中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：作者：王粟 1,2 肖立業(yè) 1,2 唐文冰 1,2張京業(yè) 2邱清泉 2郭文勇 2張東 2
單位：1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)； 2. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所
引用：王粟,肖立業(yè),唐文冰等.新型重力儲(chǔ)能研究綜述[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(05):1575-1582.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2021.0590
摘 要 隨著可再生能源的不斷發(fā)展，電網(wǎng)對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)。重力儲(chǔ)能是一種環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性均具有競(jìng)爭(zhēng)力的物理儲(chǔ)能，近年來(lái)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文介紹了重力勢(shì)能儲(chǔ)能這一物理儲(chǔ)能方式的工作原理和儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了新型抽水儲(chǔ)能、基于構(gòu)筑物高度差、基于山體落差、基于地下豎井的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)及綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)，介紹了國(guó)內(nèi)外重力儲(chǔ)能的研究現(xiàn)狀及示范工程，總結(jié)并分析了各種儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和不足，最后展望了重力儲(chǔ)能的發(fā)展前景，并提出了發(fā)展建議。
關(guān)鍵詞 物理儲(chǔ)能；重力勢(shì)能；水介質(zhì)；固體介質(zhì)
為了解決傳統(tǒng)化石能源的匱乏和環(huán)境污染問(wèn)題，可再生能源近年來(lái)發(fā)展迅猛。而可再生能源具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，電網(wǎng)中的可再生能源發(fā)電占比逐漸提高，會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。發(fā)展各種儲(chǔ)能技術(shù)，是解決高比例可再生能源電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要舉措，也是平移電能必不可少的手段。隨著光伏、風(fēng)電發(fā)電成本的逐年下降，以及各省市陸續(xù)發(fā)布的關(guān)于開(kāi)展儲(chǔ)能示范的實(shí)施意見(jiàn)，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展日益成為新能源和新型電力系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
目前的儲(chǔ)能方式大致分為化學(xué)電池儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能及電轉(zhuǎn)燃料儲(chǔ)能3種主要形式。電化學(xué)儲(chǔ)能的儲(chǔ)能成本較低，但在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用時(shí)其安全性和環(huán)保性仍是人們重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題；電轉(zhuǎn)燃料儲(chǔ)能發(fā)展迅猛，適合超長(zhǎng)時(shí)間的能量轉(zhuǎn)移；物理儲(chǔ)能則適合電網(wǎng)調(diào)峰和實(shí)現(xiàn)電能晝夜轉(zhuǎn)移。物理儲(chǔ)能主要包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能等。重力儲(chǔ)能作為一種物理儲(chǔ)能方式，其系統(tǒng)本質(zhì)安全、選址靈活，同時(shí)具有零自放電率、儲(chǔ)能容量大、放電深度高等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的關(guān)注，本文介紹了目前世界上除抽水蓄能之外的一些重力勢(shì)能儲(chǔ)能應(yīng)用。
1 重力儲(chǔ)能原理
