中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：“雙碳”目標(biāo)是中國為應(yīng)對(duì)全球氣候變化做出的鄭重承諾，也是國家實(shí)施節(jié)能減排政策的目標(biāo)和方向。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，一方面要逐步減少化石能源的消費(fèi)量，另一方面要提升可再生能源的消費(fèi)占比。我國可再生能源分布和居民用電負(fù)荷之間存在較強(qiáng)的時(shí)空不匹配性，并且可再生能源受氣候影響存在較大的波動(dòng)性，導(dǎo)致高比例可再生能源直接并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)造成較大的影響，因此導(dǎo)致可再生能源電力的利用率較低，出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象。而大容量、高效率、低成本、選址靈活的儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱等物理儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源領(lǐng)域綠色可持續(xù)發(fā)展的重要保障。
基于固體重物的重力儲(chǔ)能技術(shù)因其不依賴水資源、選址靈活、效率高等優(yōu)勢有望成為未來缺水地區(qū)重要的儲(chǔ)能技術(shù)之一，可以很好地滿足可再生能源電力并網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求。重力儲(chǔ)能主要包括基于山體斜坡的斜坡式重力儲(chǔ)能、以及基于地下豎井和地面構(gòu)筑物的垂直式重力儲(chǔ)能等型式。下面著重對(duì)近年來國內(nèi)外基于豎井和地面構(gòu)筑物的垂直式重力儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀和示范工程進(jìn)行介紹，并進(jìn)一步對(duì)垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)垂直提升、水平轉(zhuǎn)移和自動(dòng)接駁機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)及并網(wǎng)控制技術(shù)進(jìn)行討論。
1 垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
1.1 基于豎井的重力儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀
豎井重力儲(chǔ)能選址靈活、占地小、且不受天氣和自然環(huán)境影響，相對(duì)于其它重力儲(chǔ)能型式具有更廣泛的適應(yīng)性。
2013年，英國Fraenkel Weight公司提出了基于廢棄豎井和單卷揚(yáng)提升機(jī)提升單個(gè)重物的重力儲(chǔ)能方案；2020年，英國Gravitricity公司提出了基于廢棄豎井和多卷揚(yáng)提升機(jī)提升單個(gè)重物和多個(gè)重物的重力儲(chǔ)能方案，可以在150-1500 m深的鉆井中重復(fù)吊起與放下高度16 m、重量500-5000ton的鉆機(jī)，在用電低谷時(shí)將鉆機(jī)拉升至廢棄礦井頂部，而在用電高峰時(shí)再讓鉆機(jī)落下，進(jìn)而釋放存儲(chǔ)起來的能量，如圖1（a）所示。該系統(tǒng)還可以控制重物提升和下落速度，以調(diào)節(jié)儲(chǔ)/發(fā)電功率。該公司聲稱此系統(tǒng)可以在1s之內(nèi)反應(yīng)，使用壽命長達(dá)50年，效率最高可達(dá)90%，并計(jì)劃在利斯港口建成4 MW級(jí)全尺寸重力儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前，Gravitricity公司已經(jīng)利用15 m的鉆井平臺(tái)完成了250 kW原理演示系統(tǒng)的測試。2021年，美國學(xué)者提出了在單個(gè)豎井中利用兩個(gè)獨(dú)立的卷揚(yáng)提升機(jī)分別提升多個(gè)重物的重力儲(chǔ)能方案。
