重力儲(chǔ)能發(fā)電現(xiàn)狀、技術(shù)構(gòu)想及關(guān)鍵問(wèn)題

陳云良，劉 旻，凡家異，王曉東，鄒小林

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司成都分公司，四川 成都 610041；3.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

大力發(fā)展非化石能源、推動(dòng)綠色用能模式等措施，是實(shí)現(xiàn)中國(guó)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵[1]。中國(guó)能源革命中長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)明確提出，到2030年，非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重力爭(zhēng)達(dá)到50%，到2050年實(shí)現(xiàn)非化石能源消費(fèi)超過(guò)一半[2]?，F(xiàn)階段，具備規(guī)模化開發(fā)的可再生清潔能源主要有水能、風(fēng)能和太陽(yáng)能。水能開發(fā)較早，技術(shù)最為成熟，是優(yōu)質(zhì)綠色能源。目前，中國(guó)常規(guī)水電新增開工規(guī)模總體放緩，已從快速集中發(fā)展進(jìn)入適度有序階段[3-5]。風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)展空間巨大，從全球發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，增速很快[6]。2020年12月，中國(guó)在氣候雄心峰會(huì)上宣布，到2030年，中國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。眾所周知，風(fēng)能和太陽(yáng)能受自然因素影響很大，突出問(wèn)題是發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性，大規(guī)模接入電網(wǎng)后將在電力平衡、電量消納、穩(wěn)定控制等方面帶來(lái)諸多問(wèn)題，特別是其比重提高后，對(duì)電力系統(tǒng)快速靈活調(diào)節(jié)提出高要求和新挑戰(zhàn)[7-10]。要保障各類波動(dòng)性電源接入后，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，存儲(chǔ)能量是最有效的解決措施，也是不能忽視的。因此，儲(chǔ)能技術(shù)已成為當(dāng)今能源研究最熱門的課題之一[11-15]。

儲(chǔ)能涉及領(lǐng)域非常廣泛，依據(jù)能量的存儲(chǔ)方式，大致可分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱等。化學(xué)儲(chǔ)能主要有各種電池類的電化學(xué)儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能等。電化學(xué)儲(chǔ)能可滿足多樣化的場(chǎng)景需求，但需面對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境污染、運(yùn)營(yíng)成本等難以回避的問(wèn)題；氫儲(chǔ)能適用于大規(guī)模儲(chǔ)能和長(zhǎng)周期能量調(diào)節(jié)，但目前仍處于示范應(yīng)用階段。電磁儲(chǔ)能，如超導(dǎo)電磁、超級(jí)電容器等，能量密度較低且成本高。儲(chǔ)熱技術(shù)在電供暖、電供熱、工業(yè)供熱、太陽(yáng)能光熱儲(chǔ)能系統(tǒng)等特定應(yīng)用領(lǐng)域有較好的市場(chǎng)價(jià)值。物理儲(chǔ)能主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等，相比其他儲(chǔ)能方式，具有對(duì)環(huán)境影響小、安全度高等顯著優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段，壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能不太具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的條件，因此，抽水蓄能是應(yīng)用最廣泛的大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)[16-19]。2021年7月15日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)文明確“抽水蓄能和新型儲(chǔ)能是支撐新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備”[20]。抽水蓄能電站具備調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等功能，目前全球范圍內(nèi)絕大部分的能量存儲(chǔ)都是通過(guò)抽水蓄能的方式實(shí)現(xiàn)的?？陀^地說(shuō)，盡管抽水蓄能建設(shè)周期較長(zhǎng)且成本較高，但其在存儲(chǔ)容量規(guī)模、技術(shù)成熟度、使用壽命等諸多方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，中國(guó)抽水蓄能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，在應(yīng)用水頭、單機(jī)容量及機(jī)組研制技術(shù)等方面均處于世界一流水平，抽水蓄能電站已成為中國(guó)電網(wǎng)儲(chǔ)能的主體[21-25]。當(dāng)然，開發(fā)抽水蓄能電站需要有適宜的地理?xiàng)l件和水資源，一定程度上限制了抽水蓄能技術(shù)的應(yīng)用[26-27]。