重力儲(chǔ)能是一種機(jī)械式的儲(chǔ)能，其儲(chǔ)能介質(zhì)主要分為水和固體物質(zhì)，基于高度落差對(duì)儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行升降來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程。因?yàn)樗牧鲃?dòng)性強(qiáng)，水介質(zhì)型重力儲(chǔ)能系統(tǒng)可以借助密封良好的管道、豎井等結(jié)構(gòu)，其選址的靈活性和儲(chǔ)能容量受地形和水源限制，在自然水源附近更易建成大規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)。固體重物型重力儲(chǔ)能主要借助山體、地下豎井、人工構(gòu)筑物等結(jié)構(gòu)，重物一般選擇密度較高的物質(zhì)，如金屬、水泥、砂石等以實(shí)現(xiàn)較高的能量密度。
水介質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)和水泵渦輪機(jī)進(jìn)行勢(shì)能和電能轉(zhuǎn)換，一般通過(guò)水閥、電動(dòng)發(fā)電機(jī)的電流等參數(shù)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程。固體重物型的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要利用起重機(jī)、纜車、有軌列車、絞盤(pán)、吊車等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)重物提升和下落控制，功率變換系統(tǒng)主要包括電動(dòng)發(fā)電機(jī)以及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)電動(dòng)發(fā)電機(jī)的電流等參數(shù)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程。
與其他儲(chǔ)能系統(tǒng)一樣，重力儲(chǔ)能會(huì)出現(xiàn)能量損耗，例如摩擦損耗、電機(jī)損耗、變流損耗等。儲(chǔ)能介質(zhì)在完成釋能下放時(shí)也將保留一部分的動(dòng)能，該部分動(dòng)能也將形成儲(chǔ)能系統(tǒng)的損耗。因此，可以將重力勢(shì)能儲(chǔ)能的整體效率ζs定義為發(fā)電期間提供給消費(fèi)者的能量Eg與儲(chǔ)能期間消耗的能量Ep之比。顯然，整體效率取決于儲(chǔ)能效率ζp與發(fā)電效率ζg
2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
人們?cè)?9世紀(jì)末就開(kāi)始利用重力儲(chǔ)能修建了抽水蓄能電站，我國(guó)在20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始研究建設(shè)抽水蓄能電站，截至目前裝機(jī)容量超過(guò)4000萬(wàn)千瓦，已達(dá)世界首位。由于重力是一種相對(duì)較弱的力，抽水蓄能系統(tǒng)的能量密度較低，為了大規(guī)模儲(chǔ)存能量需要落差較大的地形和大量水源，在水源匱乏地區(qū)及海洋環(huán)境無(wú)法建成。因此，科研人員根據(jù)重力勢(shì)能儲(chǔ)能的原理，結(jié)合重力勢(shì)能儲(chǔ)能容量大、可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能、儲(chǔ)能效率較高的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)建造了許多重力儲(chǔ)能系統(tǒng)。
根據(jù)重力儲(chǔ)能的儲(chǔ)能介質(zhì)和落差實(shí)現(xiàn)路徑的不同，本文將重力儲(chǔ)能分為以下4類：新型抽水儲(chǔ)能、基于構(gòu)筑物高度差的重力儲(chǔ)能、基于山體落差的重力儲(chǔ)能和基于地下豎井的重力儲(chǔ)能。
2.1 新型抽水儲(chǔ)能
新型抽水儲(chǔ)能是傳統(tǒng)抽水蓄能的變種，雖然同樣需要水來(lái)形成液位差，通過(guò)水泵/水輪機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電，但是不需要修建上下兩個(gè)水庫(kù)，占地面積大大減小。目前研究可分為海水抽水蓄能、海下儲(chǔ)能系統(tǒng)和活塞水泵系統(tǒng)。
由于淡水抽水蓄能電站受自然環(huán)境、氣候條件、地形地貌等限制，選址日益困難，而我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)電力負(fù)荷日益增大，因此《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出要推動(dòng)建設(shè)海水抽水蓄能電站，解決新能源消納、間歇性等問(wèn)題。常規(guī)海水抽儲(chǔ)是在海邊建設(shè)上水庫(kù)，將海洋作為下水庫(kù)，發(fā)電時(shí)海水通過(guò)水泵水輪機(jī)組從上庫(kù)排往海洋，將海水重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)能時(shí)將海水抽至上水庫(kù)，以海水重力勢(shì)能形式存儲(chǔ)。排水型海水抽儲(chǔ)是在海灣修筑水壩，將壩內(nèi)水庫(kù)作為下庫(kù)，海洋作為上庫(kù)，利用水壩內(nèi)外海水落差進(jìn)行儲(chǔ)能和發(fā)電。日本沖繩在1999年建設(shè)了世界首座海水抽水蓄能電站(圖1)，可蓄水564000 m3，有效落差136 m，最大出力30 MW。愛(ài)爾蘭、智利等國(guó)也開(kāi)始部署海水抽儲(chǔ)的相關(guān)研究工作。我國(guó)已經(jīng)完成了海水抽儲(chǔ)的資源普查工作，但還未有海水抽儲(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目。海水抽水蓄能電站工程復(fù)雜，海水腐蝕、海洋生物附著會(huì)破壞設(shè)備，影響電站性能，沿海地區(qū)自然災(zāi)害頻繁，海水還會(huì)污染陸地土壤和地下水，因此需要嚴(yán)格的工程防護(hù)和評(píng)估檢查。