在國內(nèi)，2018年，葛洲壩中科儲(chǔ)能技術(shù)公司提出了利用廢棄礦井和礦井提升機(jī)提升單個(gè)重物的方案；2019年，中煤能源研究院提出了利用廢棄礦井和礦井提升機(jī)提升多個(gè)重物的方案；2021年，中國科學(xué)院電工研究所提出了多種基于豎井和龍門提升機(jī)提升多個(gè)重物的重力儲(chǔ)能方案：利用自動(dòng)吊具或罐籠實(shí)現(xiàn)多個(gè)重物的吊裝，多個(gè)重物可以橫向停放在巷道或豎向疊放在豎井中，并采用AGV地平車進(jìn)行水平轉(zhuǎn)載。2022年，中國科學(xué)院電工研究所完成國內(nèi)首個(gè)利用單梁門式提升機(jī)的10kW級(jí)豎井重力儲(chǔ)能原理樣機(jī)的研制和充放電性能測試，如圖1（b）所示。該樣機(jī)通過四象限變流器實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)發(fā)電機(jī)的控制，可以采用孤島模式或并網(wǎng)模式運(yùn)行。另外，還通過PLC對(duì)軌道平車、自動(dòng)吊具和卷揚(yáng)提升機(jī)進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。
表1所示為國內(nèi)外比較有代表性的豎井重力儲(chǔ)能研究開發(fā)項(xiàng)目?？梢钥闯?，豎井重力儲(chǔ)能的研發(fā)工作相對(duì)較少，大多數(shù)工作僅僅提出了概念設(shè)計(jì)方案，缺少樣機(jī)或示范工程進(jìn)行實(shí)證。
2022年，英美等國家政府部門為支撐可再生能源的消納，開始布局豎井重力儲(chǔ)能項(xiàng)目的研發(fā)。美國能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)于2022年4月宣布最新一期的OPEN2021開放招標(biāo)計(jì)劃，資助1.75億美元支持變革性清潔能源技術(shù)研發(fā)，助力美國2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)。在儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，布局了將廢棄油氣井轉(zhuǎn)換為重力井的儲(chǔ)能項(xiàng)目[13]。英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部(BEIS)于2022年5月宣布“長時(shí)儲(chǔ)能示范計(jì)劃”(LODES)第一階段招標(biāo)結(jié)果，投入670萬英鎊支持24個(gè)創(chuàng)新儲(chǔ)能技術(shù)項(xiàng)目，以促進(jìn)風(fēng)、光等波動(dòng)性可再生能源消納，助力英國能源系統(tǒng)向綠色轉(zhuǎn)型。在電力儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，布局了豎井重力儲(chǔ)能項(xiàng)目。
豎井重力儲(chǔ)能根據(jù)井道結(jié)構(gòu)和重物運(yùn)行通道的不同，可以分為兩種類型：一種是基于豎井巷道和罐籠的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，比較適合于基于現(xiàn)有的廢棄豎井和巷道來建造，如圖2（a）所示；另一種是基于豎井和自動(dòng)吊具的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，比較適合于利用新掘豎井來建設(shè)，如圖2（b）所示。
1.2 基于地面構(gòu)筑物的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)
與豎井重力儲(chǔ)能類似，基于地面構(gòu)筑物的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)也具有選址靈活、占地小等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的適應(yīng)性。表2所示為國內(nèi)外比較有代表性的基于地面構(gòu)筑物的重力儲(chǔ)能研究開發(fā)項(xiàng)目。可以看出，瑞士EV公司和中國天楹集團(tuán)進(jìn)行了較多的研究開發(fā)工作，目前已開發(fā)出工程示范樣機(jī)系統(tǒng)。
2018年，瑞士Energy Vault公司提出基于六臂塔吊和多重物塊堆疊成塔的第一代重力儲(chǔ)能技術(shù)方案(EV1)，并于2019年開始進(jìn)行4 MW/35 MWh重力儲(chǔ)能示范樣機(jī)系統(tǒng)建設(shè)和初步測試，如圖3(a)所示。高塔重力儲(chǔ)能對(duì)于重物的堆疊方式和高度有著嚴(yán)格的要求，塔吊的高度受限，重物吊裝過程會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)和扭動(dòng)，難以精準(zhǔn)定位。另外，多層重力塔的穩(wěn)定性同樣存在技術(shù)難點(diǎn)。2021年，Energy Vault公司提出基于電梯轎廂和地面構(gòu)筑物的第二代重力儲(chǔ)能技術(shù)方案(EVx)，并啟動(dòng)EVx示范樣機(jī)的建設(shè)工作，如圖3(b)所示。