近年來(lái)，基于抽水蓄能基本原理，國(guó)外有一些重力儲(chǔ)能新型技術(shù)的研究報(bào)道[28-30]。重力儲(chǔ)能即通過(guò)輸運(yùn)提升重物，從而把富裕電能轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)為重物的勢(shì)能。為降低抽水蓄能電站的高度、方便工程布置，有學(xué)者提出改進(jìn)方案，即活塞式重力儲(chǔ)能技術(shù)[31-36]。該技術(shù)保留抽水蓄能機(jī)組，水體不直接蓄能，而是利用重物活塞儲(chǔ)能。此外，蘇格蘭創(chuàng)業(yè)公司Gravitricity、瑞士能源庫(kù)公司Energy Vault和奧地利研究機(jī)構(gòu)國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）報(bào)道的重力儲(chǔ)能發(fā)電方案不涉及水體，而是把儲(chǔ)能介質(zhì)換成固體重物，如沙子、巖石、混凝土塊等類似加重材料[37-46]。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)的學(xué)術(shù)研究資料還很少，主要為依托山體儲(chǔ)能發(fā)電的研究報(bào)道[47-52]，以及一些重力儲(chǔ)能發(fā)電方面的公開專利[53-60]。重力儲(chǔ)能電站選址靈活，可以利用荒地、山地等空閑空間，避開農(nóng)業(yè)、生態(tài)用地，在一定程度上能夠擺脫對(duì)地理?xiàng)l件的限制，具有重要價(jià)值；但作為一種具有潛力的綠色儲(chǔ)能方式，重力儲(chǔ)能發(fā)電還處于探索、發(fā)展階段。因此，有必要開展廣泛的科學(xué)論證和技術(shù)分析。

在追蹤、剖析國(guó)外重力儲(chǔ)能發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文類比抽水蓄能技術(shù)，提出重力儲(chǔ)能發(fā)電的初步構(gòu)想方案；通過(guò)分析重力儲(chǔ)能發(fā)電合理的凈高差和重物運(yùn)行規(guī)模，對(duì)單機(jī)容量、發(fā)電效率等核心指標(biāo)開展可行性探討和理論測(cè)算；通過(guò)引入“重力輪機(jī)”“上倉(cāng)”與“下倉(cāng)”等概念，探討重物勢(shì)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能、上下倉(cāng)布置形式及重物輸送系統(tǒng)等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，并重點(diǎn)闡述相關(guān)核心技術(shù)及探索方向，初步提出重力儲(chǔ)能發(fā)電研究構(gòu)想。希望通過(guò)研討，引起對(duì)重力儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)的關(guān)注，推動(dòng)各學(xué)科交叉合作，開展系統(tǒng)研究，為未來(lái)中國(guó)重力儲(chǔ)能發(fā)電發(fā)展提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

1 重力儲(chǔ)能發(fā)電現(xiàn)狀分析

重力儲(chǔ)能發(fā)電的基本原理與抽水蓄能技術(shù)類似，儲(chǔ)能和發(fā)電的基本過(guò)程為：利用富裕電力提升重物，存儲(chǔ)勢(shì)能；在需要時(shí)通過(guò)釋放重物的勢(shì)能，經(jīng)轉(zhuǎn)換帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。根據(jù)國(guó)外目前相關(guān)資料報(bào)道，主要有活塞式重力儲(chǔ)能、懸掛式重力儲(chǔ)能、混凝土砌塊儲(chǔ)能塔和山地重力儲(chǔ)能4種重力儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)。

美國(guó)加州Gravity Power公司[31]提出的活塞式重力儲(chǔ)能基于抽水蓄能機(jī)組，利用豎井內(nèi)的重物活塞替代水體進(jìn)行儲(chǔ)能，如圖1所示。電力富裕時(shí)，由水泵水輪機(jī)抽水加壓，提升重物活塞，存儲(chǔ)能量，即水體不直接蓄能；發(fā)電時(shí)，重物活塞下落，其勢(shì)能傳遞給水流，由水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。由于重物的密度比水大，在相同高差條件下可以提高發(fā)電水頭，增大能量密度；也就是說(shuō)，與相同勢(shì)能的抽水蓄能電站相比，活塞式重力儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)可降低建設(shè)高度，減少對(duì)地理?xiàng)l件和水資源的依賴，便于電站選址和布置。該技術(shù)方案保留了抽水蓄能機(jī)組核心設(shè)備，抽水、發(fā)電的水泵水輪機(jī)技術(shù)成熟，效率較高，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但重物活塞和豎井有些技術(shù)問(wèn)題需要探討，如：技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的尺寸規(guī)模，二者之間的密封方案等，有待關(guān)注后續(xù)研究進(jìn)展。目前來(lái)看，活塞式重力儲(chǔ)能的容量有限，可能適合一些小型、短時(shí)的儲(chǔ)能。