圖1 日本沖繩海水抽水蓄能電站
海下儲(chǔ)能系統(tǒng)由德國(guó)法蘭克福歌德大學(xué)教授Horst Schmidt-B?cking和薩爾布呂肯大學(xué)Gerhard Luther博士于2011年提出，形似海底“巨蛋”，利用海水靜壓差通過(guò)水泵-水輪機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能，德國(guó)Fraunhofer風(fēng)能和能源系統(tǒng)技術(shù)研究所(IWES)2016年在博登湖進(jìn)行了水上測(cè)試。這種稱為StEnSea的結(jié)構(gòu)(圖2)使用多個(gè)直徑30 m、壁厚2.7 m的中空球體，存儲(chǔ)容量可達(dá)12000 m3。據(jù)報(bào)道這些“海蛋”儲(chǔ)能容量為20 MWh，功率為5～6 MW，效率為65%～70%。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示通過(guò)全球探測(cè)，適合建造該系統(tǒng)的總儲(chǔ)能規(guī)模有8170億千瓦時(shí)。這種儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)可以合理利用海洋空間，適合沿海地區(qū)的大規(guī)模儲(chǔ)能，利于海上風(fēng)電、潮汐能的消納利用，但中空球體的制造、海底系統(tǒng)的加固以及與海面溝通的電纜和管道的架設(shè)問(wèn)題都亟待解決。
圖2 德國(guó)海下儲(chǔ)能StEnSea儲(chǔ)能系統(tǒng)
新型抽水儲(chǔ)能的另一種結(jié)構(gòu)由Heindl Energy、Gravity Power、EscoVale這幾家公司在2016年先后提出，稱為活塞水泵結(jié)構(gòu)(圖3)，利用活塞的重力勢(shì)能在密封良好的通道內(nèi)形成水壓進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能，Gravity Power公司2021年開(kāi)始在巴伐利亞建設(shè)兆瓦級(jí)示范工程(圖4)。這些結(jié)構(gòu)具體原理是用圓柱狀的活塞嵌放在形狀相同的儲(chǔ)水池中，有富余電力時(shí)，泵會(huì)把水壓入儲(chǔ)水池中，此時(shí)巖石活塞就會(huì)被水壓提起，即電能轉(zhuǎn)化成了重力勢(shì)能。而當(dāng)電網(wǎng)需要電能供應(yīng)時(shí)，閘門會(huì)打開(kāi)，此時(shí)活塞下降，擠壓儲(chǔ)水池中的水流經(jīng)泵來(lái)發(fā)電，此時(shí)重力勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)化成電能?；钊脙?chǔ)能原理相同，根據(jù)儲(chǔ)能容量分為以下幾種：gravity power module (GPM)和hydraulic hydro storage (HHS)、ground breaking energy storage (GBES)。GPM系統(tǒng)使用直徑30～100 m的活塞，軸深500～1000 m，功率密度191 kW/m3，目標(biāo)提供40 MW/160 MWh至1.6 GW/6.4 GWh電量，效率據(jù)稱可達(dá)75%～80%，平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本約0.38元/kWh，功率密度高，適合城市中小功率儲(chǔ)能。HHS和GBES系統(tǒng)儲(chǔ)能容量設(shè)計(jì)大于1 GWh，效率據(jù)稱可達(dá)80%，平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本為0.58～1.2元/kWh，儲(chǔ)能容量大，適合大規(guī)模儲(chǔ)能。
圖3 活塞水泵儲(chǔ)能系統(tǒng)
圖4 巴伐利亞兆瓦級(jí)示范工程
這種技術(shù)的儲(chǔ)能容量取決于活塞的質(zhì)量以及活塞能被抬升的高度，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)等級(jí)的長(zhǎng)時(shí)間(6～14 h)儲(chǔ)能，能量轉(zhuǎn)換效率據(jù)稱可以達(dá)到80%左右，并且可以反復(fù)使用，為電網(wǎng)削峰填谷、消納可再生能源提供了新的途徑。這項(xiàng)技術(shù)最大的難點(diǎn)在于活塞與水池壁之間以及活塞自身的密封使其足以抵抗水壓，并且只能建造在地質(zhì)足夠堅(jiān)硬的地區(qū)。雖然難以達(dá)到抽水蓄能電站的儲(chǔ)能規(guī)模，但這種儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)水的需求只有抽水蓄能的1/4，占地面積更小、能量密度更大。