2017年，徐州中礦大公司提出利用門式提升機(jī)的支撐架配備多倍率滑輪組實(shí)現(xiàn)重載，通過升降重物進(jìn)行儲(chǔ)能的方案；2020年，上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院提出利用多層承重墻配備多組行吊，在墻壁之間堆疊重物實(shí)現(xiàn)重力儲(chǔ)能的方案，可滿足1 MWh-10 MWh的儲(chǔ)能需求，并且電能存儲(chǔ)時(shí)間可長可短，如圖4所示；2021年，中國天楹集團(tuán)取得瑞士Energy Vault公司技術(shù)授權(quán)，并于2022年初啟動(dòng)了基于地面構(gòu)筑物(147m高差)的25MW/100 MWh垂直式矩陣型重力儲(chǔ)能示范工程的建設(shè)工作。2021年，中國科學(xué)院電工研究所提出了一種基于山體陡坡和高墩橋梁/豎井隧道的垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖5所示。當(dāng)前的高墩橋梁和豎井隧道的高度差均可做到200m以上量級(jí)，并可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有交通系統(tǒng)相融合，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。另外，國家電投集團(tuán)、華能集團(tuán)還分別提出了基于退役的電廠冷卻塔和風(fēng)機(jī)塔筒群的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)廢棄資源的二次利用。
2 垂直提升機(jī)技術(shù)方案分析
2.1 垂直提升機(jī)的分類
垂直提升機(jī)主要分為基于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的卷揚(yáng)機(jī)方案、直線電機(jī)方案和基于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的液壓頂升機(jī)方案。垂直式卷揚(yáng)提升機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟，礦用卷揚(yáng)提升機(jī)的最大提升高度可達(dá)2000m以上，有效載荷可達(dá)60 ton；在門式卷揚(yáng)提升機(jī)領(lǐng)域，利用多個(gè)卷揚(yáng)機(jī)和高倍率滑輪組配合，其提升高度可達(dá)百m級(jí)，提升重量可達(dá)2萬ton以上，但提升速度較慢，僅為0.2m/min左右。研發(fā)大提升高度的重載快速提升機(jī)對(duì)于提升重力儲(chǔ)能的單機(jī)功率具有積極意義。
垂直式卷揚(yáng)提升機(jī)在單個(gè)通道內(nèi)一般只能提升單個(gè)重物，通道空間無法得到有效利用，另外，超高層建筑和超深礦井卷揚(yáng)提升系統(tǒng)的鋼絲繩很長，會(huì)影響到系統(tǒng)的效率，同時(shí)柔性鋼絲繩的振蕩也會(huì)影響系統(tǒng)暫態(tài)過程穩(wěn)定性。因此將直線電機(jī)用于垂直提升領(lǐng)域也具有一定意義，可以在一個(gè)通道內(nèi)同時(shí)提升多個(gè)重物。河南理工大學(xué)研制出利用直線永磁同步電機(jī)的直驅(qū)快速電梯樣機(jī)，其承載力約為3ton，采用多段初級(jí)分段供電的方式以降低損耗。研發(fā)大推動(dòng)力的直線電機(jī)將具有非常積極的意義?；谝簤簷C(jī)構(gòu)的頂升機(jī)盡管最大載荷也可達(dá)到萬ton級(jí)，但其升降高度一般不超過20m，因此難以用于重力儲(chǔ)能的垂直提升機(jī)構(gòu)，但可以用于重物的接駁、碼垛等操作?？梢钥闯觯頁P(yáng)提升技術(shù)成熟度最高，下面重點(diǎn)對(duì)不同卷揚(yáng)提升技術(shù)進(jìn)行討論。
2.2 塔式卷揚(yáng)提升機(jī)方案
塔式提升機(jī)在建筑領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)重物的水平移動(dòng)和360度旋轉(zhuǎn)，因此無需采用特殊的轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)重物的碼放。缺點(diǎn)是由于采用了懸臂梁結(jié)構(gòu)，在長臂遠(yuǎn)端載重量比較小。瑞士EV公司采用的塔式提升機(jī)采用了6臂對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其高度110 m，單臂整體長度約80 m，單臂載重量30噸左右，如圖6所示。