圖1 活塞式重力儲(chǔ)能[31]Fig.1 Piston gravity energy storage[31]

Gravitricity公司[37-40]應(yīng)用懸掛式重力儲(chǔ)能技術(shù)，計(jì)劃在愛丁堡利斯港建造一座250 kW的重力儲(chǔ)能先導(dǎo)電廠，存儲(chǔ)當(dāng)?shù)囟嘤嗟碾娏δ茉?。工程主要擬利用廢棄鉆井平臺(tái)和礦井，采用500～5 000 t重的鉆機(jī)作為重物，通過(guò)在150～1 500 m長(zhǎng)的鉆井中重復(fù)吊起與放下鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)與釋放。電能富裕時(shí)，通過(guò)電動(dòng)絞盤將鉆機(jī)拉到廢棄礦井上方，把電能存儲(chǔ)為重物勢(shì)能；需要發(fā)電時(shí)，通過(guò)讓鉆機(jī)落下驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，如圖2所示。

圖2 Gravitricity公司重力儲(chǔ)能電廠[37]Fig.2 Gravity power plant by Gravitricity [37]

Gravitricity公司認(rèn)為，先進(jìn)的絞車和控制系統(tǒng)可使其具有足夠的靈活性，能在1 s之內(nèi)快速響應(yīng)，滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求。Thomas等[41]介紹了利用懸掛重物進(jìn)行儲(chǔ)能和發(fā)電的技術(shù)方案，并探討了應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)廢棄深礦井進(jìn)行改造的潛力。由于一臺(tái)機(jī)組只用一個(gè)重物循環(huán)工作，相應(yīng)的儲(chǔ)能總量、持續(xù)發(fā)電時(shí)間都很受限制。

Energy Vault公司[42-44]提出以混凝土砌塊儲(chǔ)能塔為基礎(chǔ)的重力儲(chǔ)能發(fā)電方案，如圖3所示。

圖3 Energy Vault公司混凝土砌塊儲(chǔ)能塔[42,44]Fig.3 Energy storage tower with concrete block by Energy Vault[42,44]

據(jù)稱，該項(xiàng)目可運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)30～40 a，成本將是現(xiàn)有電網(wǎng)規(guī)模電池儲(chǔ)能解決方案成本的一半。電力充裕時(shí)，起重機(jī)將混凝土砌塊從地上吊起，像積木一樣往高處堆放，將能量轉(zhuǎn)化為混凝土砌塊塔的勢(shì)能，也就是儲(chǔ)能階段；需要發(fā)電時(shí)，將混凝土砌塊依次落下，釋放重物勢(shì)能，并轉(zhuǎn)化為電能?；炷疗鰤K塔看起來(lái)是比較簡(jiǎn)單的儲(chǔ)能方式，但主要存在以下問(wèn)題：由于循環(huán)上下起吊重塊，整個(gè)“塔”不是固定的，屬于一種變動(dòng)結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性、可靠性、安全性等需要仔細(xì)設(shè)計(jì)；考慮到自身結(jié)構(gòu)特征，單個(gè)混凝土儲(chǔ)能塔的規(guī)?？赡懿淮笄覂?chǔ)能容量受限。另外，從塔底到塔頂位置各個(gè)混凝土砌塊存儲(chǔ)的勢(shì)能不同，關(guān)于如何設(shè)計(jì)吊運(yùn)、堆放及能量轉(zhuǎn)換，以及能否實(shí)現(xiàn)預(yù)想效果等問(wèn)題，沒有相關(guān)技術(shù)報(bào)道。Energy Vault公司表示，已與印度塔塔電力公司達(dá)成協(xié)議，部署容量為35 MW·h的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可在2.9 s內(nèi)讓系統(tǒng)發(fā)出電力，峰值功率4 MW，值得進(jìn)一步關(guān)注后續(xù)開發(fā)進(jìn)展。

