán-Casado, S., Caballero, R., & Serena, S. (2021). Molten salts for sensible thermal energy storage: A review and an energy performance analysis. Energies, 14(4), 1197. https://doi.org/10.3390/en14041197 MDPI
[17] Pellow, M. A., Emmott, C. J. M., Barnhart, C. J., & Benson, S. M. (2015). Hydrogen or batteries for grid storage? A net energy analysis. Energy & Environmental Science, 8(7), 1938–1952. https://doi.org/10.1039/C4EE04086D RSC
[18] Lazard. (2024). Levelized Cost of Energy Analysis, Version 17.0. New York: Lazard Frères & Co. 行业报告
[19] BloombergNEF. (2024). Lithium-Ion Battery Pack Price Survey. New York: BloombergNEF. 行业报告
[20] HiTHIUM. (2023). BESS Container 3.44 MWh: Liquid-Cooled Energy Storage Cabinet [Data Sheet]. Xiamen: HiTHIUM. 厂商技术资料
[21] Sumitomo Electric Industries. (2023). Redox Flow Battery (VRFB) Product Information. Osaka: Sumitomo Electric. 厂商技术资料
[22] Intergovernmental Panel on Climate Change. (2022). Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report. Cambridge: Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009157926 IPCC
[23] Tong, D., Zhang, Q., Zheng, Y., Caldeira, K., Shearer, C., Hong, C., et al. (2019). Committed emissions from existing energy infrastructure jeopardize 1.5 °C climate target. Nature, 572, 373–377. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1364-3 Nature
[24] Denholm, P., Ela, E., Kirby, B., & Milligan, M. (2010). The Role of Energy Storage with Renewable Electricity Generation (NREL/TP-6A2-47187). Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. NREL 报告
[25] 浙江大学. (2025). 「百万立方未来世界」课程框架与写作规范. 杭州: 浙江大学. 课程资料
0 条评论 (登录以进行评论)