2.3 礦用卷揚(yáng)提升機(jī)方案
礦井提升機(jī)主要分為單繩纏繞式和多繩摩擦式兩種類型。常用的雙罐籠礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7所示。目前，國內(nèi)中信重工研發(fā)的多繩摩擦式礦井提升機(jī)最大提升高度為1150 m，最大提升速度為14 m/s，最大有效載荷為50 ton，電動(dòng)機(jī)功率最大為6.3 MW；國外德國和瑞典研發(fā)的多繩摩擦式礦井提升機(jī)最大提升高度為2000 m，最大提升速度為20 m/s，最大有效載荷為60 ton，電動(dòng)機(jī)功率最大為9.9 MW。礦井提升機(jī)用于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)重物提升具有載荷、速度等方面的優(yōu)勢，但單繩礦用提升機(jī)在運(yùn)行過程中由于捻向而產(chǎn)生扭力，對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生壓力和摩擦損耗；多繩摩擦式礦用提升機(jī)則會(huì)在制動(dòng)等過程中在摩擦輪上產(chǎn)生摩擦損耗。
2.4 電梯用卷揚(yáng)提升機(jī)方案
目前用的電梯用卷揚(yáng)提升機(jī)一般采用曳引驅(qū)動(dòng)方式、采用對(duì)重與載人或載貨轎廂重量平衡，以降低系統(tǒng)運(yùn)行損耗。如果采用強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)方式，需要將載人或載貨轎廂下降過程中的能量利用起來才能獲得較高的效率。對(duì)于重力儲(chǔ)能來說，只能采用強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)方式。電梯用卷揚(yáng)提升機(jī)的機(jī)組一般位于建筑物頂部，載重量比較低，用于重力儲(chǔ)能需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。中國天楹聯(lián)合EV公司提出一種新型的大功率電梯卷揚(yáng)機(jī)方案，采用動(dòng)力軸在多個(gè)電梯井道內(nèi)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)轎廂，多個(gè)轎廂的卷揚(yáng)系統(tǒng)通過離合器實(shí)現(xiàn)與動(dòng)力軸的連接。引入機(jī)械離合器，可以實(shí)現(xiàn)轎廂與驅(qū)動(dòng)軸的靈活切入和切出，如何減少重物動(dòng)能在機(jī)械離合器中的損失并減少機(jī)械摩擦損耗是需要解決的重要問題。
2.5 重載門式卷揚(yáng)提升機(jī)方案
門式起重機(jī)是室外貨場，散貨裝卸作業(yè)中常見的吊裝設(shè)備。2008年，大連重工研制出“泰山”20000t橋式起重機(jī)，如圖8所示。該機(jī)總體高度為119m，主梁跨度為125m，這臺(tái)吊機(jī)共有12套卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，整機(jī)共48個(gè)吊點(diǎn)，最大起升重量達(dá)20160t，起升速度0.2m/min。另外，振華重工還研制出世界上載重能力最大的“宏海號(hào)”門式起重機(jī)，由2臺(tái)拱形龍門吊組成，每臺(tái)龍門吊的吊裝能力均為11000 t，組合后吊裝能力達(dá)到22000 t。
大型的重載門式卷揚(yáng)提升機(jī)在垂直升船機(jī)領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用。以三峽升船機(jī)為例，其最大提升高度為113 m、最大提升重量超過1.55萬ton，其承船廂長132m、寬23.4m、高10m，可提升3000ton級(jí)的船舶過壩，如圖9所示。
重載門式提升機(jī)通過多卷揚(yáng)、多滑輪組和多吊點(diǎn)的組合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)萬ton級(jí)的載重能力，但是多滑輪組的配合會(huì)帶來更多的摩擦損耗，如何降低系統(tǒng)機(jī)械損耗是需要解決的重要問題。
2.6 循環(huán)傳送鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)方案