IIASA研究所[45-46]提出的山地重力儲(chǔ)能（MGES），主要利用陡峭山區(qū)的地勢(shì)，通過(guò)砂石的勢(shì)能儲(chǔ)能，如圖4所示。電力富裕時(shí)，應(yīng)用類似于滑雪纜車的電動(dòng)系統(tǒng)將裝滿砂石的容器提升到山頂存放；用電高峰時(shí)，依靠重力將砂石從上頂運(yùn)回地面，通過(guò)釋放砂石勢(shì)能發(fā)電。該研究所認(rèn)為，山地重力儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種比鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、規(guī)模更大的儲(chǔ)能方式。山地重力儲(chǔ)能看似簡(jiǎn)單、易行，但所應(yīng)用的纜車系統(tǒng)效率不易提高，儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的綜合效益可能不理想，相關(guān)技術(shù)方案還有待發(fā)展。

圖4 山地重力儲(chǔ)能[46]Fig.4 Mountain gravity energy storage[46]

2 重力儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)探討

類比抽水蓄能技術(shù)，本文構(gòu)想的重力儲(chǔ)能發(fā)電方案見圖5。把流體“水”替換成固體“重物”，上下“庫(kù)”改換為上下“倉(cāng)”，“抽水蓄能機(jī)組”變?yōu)椤爸亓?chǔ)能機(jī)組”。當(dāng)電網(wǎng)低谷、電力過(guò)剩時(shí)，由輸送系統(tǒng)（吊車、傳送設(shè)備等），把下倉(cāng)重物提升至位置較高的上倉(cāng)，將富余電能轉(zhuǎn)化為重物的勢(shì)能存儲(chǔ)待用；用電高峰及電力供給不足時(shí)，重物依次落下，把上倉(cāng)重物勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能及電能，即通過(guò)“電能→機(jī)械能→重物勢(shì)能→機(jī)械能→電能”，實(shí)現(xiàn)電量存儲(chǔ)和循環(huán)利用。

圖5 重力儲(chǔ)能發(fā)電構(gòu)想方案Fig.5 Conceptual scheme of gravity energy storage

2.1 重力發(fā)電理論容量

參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能電站需具備一定裝機(jī)規(guī)模，容量太小應(yīng)用場(chǎng)景必然受限；另外，儲(chǔ)能、發(fā)電等效率是儲(chǔ)能技術(shù)的核心指標(biāo)，綜合效率低就失去商業(yè)開發(fā)的價(jià)值。因此，要研究、發(fā)展重力儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)，首先需要探明在一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下的理論發(fā)電容量及能量轉(zhuǎn)換效率的可能水平。類比水力發(fā)電出力基本公式，本文從理論上探討重力發(fā)電的規(guī)模及效率問(wèn)題。

抽水蓄能電站發(fā)電工況也即水力發(fā)電過(guò)程，是先由水輪機(jī)（多采用抽水、發(fā)電雙向的水泵水輪機(jī)）將水能（動(dòng)能和勢(shì)能）轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，水輪機(jī)出力公式為：

式中：P為水輪機(jī)的出力，kW；Q為流量，m3/s，水的密度取1 000 kg/m3，故將水流體積流量Q換成質(zhì)量流量mw計(jì)算時(shí)，對(duì)應(yīng)的單位為t/s；H為水頭，m；η為水輪機(jī)的效率，水泵水輪機(jī)發(fā)電工況的效率一般略低于常規(guī)水輪機(jī)，最高效率約為93%。

本文構(gòu)想方案的重力發(fā)電機(jī)組包括重力輪機(jī)和發(fā)電機(jī)。類似地，重力發(fā)電時(shí)，為利用成熟的發(fā)電機(jī)技術(shù)，需先把重物勢(shì)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。設(shè)重物質(zhì)量為Mg，從上倉(cāng)下落，運(yùn)行至下倉(cāng)，利用的凈高差為ΔZ=Z1-Z2，則此過(guò)程中釋放的能量為：