2.2 基于構(gòu)筑物高度差的重力儲(chǔ)能
固體重物可以利用構(gòu)筑物高度差來(lái)進(jìn)行重力儲(chǔ)能。目前的研究主要有儲(chǔ)能塔、支撐架、承重墻等結(jié)構(gòu)。
儲(chǔ)能塔結(jié)構(gòu)由Energy Vault公司提出，是一種利用起重機(jī)將混凝土塊堆疊成塔的結(jié)構(gòu)，利用混凝土塊的吊起和吊落進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能(圖5)，憑借這一獨(dú)特技術(shù)，獲得了日本軟銀集團(tuán)愿景基金1.1億美元投資，并于2019年在印度部署了第1臺(tái)35 MWh的系統(tǒng)(圖6)。這個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)包含了1臺(tái)超大型六臂式起重機(jī)，以及大量重達(dá)35 t的混凝土塊?；炷链u塔的容量可達(dá)35 MWh、峰值功率可達(dá)4 MW，起重機(jī)在2.9 s的時(shí)間里就能發(fā)電并且往返一次的能源效率據(jù)稱能夠達(dá)到90%。這一系統(tǒng)可以在8～16 h內(nèi)4～8 MW連續(xù)功率放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)需求的高速響應(yīng)，官網(wǎng)宣稱該技術(shù)平準(zhǔn)化成本約為0.32元/kWh。
圖5 Energy Vault概念圖
圖6 Energy Vault印度35 MWh系統(tǒng)
國(guó)內(nèi)徐州中礦大公司2017年提出利用支撐架和滑輪組提升重物儲(chǔ)能的方案，并采用定滑輪組和減速器以減少電機(jī)成本(圖7)。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院2020年提出了一種利用行吊和承重墻堆疊重物的方案，空間利用率高，儲(chǔ)能密度大。利用構(gòu)筑物高度差儲(chǔ)能選址靈活且易于集成化和規(guī)?；仨毚_保建筑穩(wěn)定以及對(duì)塔吊、行吊的精度控制，吊裝機(jī)構(gòu)、滑輪組和電機(jī)的整體效率也有待提升，如何在室外環(huán)境做到毫米級(jí)別的誤差控制是制約這種技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。
圖7 徐州中礦大支撐架+滑輪組系統(tǒng)
2.3 基于山體落差的重力儲(chǔ)能
可以利用山體落差和固體重物的提升來(lái)進(jìn)行重力儲(chǔ)能，相比人工構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，承重能力更強(qiáng)。目前的研究主要有ARES軌道機(jī)車結(jié)構(gòu)、MGES纜車結(jié)構(gòu)、絞盤(pán)機(jī)結(jié)構(gòu)、直線電機(jī)結(jié)構(gòu)和傳送鏈結(jié)構(gòu)等。
美國(guó)ARES公司(Advanced Rail Energy Storage)2014年提出一種機(jī)車斜坡軌道系統(tǒng)，機(jī)車在軌道上上坡下坡進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能(圖8)，2020年在內(nèi)華達(dá)州開(kāi)始施工建設(shè)。該技術(shù)已在加州特哈查皮的一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目中測(cè)試成功，其首個(gè)商業(yè)部署正在內(nèi)華達(dá)州帕倫普市開(kāi)發(fā)，并將與加州電網(wǎng)連接。這個(gè)儲(chǔ)存系統(tǒng)將使用一個(gè)由210輛貨車組成的車隊(duì)，總重7.5萬(wàn)噸，在10條長(zhǎng)度9.3 km、平均坡度7%的軌道上，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈條將這些貨車拖到山頂。當(dāng)需要電力時(shí)，車輛被送回山下，當(dāng)它們下落時(shí)，鏈條帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。ARES宣稱，這座儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供持續(xù)15 min 50 MW的電力，效率可達(dá)75%～86%。這種儲(chǔ)能系統(tǒng)利用了山地地形和軌道車輛，可以實(shí)現(xiàn)室外環(huán)境下大容量?jī)?chǔ)能，但平整山坡的土建成本較高，鏈條傳動(dòng)平穩(wěn)性差易磨損，還需要進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
圖8 ARES公司軌道車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)