傳統(tǒng)的垂直式卷揚(yáng)提升機(jī)難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性操作，作為重力儲(chǔ)能應(yīng)用會(huì)帶來功率間歇問題。燊能集團(tuán)和華電集團(tuán)均提出了基于垂直式循環(huán)傳送鏈提升機(jī)的技術(shù)方案，通過掛鉤或刮板將水平傳送鏈傳遞過來的重物接駁到垂直傳送鏈上，如圖10所示。如何實(shí)現(xiàn)重物在運(yùn)動(dòng)過程的自動(dòng)接駁、降低傳動(dòng)鏈在重物接駁過程的沖擊和傳動(dòng)鏈的損耗是需要解決的重要問題。
2.7 多卷揚(yáng)提升機(jī)方案
對(duì)于大噸位提升機(jī)而言，針對(duì)增加鋼絲繩強(qiáng)度或增大滑輪組倍率的方法難以解決起重力矩不足的問題，目前常采用的方法是采用多卷揚(yáng)系統(tǒng)通過滑輪組共同提升吊鉤，極大地提高起重機(jī)的吊重量與起重機(jī)的工作安全性能。目前，千噸級(jí)以上的起重機(jī)至少都具備四卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)。對(duì)于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)來說，由于高倍率滑輪組的損耗較大，利用多卷揚(yáng)提升機(jī)方案對(duì)于提升系統(tǒng)的效率具有積極意義。英國Gravitricity公司提出了一種應(yīng)用于豎井重力儲(chǔ)能的四卷揚(yáng)提升系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)千噸級(jí)的提升能力。如何通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣控制實(shí)現(xiàn)多卷揚(yáng)系統(tǒng)的同步，是需要解決的重要問題。
2.8 卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)分析
針對(duì)大提升高度的重載快速卷揚(yáng)提升機(jī)在礦井和海上勘察船用起重機(jī)上有所應(yīng)用，關(guān)于礦井卷揚(yáng)提升機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)仿真研究工作較多。國內(nèi)中國礦業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)等單位對(duì)礦井用卷揚(yáng)提升機(jī)的鋼絲繩彈性模量、提升速度及加減速度、載荷大小及提升高度等參數(shù)對(duì)鋼絲繩和卷筒機(jī)械強(qiáng)度及安全性的影響進(jìn)行了建模和仿真分析，摩洛哥拉巴特國際大學(xué)對(duì)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了建模仿真分析，中國科學(xué)院電工研究所針對(duì)柔性鋼絲繩寬頻機(jī)械振蕩對(duì)電氣系統(tǒng)的影響進(jìn)行了理論研究，提出了基于電磁-機(jī)械運(yùn)動(dòng)模型的傳動(dòng)鏈系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)。
卷筒和鋼絲繩是卷揚(yáng)機(jī)的核心元件，為了保證鋼絲繩在卷筒內(nèi)排列的整齊性，一般采用折線繩槽結(jié)構(gòu)，美國Lebus公司聲稱其鋼絲繩直徑可以從1 mm到100 mm，層數(shù)可以到50層，卷筒直徑最大可達(dá)5 m左右，鋼絲繩的線速度并沒有限制。關(guān)于卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩直徑及層數(shù)，以及卷筒尺寸和最大線速度和加速度的設(shè)計(jì)一般采用經(jīng)驗(yàn)公式，理論上需基于系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析確定。另外，關(guān)于卷揚(yáng)機(jī)損耗的精準(zhǔn)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)也是重力儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需解決的重要問題。俄羅斯新西伯利亞大學(xué)提出了一種基于帶狀纜繩的卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)，有望通過降低卷揚(yáng)機(jī)損耗以提升重力儲(chǔ)能的效率。
3 自動(dòng)接駁和水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)技術(shù)方案分析
3.1 AGV車輛水平轉(zhuǎn)移方案