考慮輸送系統(tǒng)的便利性、高效性，重物宜為規(guī)格相同的標(biāo)準(zhǔn)件。設(shè)計(jì)重物依次間隔落下，凈高差相等。同時(shí)，設(shè)計(jì)末端重物脫離工作、回到下倉(cāng)的同時(shí)，首部重物離開上倉(cāng)，投入工作，即保持勢(shì)能轉(zhuǎn)化的連續(xù)性。設(shè)每個(gè)重物投入工作的間隔時(shí)間為t，引入質(zhì)量流量參數(shù)mg=Mg/t，可以導(dǎo)出重力輪機(jī)出力Pg的公式為：

式中，ηg定義為重力輪機(jī)的效率，mg、Pg的單位分別為t/s、kW。

對(duì)比抽水蓄能與重力輪機(jī)的出力公式，分析如下：

1）目前，抽水蓄能最大的單機(jī)容量在美國(guó)巴斯縣抽水蓄能電站，為500 MW，發(fā)電設(shè)計(jì)水頭329 m，引用流量約200 m3/s。當(dāng)前，大中型抽水蓄能機(jī)組水頭都比較高，單機(jī)發(fā)電引用流量一般為每秒幾十立方米，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量為每秒幾十噸。重物容重比水大，如：一般混凝土密度約為2 400 kg/m3，配鋼筋、石塊等材料后，可達(dá)水容重的2.5倍左右；若單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重物按1 m3設(shè)計(jì)，重量約2.5 t?？紤]每秒輸送幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重物發(fā)電，即每秒投入十多噸重物運(yùn)行在理論上可行，技術(shù)上應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。初略推算，認(rèn)為重物質(zhì)量流量達(dá)不到抽水蓄能機(jī)組引用流量的量級(jí)。

2）大型抽水蓄能電站水頭集中在200～800 m，浙江長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站最大發(fā)電水頭756 m，目前為中國(guó)第一、世界第二。綜合考慮存放重物的上下倉(cāng)布置形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程建設(shè)及場(chǎng)地布置，結(jié)合起吊設(shè)備、輸送系統(tǒng)等因素，初步構(gòu)想：重力儲(chǔ)能電站技術(shù)可行的、經(jīng)濟(jì)合理的凈高差 ΔZ，一般情況下可按100 m左右設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)，重力儲(chǔ)能發(fā)電的應(yīng)用高差小于抽水蓄能電站的發(fā)電水頭。

3）由于水泵水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)成熟，效率較高，而重力輪機(jī)僅為技術(shù)構(gòu)想，最高效率按照80%預(yù)估。直接應(yīng)用成熟的發(fā)電機(jī)技術(shù)，發(fā)電機(jī)的效率應(yīng)該相當(dāng)。因此，重力儲(chǔ)能發(fā)電的總效率預(yù)計(jì)比抽水蓄能機(jī)組低。

通過(guò)上述理論、技術(shù)上的大致對(duì)比，表明重力儲(chǔ)能電站單機(jī)容量量級(jí)低于抽水蓄能，估計(jì)最大單機(jī)容量10 MW可行，二者發(fā)電工況對(duì)比見表1。

表1 重力儲(chǔ)能與抽水蓄能發(fā)電工況對(duì)比Tab.1 Comparison of gravity energy storage and pumped hydro storage under generating power

目前，僅從現(xiàn)有技術(shù)條件考慮，提供重力儲(chǔ)能電站單機(jī)量級(jí)大致可能的水平?？紤]到重力儲(chǔ)能受選址條件的限制小，也就是說(shuō)，重力儲(chǔ)能發(fā)電單機(jī)容量不大，但“總量”空間較大。

2.2 技術(shù)構(gòu)想及關(guān)鍵問(wèn)題

重力儲(chǔ)能發(fā)電原理簡(jiǎn)單，如果不考慮效率指標(biāo)、調(diào)節(jié)性能等，僅為小型重物發(fā)電是容易實(shí)現(xiàn)的。但要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化開發(fā)重力儲(chǔ)能電站，可以預(yù)見面臨的技術(shù)難題還很多，目前，還沒有看到商業(yè)運(yùn)行的工程案例。結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件水平，對(duì)重力儲(chǔ)能發(fā)電提出技術(shù)構(gòu)想和關(guān)鍵問(wèn)題。