奧地利IIASA研究所2019年在Energy雜志上發(fā)表了一種山地纜繩索道結(jié)構(gòu)(圖9)，纜繩吊起吊落重物進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能。該儲(chǔ)能系統(tǒng)MGES(mountain gravity energy storage)由兩個(gè)平臺(tái)連接而成，每一個(gè)平臺(tái)都由一個(gè)類似礦山的砂礫儲(chǔ)存站和一個(gè)正下方的加砂站組成。閥門將沙石填放入筐內(nèi)，然后通過(guò)起重機(jī)和電機(jī)電纜將其運(yùn)送到高海拔平臺(tái)。當(dāng)沙石被運(yùn)回山下時(shí)，儲(chǔ)存的重力勢(shì)能被轉(zhuǎn)化為電能。與抽水蓄能電站等傳統(tǒng)的長(zhǎng)期蓄水方法相比，MGES對(duì)環(huán)境的影響很小。該系統(tǒng)儲(chǔ)能容量設(shè)計(jì)為0.5～20 MWh，發(fā)電功率500～5000 kW，儲(chǔ)能平準(zhǔn)化成本約為0.323～0.647元/kWh。這種儲(chǔ)能系統(tǒng)利用了天然山坡、使用砂礫作為儲(chǔ)能介質(zhì)可以減少建造成本，但纜車運(yùn)載能力較低，室外環(huán)境對(duì)纜車運(yùn)行影響較大，如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效率的能量回收是此系統(tǒng)的研究難點(diǎn)。
圖9 MGES系統(tǒng)概念圖
2014年天津大學(xué)提出利用斜坡軌道和碼垛機(jī)進(jìn)行重力勢(shì)能儲(chǔ)能的構(gòu)想(圖10)，使用絞盤(pán)拖拉纜繩帶動(dòng)拖車，并使用電動(dòng)發(fā)電一體機(jī)提高整體儲(chǔ)能效率。中科院電工研究所2017年提出了兩種重載車輛爬坡儲(chǔ)能方案(圖11)，一種是采用永磁直線同步電機(jī)輪軌支撐結(jié)構(gòu)，電動(dòng)發(fā)電都通過(guò)直線電機(jī)完成；一種是利用多個(gè)電動(dòng)絞盤(pán)拉拽車輛，分段儲(chǔ)能。中電普瑞電力工程有限公司2020年提出利用傳送鏈提升重物的方案，減少了能量的中間變換環(huán)節(jié)，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。利用山體落差進(jìn)行儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒(méi)有倒塌風(fēng)險(xiǎn)，可以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的重力儲(chǔ)能。
圖10 天津大學(xué)斜坡軌道+碼垛機(jī)系統(tǒng)
Fig. 10 Ramp track + palletizer system, Tianjin University
圖11 中國(guó)科學(xué)院電工研究所重載車輛爬坡系統(tǒng)
2.4 基于地下豎井的重力儲(chǔ)能
與地上的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)受天氣和自然環(huán)境影響不同，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)向地下發(fā)展也是一種研究趨勢(shì)。
蘇格蘭Gravitricity公司提出了一種在廢棄鉆井平臺(tái)利用絞盤(pán)吊鉆機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)能的機(jī)構(gòu)(圖12)。Gravitricity利用廢棄鉆井平臺(tái)與礦井，在150～1500 m長(zhǎng)的鉆井中重復(fù)吊起與放下16 m長(zhǎng)、500～5000 t的鉆機(jī)，通過(guò)電動(dòng)絞盤(pán)，在用電低谷時(shí)將鉆機(jī)拉升至廢棄礦井，用電高峰時(shí)再讓鉆機(jī)筆直落下，進(jìn)而“釋放”存儲(chǔ)起來(lái)的能量，該系統(tǒng)可以控制重物下落速度改變發(fā)電時(shí)間和發(fā)電功率。該公司聲稱此系統(tǒng)可以在1 s之內(nèi)快速反應(yīng)，使用壽命長(zhǎng)達(dá)50 a，效率最高可達(dá)90%。儲(chǔ)能容量可自由配置1～20 MW，輸出持續(xù)時(shí)間為15 min～8 h。Gravitricity預(yù)計(jì)在屬于封閉式深水港的利斯港口打造示范工程，建設(shè)成本約100萬(wàn)英鎊，目標(biāo)建成4 MW級(jí)全尺寸重力儲(chǔ)能系統(tǒng)。這種儲(chǔ)能技術(shù)在封閉的礦井中工作，減少了自然環(huán)境的影響，安全系數(shù)較高。如何提高電動(dòng)絞盤(pán)的工作穩(wěn)定性，減少重物的旋轉(zhuǎn)晃動(dòng)以及固定等問(wèn)題是研究的重點(diǎn)。
圖12 Gravitricity公司廢棄鉆井儲(chǔ)能
葛洲壩中科儲(chǔ)能技術(shù)公司2018年提出了利用廢棄礦井和纜繩提升重物的方案(圖13)，解決了廢棄礦井長(zhǎng)時(shí)間不使用的風(fēng)險(xiǎn)和浪費(fèi)問(wèn)題，也降低了重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)成本。但深井吊機(jī)的載重能力有限，重物和機(jī)組受井口尺寸限制，長(zhǎng)繩索提升重物的形變、旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)問(wèn)題仍待優(yōu)化，廢棄礦井資源有限，選址不夠靈活，還有瓦斯泄漏等安全隱患。