對(duì)于提升車輛類重物的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于車輛可以自帶動(dòng)力，可以無需設(shè)計(jì)專用的水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。中國科學(xué)院電工研究所提出了基于AGV車輛水平轉(zhuǎn)移的重力儲(chǔ)能技術(shù)，該方案的優(yōu)點(diǎn)是各重載車輛動(dòng)力分散，可以實(shí)現(xiàn)頻繁啟停且損耗較低，但需要為每個(gè)重物都增加車底盤、車輪、動(dòng)力源及自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等輔助設(shè)施，將增加系統(tǒng)成本。為了降低成本，一方面可以減少AGV車輛的數(shù)量，利用AGV地平車和重物承臺(tái)配合，以“穿梭機(jī)”的形式運(yùn)行，中國科學(xué)院電工研究所和瑞士EV公司分別將該方案用于基于豎井和地面構(gòu)筑物的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖12和圖13所示；另一方面，可以利用已有的重載車輛做重物，可以降低重物成本，也可以用于重力儲(chǔ)能和交通運(yùn)輸融合領(lǐng)域。
3.2 傳送鏈/皮帶機(jī)水平轉(zhuǎn)移方案
傳送鏈/皮帶機(jī)水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)在物流及生產(chǎn)線上獲得廣泛應(yīng)用，但在重力儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用較少。燊能集團(tuán)提出了一種利用水平傳送鏈的重物水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，如圖10(a)所示；華電集團(tuán)還提出一種水平傳送鏈和龍門式碼垛機(jī)結(jié)合的重物水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，如圖10(b)所示。水平傳送鏈可以和垂直提升系統(tǒng)接續(xù)運(yùn)行，減少重物在接駁過程的動(dòng)能損耗，但水平傳送鏈的動(dòng)力機(jī)械需按照滿載設(shè)計(jì)，如何降低水平傳送鏈的造價(jià)和損耗是需要解決的重要問題。
3.3 龍門式碼垛機(jī)轉(zhuǎn)載方案
采用龍門式吊機(jī)橫梁上小車水平轉(zhuǎn)移重物廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，但一般并未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。前期采用龍門式吊機(jī)進(jìn)行重物的水平轉(zhuǎn)移一般采用柔性鋼絲繩，由于重物塊的晃動(dòng)和扭動(dòng)問題難以實(shí)現(xiàn)快速操作和精準(zhǔn)定位。Gravitricity公司提出了一種龍門式碼垛機(jī)方案，如圖14所示。其平移裝置和自動(dòng)吊具進(jìn)行硬連接，硬連接可以采用液壓、絲杠、導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)。國內(nèi)天津大學(xué)在斜坡式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)中也提出了龍門碼垛機(jī)技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)重物塊的多層碼放。高載重的龍門式碼垛機(jī)水平轉(zhuǎn)移速度較慢，且損耗較大，如何實(shí)現(xiàn)龍門式碼垛機(jī)的移動(dòng)節(jié)拍與垂直提升系統(tǒng)相匹配，并降低損耗是需要解決的重要問題。
3.4 自動(dòng)吊具技術(shù)方案
在垂直式重力儲(chǔ)能的多種技術(shù)方案中需要對(duì)重物塊進(jìn)行碼放，自動(dòng)吊具是吊裝系統(tǒng)和碼垛機(jī)所需要的重要設(shè)備。EV公司提出了一種帶有兩個(gè)貫穿插孔的重物塊和兩個(gè)細(xì)長轉(zhuǎn)銷的自動(dòng)吊裝方案，如圖3(a)所示。深孔和細(xì)長轉(zhuǎn)銷的配合結(jié)構(gòu)對(duì)定位精度要求很高，自動(dòng)定位采用的機(jī)器視覺算法較為復(fù)雜。Gravitricity公司提出了一種使用電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械嚙合的自動(dòng)吊具結(jié)構(gòu)，如圖14所示。華北電力大學(xué)提出了一種用于重力儲(chǔ)能的自動(dòng)抓取和釋放重物的無源機(jī)械吊具，由于無源機(jī)械吊具上沒有電控機(jī)構(gòu)和傳感器，如何實(shí)現(xiàn)軟啟停、自動(dòng)定位等自動(dòng)化操作是需要進(jìn)一步解決的問題。中國科學(xué)院電工研究所提出了一種用于豎井重力儲(chǔ)能的自動(dòng)吊具，通過伺服電機(jī)和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)驅(qū)動(dòng)四個(gè)轉(zhuǎn)銷，實(shí)現(xiàn)與凸字形重物塊的鎖定，如圖15所示。