1）重力輪機(jī)

研制重物勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備是重力儲(chǔ)能發(fā)電的核心技術(shù)。開發(fā)電網(wǎng)儲(chǔ)能級(jí)別的重力儲(chǔ)能電站需要一定的容量規(guī)模，如：持續(xù)每秒投運(yùn)數(shù)噸以上的重物，且勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能過(guò)程中保持較高效率（80%以上）。因此，如何穩(wěn)定、高效運(yùn)行是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)和難題。

本文提出重力輪機(jī)的技術(shù)構(gòu)想，源于兩個(gè)方面的考慮：一方面，重物勢(shì)能首先轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，且宜為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，以方便利用成熟的發(fā)電機(jī)技術(shù)設(shè)備；另一方面，作為儲(chǔ)能電站需要響應(yīng)快、調(diào)節(jié)靈敏。因此，結(jié)合機(jī)械原理，借鑒水泵水輪機(jī)，提出重力輪機(jī)概念應(yīng)是一個(gè)可行的思路。可進(jìn)一步考慮：可否采用齒輪傳動(dòng)、皮帶輪傳動(dòng)、鋼纜傳動(dòng)等，實(shí)現(xiàn)持續(xù)把重物勢(shì)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。另外，應(yīng)考慮上倉(cāng)重物投入運(yùn)行時(shí)間間隔可控，也即可根據(jù)需要，靈活調(diào)節(jié)發(fā)電出力；與上倉(cāng)投運(yùn)相對(duì)應(yīng)，重物脫離重力輪機(jī)，運(yùn)回下倉(cāng)，需要控制平穩(wěn)、有序，該調(diào)控過(guò)程需要結(jié)合重力輪機(jī)的方案設(shè)計(jì)統(tǒng)一研究。上述各方面涉及機(jī)械工程應(yīng)用領(lǐng)域，還需要進(jìn)一步細(xì)化方案、攻關(guān)技術(shù)。

此外，還有與發(fā)電機(jī)的連接問(wèn)題。設(shè)計(jì)重力輪機(jī)輸出適宜轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，這樣可以方便利用現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)設(shè)備。與水電站等發(fā)電站類似，二者可以通過(guò)軸系或其他傳動(dòng)方式連接，這方面技術(shù)成熟，不難實(shí)現(xiàn)。

2）上下倉(cāng)布置形式

上下倉(cāng)布置形式直接影響重力儲(chǔ)能電站的土地占用、空間利用等情況，需重點(diǎn)研究、規(guī)劃方案。重力儲(chǔ)能電站上倉(cāng)、下倉(cāng)布置形式可以參考抽水蓄能電站的上庫(kù)、下庫(kù)分別布置在高、低位置，同時(shí)還需要研究其他布置方式。按照前述估算分析，對(duì)于10 MW機(jī)組需每秒投入十多噸重物，總體積約幾立方米；若持續(xù)滿額發(fā)電時(shí)間按1 h考慮，上下倉(cāng)分別需要的理論存放空間約為一萬(wàn)多立方米。另外，倉(cāng)內(nèi)重物輸送系統(tǒng)還需占用空間，實(shí)際需要空間必然更大。也就是說(shuō)，重力儲(chǔ)能電站上下倉(cāng)分別高位、低位獨(dú)立布置使得占地較大，可能在一些山地區(qū)域較適合。由于重物存放較為靈活，針對(duì)充分利用上下倉(cāng)之間的空間的問(wèn)題，Energy Vault公司設(shè)計(jì)的混凝土儲(chǔ)能塔為上下倉(cāng)一體形式，能夠節(jié)省占地面積，但需要解決吊運(yùn)準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)可靠等問(wèn)題，可以作為進(jìn)一步研究的參考方案。

重力儲(chǔ)能電站選址靈活，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的上下倉(cāng)布置形式，需要結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)適宜地理?xiàng)l件的方案。另外，上下倉(cāng)布置形式會(huì)影響重力輪機(jī)及輸送系統(tǒng)的研發(fā)方向，可以統(tǒng)籌研討、論證。