圖13 葛洲壩中科儲(chǔ)能廢棄礦井+纜繩系統(tǒng)
2.5 綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)
重力勢(shì)能儲(chǔ)能還可與其他儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合形成一種綜合式的儲(chǔ)能系統(tǒng)。華能集團(tuán)2020年提出了一種重力壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(圖14)，兼具了壓縮空氣儲(chǔ)能能量密度高和重力儲(chǔ)能布置靈活的優(yōu)點(diǎn)。西安熱工研究院2021年提出了一種新能源發(fā)電結(jié)合電池及重力儲(chǔ)能的系統(tǒng)(圖15)，新能源可直接充電至重力儲(chǔ)能系統(tǒng)減小電力傳輸損耗，避免了單個(gè)重力儲(chǔ)能模塊的頻繁啟停對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。
圖14 華能集團(tuán)重力壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)
圖15 西安熱工研究院新能源發(fā)電結(jié)合電池及重力儲(chǔ)能系統(tǒng)
重力儲(chǔ)能作為一種能量型儲(chǔ)能方式，啟動(dòng)時(shí)間較慢，難以提供電網(wǎng)慣性，但其儲(chǔ)能容量大、出力時(shí)間長(zhǎng)、單位能量成本低，可以精確跟蹤電網(wǎng)調(diào)度指令，提升電網(wǎng)二次調(diào)頻容量。重力勢(shì)能儲(chǔ)能聯(lián)合其他功率型儲(chǔ)能形式(如飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能)可以有效解決新能源并網(wǎng)帶來(lái)的頻率、電壓不穩(wěn)定問(wèn)題，也可以削峰填谷，解決新能源發(fā)電出力和需求不匹配的問(wèn)題。
表1是上文所提幾種新型重力儲(chǔ)能技術(shù)理論參數(shù)對(duì)比，目前均處于研發(fā)階段，還未有工程示范實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表1 多種新型重力勢(shì)能儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比
3 展望和建議
表1對(duì)以上幾種重力儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了比較。從表中可以看出，水介質(zhì)型重力儲(chǔ)能系統(tǒng)在功率和儲(chǔ)能容量方面不及傳統(tǒng)的抽水蓄能，但響應(yīng)時(shí)間短、選址更靈活，海下儲(chǔ)能系統(tǒng)可以合理利用海洋空間，活塞水泵系統(tǒng)可以為城市提供儲(chǔ)能服務(wù)，儲(chǔ)能成本和效率也與抽水蓄能相當(dāng)。固體重物型重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量和功率由大到小排為：基于山體落差系統(tǒng)>基于地下豎井系統(tǒng)>基于構(gòu)筑物系統(tǒng)。固體重物型儲(chǔ)能系統(tǒng)由于不需要水泵、水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，理論上可以實(shí)現(xiàn)比抽水蓄能更高的儲(chǔ)能效率，響應(yīng)時(shí)間也更短，可以根據(jù)不同地形和需求靈活選擇不同儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)。
由上述研究可見(jiàn)，重力勢(shì)能儲(chǔ)能方案結(jié)構(gòu)眾多，各有優(yōu)劣，宜根據(jù)不同地形和儲(chǔ)能需求來(lái)設(shè)計(jì)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中基于山體落差和地下豎井的重力儲(chǔ)能相較而言更具發(fā)展前景，而與之相關(guān)的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)技術(shù)、吊裝技術(shù)和重物/電機(jī)群控技術(shù)將成為研究重點(diǎn)。重力勢(shì)能系統(tǒng)的功率和容量與被提升物的質(zhì)量和抬升高度有關(guān)，比較適合于建設(shè)中等功率和容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，但通過(guò)建設(shè)多個(gè)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)集群，可以獲得更大容量和功率，從而實(shí)現(xiàn)其規(guī)?；?。今后的重點(diǎn)研究課題主要包括大功率電動(dòng)/發(fā)電機(jī)及其運(yùn)行控制、重力儲(chǔ)能系統(tǒng)集群運(yùn)行與控制、重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和全天候適應(yīng)性等。