4 發(fā)電電動(dòng)機(jī)和并網(wǎng)控制技術(shù)方案分析
4.1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)方案
重力儲(chǔ)能電機(jī)是實(shí)現(xiàn)電能與勢能轉(zhuǎn)換的核心部件，正轉(zhuǎn)時(shí)以電動(dòng)機(jī)模式運(yùn)行，將電能轉(zhuǎn)換為勢能；反轉(zhuǎn)時(shí)以發(fā)電機(jī)模式運(yùn)行，將勢能轉(zhuǎn)換為電能。傳統(tǒng)重載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是鼠籠式異步電機(jī)配合減速裝置實(shí)現(xiàn)長時(shí)間穩(wěn)定的大轉(zhuǎn)矩輸出，但存在著許多問題：銅耗隨電機(jī)負(fù)載的增加而增大，功率因數(shù)和電機(jī)效率隨之降低；需要減速裝置配合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜易磨損，維護(hù)成本高；機(jī)械結(jié)構(gòu)較多，損耗較大，系統(tǒng)整體效率較低等，這些問題導(dǎo)致異步電機(jī)在低速大扭矩系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制。為了提高系統(tǒng)整體的性能和效率，低速大扭矩永磁同步電機(jī)替代傳統(tǒng)的重載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢。就結(jié)構(gòu)而言，永磁電機(jī)的氣隙磁場由永磁體產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)更加簡單、體積更小；就性能而言，永磁電機(jī)的極對(duì)數(shù)可以很多，定子銅耗更低，功率因數(shù)和效率更高，系統(tǒng)更為節(jié)能，而且可以在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持優(yōu)良性能，所以低速大扭矩永磁同步電機(jī)在重載驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。中國科學(xué)院電工研究所提出了重力儲(chǔ)能用MW級(jí)永磁半直驅(qū)電動(dòng)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩情況下電動(dòng)發(fā)電機(jī)的效率進(jìn)行了仿真分析。
盡管永磁同步電機(jī)用于重力儲(chǔ)能具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是永磁同步電機(jī)造價(jià)較高，且需要經(jīng)過全功率變流器并網(wǎng)，在極端工況下運(yùn)行還存在失磁問題，因此，也有很多研究者提出了將電勵(lì)磁同步電機(jī)、雙饋異步電機(jī)和鼠籠式異步電機(jī)應(yīng)用于重力儲(chǔ)能的技術(shù)方案。中國天楹在其重力儲(chǔ)能項(xiàng)目中擬采用常規(guī)的電勵(lì)磁同步機(jī)作為電動(dòng)發(fā)電機(jī)，中電普瑞在其重力儲(chǔ)能項(xiàng)目中嘗試將永磁同步機(jī)、電勵(lì)磁同步機(jī)和雙饋異步電機(jī)用于重力儲(chǔ)能的適用性進(jìn)行對(duì)比分析，華北電力大學(xué)等也提出了將鼠籠式異步電機(jī)用于重力儲(chǔ)能的技術(shù)方案。幾種常用儲(chǔ)能電機(jī)技術(shù)方案的對(duì)比分析如表3所示。
4.2 并網(wǎng)控制方案