3）重物輸送系統(tǒng)

若上下倉(cāng)分別高位、低位獨(dú)立布置，重物輸送系統(tǒng)涉及下倉(cāng)吊運(yùn)至上倉(cāng)，以及上倉(cāng)和下倉(cāng)內(nèi)的輸運(yùn)。若上下倉(cāng)設(shè)計(jì)為一體化，低位到高位吊運(yùn)可統(tǒng)一歸入倉(cāng)內(nèi)輸送系統(tǒng)。

目前，單純重物吊運(yùn)技術(shù)成熟，各類起吊、傳送設(shè)備可供選用，可以直接利用現(xiàn)有裝備進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。儲(chǔ)能電站需要在電力過(guò)?；螂娋W(wǎng)低負(fù)荷時(shí)，及時(shí)、高效存儲(chǔ)合適的能量。抽水蓄能電站需要設(shè)計(jì)匹配的抽水能力，類似地，重力儲(chǔ)能電站吊運(yùn)設(shè)備的輸送能力也需要匹配設(shè)計(jì)。目前，抽水蓄能電站多采用抽水/發(fā)電雙向運(yùn)行的可逆式機(jī)組，可減小工程布置規(guī)模，節(jié)省投資，降低成本，因此，重力儲(chǔ)能電站能否采用該技術(shù)思路也可以參考借鑒。

按照目前技術(shù)水平，單純倉(cāng)內(nèi)輸送并不困難，每秒運(yùn)輸十多噸重物的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（如軌道、滑道等）應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)；但運(yùn)輸能耗情況、能達(dá)到的水平，值得仔細(xì)考察。輸送能耗是影響系統(tǒng)綜合效率的主要因素，直接關(guān)系重力儲(chǔ)能發(fā)電的商業(yè)價(jià)值。如何實(shí)現(xiàn)高效輸送，盡量減少耗電，還需要開展系統(tǒng)深入的研究。

重物輸送系統(tǒng)可以借鑒工業(yè)、工程領(lǐng)域相關(guān)設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用技術(shù)，開展廣泛的技術(shù)研討，探尋安全、高效、切實(shí)可行的方案。

4）重物

重力儲(chǔ)能電站的重物數(shù)量較大，涉及以下主要問(wèn)題需要探討、論證：一是，重物材料及來(lái)源。綜合考慮各因素，認(rèn)為采用混凝土為主材較為合適。專門為重力儲(chǔ)能電站大量新加工混凝土不經(jīng)濟(jì)，也不環(huán)保。應(yīng)該盡量利用已有廢棄材料或就地取材，如建筑垃圾、砂石等，以降低對(duì)環(huán)境的不利影響，還能大幅降低成本。另外，在風(fēng)力發(fā)電站附近，將現(xiàn)場(chǎng)處理、加工廢棄的風(fēng)機(jī)作為重物，也是一種可選擇的方式。二是，從方便重物輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高效率的角度，重物采用規(guī)格相同的標(biāo)準(zhǔn)件較為合理，同時(shí)加工也最為方便，有利于降低重物成本。三是，重物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在能量存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化的整個(gè)輸送過(guò)程中，重物處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)可靠性將直接影響機(jī)組運(yùn)行和電力生產(chǎn)安全。另外，重物可循環(huán)使用，保證足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可減小磨損、延長(zhǎng)壽命，降低重物維護(hù)費(fèi)用。

2.3 重力儲(chǔ)能發(fā)電的優(yōu)勢(shì)

與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，重力儲(chǔ)能發(fā)電具備下述顯著優(yōu)勢(shì)：

1）純物理儲(chǔ)能、安全性高、環(huán)境友好。在重物輸送、勢(shì)能儲(chǔ)存、機(jī)械能發(fā)電等工作流程中，不涉及化學(xué)反應(yīng)，運(yùn)行安全可靠。重力儲(chǔ)能發(fā)電清潔低碳，對(duì)自然環(huán)境影響小。當(dāng)然，需注意：嚴(yán)格控制重物加工過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，解決好加工工藝及材料問(wèn)題，比如，盡量利用建筑垃圾等再生材料，或者就地取材，符合可持續(xù)、綠色發(fā)展理念。