在重力儲(chǔ)能電動(dòng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制方面，由于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)電機(jī)的工作狀態(tài)頻繁切換于電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)，保證此類電機(jī)在兩種工況下均能穩(wěn)定高效運(yùn)行是目前的研究熱點(diǎn)。另外，對(duì)于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)來說，由于固體重物的不可流動(dòng)性和不連續(xù)性，重物啟停和切換過程會(huì)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)和電網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊，并產(chǎn)生功率間歇和波動(dòng)，因此，如何實(shí)現(xiàn)功率平滑也是固體重力儲(chǔ)能所需要解決的重要問題。中國科學(xué)院電工研究所研究了永磁同步電機(jī)經(jīng)變流器并網(wǎng)控制方法，分別設(shè)計(jì)機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行。為了解決功率平滑問題，提出了基于多電機(jī)集群或耦合功率型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能效及電能質(zhì)量。國網(wǎng)智研院還提出了重力儲(chǔ)能耦合超級(jí)電容器儲(chǔ)能的技術(shù)方案。圖16(a)給出了重力儲(chǔ)能雙機(jī)組耦合飛輪儲(chǔ)能機(jī)組以實(shí)現(xiàn)功率平滑的電路拓?fù)?，兩部分系統(tǒng)共用直流母線、網(wǎng)側(cè)變流器以及濾波器等電路，對(duì)重力儲(chǔ)能出力進(jìn)行功率平滑。圖16(b)給出了多同步機(jī)組直接并網(wǎng)通過運(yùn)行時(shí)序配合實(shí)現(xiàn)功率平滑的電路拓?fù)?，通過多機(jī)協(xié)調(diào)控制，使等效機(jī)械功率穩(wěn)定且可控，在集群系統(tǒng)內(nèi)部完成功率互補(bǔ)。
5 結(jié)論與展望
重力儲(chǔ)能是一種度電成本、儲(chǔ)能容量等性能指標(biāo)可與抽水儲(chǔ)能對(duì)標(biāo)、但又不依賴于水資源的規(guī)模化物理儲(chǔ)能手段，特別適合于在我國北方和西北地區(qū)建設(shè)。本文簡要介紹了近年來國內(nèi)外基于豎井和地面構(gòu)筑物的垂直式重力儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀和示范工程，并進(jìn)一步對(duì)垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)垂直提升、水平轉(zhuǎn)移和自動(dòng)接駁、發(fā)電電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及并網(wǎng)控制等核心機(jī)電設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。研究表明，盡管當(dāng)前垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)方案較多、也有多個(gè)示范工程在建，但在重載快速提升和轉(zhuǎn)移、重物啟停和切換過程控制、并網(wǎng)功率控制和能效提升等方面還存在諸多技術(shù)難題有待解決，后續(xù)通過技術(shù)提升可進(jìn)一步降低系統(tǒng)建造成本并提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率和壽命，有望在近期獲得一定的示范應(yīng)用。需要說明的是，受垂直提升機(jī)的載重量和速度所限，垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的單機(jī)功率目前尚難以突破10 MW量級(jí)，無法達(dá)到抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能機(jī)組所能達(dá)到的功率等級(jí)。如果要進(jìn)行大規(guī)模重力儲(chǔ)能電站的建設(shè)，在當(dāng)前只能采用多機(jī)集群陣列以提升整體功率。以豎井重力儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，目前的10米級(jí)大口徑垂直式豎井掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)深度可達(dá)800-1000米，如果豎井深度為500米，單臺(tái)設(shè)備可掘進(jìn)10-20口豎井，可供建造100-200 MW的豎井重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。