2）強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性，可以根據(jù)需要靈活布置，適宜“分布式”儲(chǔ)能。重物的存儲(chǔ)、輸送及發(fā)電過(guò)程沒有特殊條件和要求，因此，重力儲(chǔ)能電站基本無(wú)選址、天氣等外部條件限制，應(yīng)用很靈活。除了用電負(fù)荷集中的區(qū)域，在風(fēng)能、太陽(yáng)能及核能等發(fā)電站附近也可以配置重力儲(chǔ)能電站，可以實(shí)現(xiàn)按電力系統(tǒng)的需求在電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)靈活布局。抽水蓄能站點(diǎn)規(guī)劃需要有適宜的地理?xiàng)l件和水資源為基礎(chǔ)，充分利用重力儲(chǔ)能電站布置便利的優(yōu)勢(shì)可以形成互補(bǔ)，以支撐大規(guī)模分布式、波動(dòng)性電源的接入，保障電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全，也有利于提升電力系統(tǒng)的整體效益。

3）儲(chǔ)能發(fā)電循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本低。重物以混凝土或當(dāng)?shù)夭牧蠟橹鞑?，或者利用其他再生材料，能循環(huán)使用數(shù)十年，運(yùn)行過(guò)程中重物損耗小。若取材利用合適，重物成本可以大大降低?？梢灶A(yù)見，技術(shù)發(fā)展成熟后，重力儲(chǔ)能發(fā)電的成本有望處于相對(duì)較低的水平。

4）儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)且無(wú)自放電問(wèn)題。重力儲(chǔ)能電站上下倉(cāng)擴(kuò)展相對(duì)容易，重物勢(shì)能儲(chǔ)存期間不會(huì)有損失，具備長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能的便利條件和先天優(yōu)勢(shì)。

綜上可知，重力儲(chǔ)能發(fā)電有潛力成為電力系統(tǒng)“理想”的新型儲(chǔ)能方式，有較好的研發(fā)價(jià)值，應(yīng)用前景廣闊。

3 結(jié)論

綠色、環(huán)保、安全是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的前提條件，布置靈活、場(chǎng)景適應(yīng)性強(qiáng)有利于響應(yīng)電力系統(tǒng)需求、提升產(chǎn)業(yè)價(jià)值。按照目前電力系統(tǒng)儲(chǔ)能發(fā)展趨勢(shì)，抽水蓄能電站將持續(xù)保持較高的占比。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)必將向多元化方向發(fā)展，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要。重力儲(chǔ)能發(fā)電具備環(huán)境友好、布置靈活、安全度高、壽命長(zhǎng)、無(wú)自放電等顯著優(yōu)勢(shì)，國(guó)外有相關(guān)資料和開發(fā)的報(bào)道，但國(guó)內(nèi)缺少專門的研討。

本文類比抽水蓄能發(fā)電技術(shù)，系統(tǒng)探討、剖析重力儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)，推導(dǎo)了重力發(fā)電的出力公式。通過(guò)科學(xué)構(gòu)想和技術(shù)分析，推算重力儲(chǔ)能發(fā)電凈高差約為100 m，單機(jī)容量最大能達(dá)到10 MW級(jí)別；提出通過(guò)“分布式”規(guī)劃站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)靈活的規(guī)模化儲(chǔ)能，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展需求；提出重力輪機(jī)、上下倉(cāng)布置形式、重物輸送系統(tǒng)、重物的合理選用等技術(shù)構(gòu)想及關(guān)鍵問(wèn)題，供后續(xù)研究參考。重力儲(chǔ)能發(fā)電研發(fā)價(jià)值突出，應(yīng)用前景廣闊，未來(lái)有望與其他儲(chǔ)能技術(shù)形成互補(bǔ)，以支撐新能源體系長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

重力儲(chǔ)能發(fā)電還處于探索階段，短時(shí)間內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟，達(dá)到規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)的水平。本文對(duì)相關(guān)技術(shù)的探討還比較初略，有待進(jìn)一步深入、細(xì)化，追蹤國(guó)外重力儲(chǔ)能發(fā)電研究及開發(fā)的動(dòng)態(tài)，推動(dòng)中國(guó)相關(guān)領(lǐng)域開展系統(tǒng)研究。