重力儲能技術(shù)研究進展*

夏 焱，萬繼方，李景翠，袁光杰，楊 洋

重力儲能技術(shù)研究進展*

夏 焱1，萬繼方1?，李景翠1，袁光杰1，楊 洋2

（1. 中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2. 長江大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

儲能技術(shù)主要是指電能的儲存，是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。當前應(yīng)用最廣泛的儲能系統(tǒng)為抽水儲能，但其選址困難、對環(huán)境影響較大、對水資源依賴嚴重。重力儲能作為一種新型的儲能技術(shù)，以重物為儲能媒介，原理簡單且形式多樣，能夠充分發(fā)揮不同的地理優(yōu)勢進行儲能。相對于傳統(tǒng)儲能技術(shù)，重力儲能技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)勢。根據(jù)山地重力儲能、懸重式重力儲能、塔吊式重力儲能、鐵軌重力儲能和重力儲能式飛機等5種形式的重力儲能技術(shù)，對現(xiàn)階段重力儲能技術(shù)的研究進展進行了綜述。結(jié)合重力儲能技術(shù)的原理、特點以及我國儲能領(lǐng)域的發(fā)展方向和需求，對重力儲能技術(shù)的應(yīng)用前景進行了分析并提出建議。研究內(nèi)容和提出的建議可以為我國重力儲能技術(shù)的理論研究和發(fā)展應(yīng)用提供參考。

重力儲能；儲能系統(tǒng)；儲能技術(shù)；效率

0 引 言

儲能系統(tǒng)是實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模接入、削峰填谷、改善電力質(zhì)量以及優(yōu)化功率調(diào)節(jié)電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。由于其具有高效、綠色、穩(wěn)定利用等特點，儲能系統(tǒng)正逐漸成為電力系統(tǒng)中越來越重要的組成部分。隨著儲能技術(shù)的快速發(fā)展，儲能形式也越來越多樣化，根據(jù)能量的轉(zhuǎn)化形式，整體可分為化學(xué)儲能和物理儲能?；瘜W(xué)儲能主要包括鉛酸電池儲能、鋰離子電池儲能、燃料電池儲能；物理儲能主要包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能以及超導(dǎo)磁儲能[2-3]。

抽水儲能是目前世界上技術(shù)最完善的大規(guī)模儲能方式，主要包括傳統(tǒng)的高低位勢差的水庫以及新型的深海海水儲能方式[4]。抽水儲能主要是在江河上設(shè)置“高水位儲水庫”和“低水位儲水庫”兩種水庫，在夜間或者其他電負荷需求量低的時候，利用抽水設(shè)備，將水從“低水位儲水庫”抽送到“高水位儲水庫”中，將電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化為水的勢能儲存起來；當電網(wǎng)無法供給高峰用電的電負荷需求量時，再放水流到“低水位儲水庫”放電[5]。

抽水儲能電站最大的優(yōu)點是存儲能量大，目前該技術(shù)已達到上下水庫落差高為700 m級，一次蓄滿可儲電量近4 000萬kW?h，存儲能量的釋放時間靈活性強、可控性高，一般在電站容量滿足的情況下，儲能釋放時間在幾小時到幾天之間可任意調(diào)控。但同時由于需要較高的地勢差以及龐大的儲水量，抽水蓄電站在選址要求上異常苛刻，導(dǎo)致在缺乏足夠水源的山間以及地勢差異并不明顯的平原地帶并不適用?；诖?，重力儲能技術(shù)應(yīng)運而生，重力儲能技術(shù)的原理與抽水儲能技術(shù)類似，只是將其媒介由水換成重物，這使儲能系統(tǒng)的選址要求大大降低。當電力驅(qū)動馬達將重物提升至高處時，電力轉(zhuǎn)化為重物的勢能；當重物下降時，重物勢能釋放驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電產(chǎn)生電能。

重力儲能技術(shù)不再單一依賴龐大的水儲量儲能，其儲能介質(zhì)內(nèi)容與方式可變，具有相當長的服役壽命，同時不會在周期性的工作中降低系統(tǒng)性能，符合未來對動態(tài)、長壽命儲能的需求，而且已被證明重力儲能是能夠提供至亞秒級的全功率響應(yīng)。目前，重力儲能技術(shù)正處于探索發(fā)展階段，大規(guī)模投入生產(chǎn)應(yīng)用的成功案例也鮮有報道。本文主要基于現(xiàn)階段重力儲能技術(shù)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合多種重力儲能理論模型，對重力儲能技術(shù)的應(yīng)用前景及發(fā)展?jié)摿M行介紹，以期為重力儲能技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 重力儲能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

重力儲能系統(tǒng)是通過釋放重物質(zhì)量的同時通過再生制動回收能量，將電力注入電網(wǎng)。在系統(tǒng)中需要一個有源前端逆變器，交流電源連接到雙向有源前端整流器。直流母線電容器在整流器和電壓源逆變器之間提供接口，電壓源逆變器為電機供電。逆變器的脈寬調(diào)制（pulse-width modulation, PWM）控制用以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)矩和速度?？刂齐p向整流器以保持直流母線電壓并設(shè)置儲能系統(tǒng)的功率因數(shù)，即控制系統(tǒng)的功率流和無功功率流[7]。其額定功率可達40 ～ 150 MW，放電時間為34 s，儲存期可達到數(shù)小時至數(shù)月，并且該系統(tǒng)使用壽命長達30年以上。

1.1 山地重力儲能系統(tǒng)

國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所的HUNT等[6]提出了一種適用于低于20 MW的長期能源存儲——山地重力儲能（mountain gravity energy storage, MGES）。如圖1所示，同抽水儲能類似，山地重力儲能系統(tǒng)同樣需要兩個具有地勢差的儲存點，通常是在陡峭的峽谷或者山脈邊緣建造一個低位儲存點和一個高位儲存點，每個儲存點處都安裝有一個起重機。兩臺起重機共同作用，通過閉合式電纜帶動儲存容器運動。山地重力儲能系統(tǒng)采用的媒介為沙子或者礫石，并用儲存容器進行裝載或卸載，砂礫的裝載和卸載均通過全自動化閥門實現(xiàn)。發(fā)電機位于高位儲存點，當電力充足時，起重機提升儲存容器中的砂礫，電能轉(zhuǎn)化為砂礫勢能儲存；當砂礫隨著儲存容器低位儲存點釋放時，電纜帶動發(fā)電機發(fā)電，砂礫勢能轉(zhuǎn)化為電能。

圖1 山地重力儲能示意圖[6]

該系統(tǒng)的儲存量由式（1）表示：

山地重力儲能系統(tǒng)相對于抽水儲能系統(tǒng)而言，用砂礫代替水源大大增加了儲能系統(tǒng)的可實現(xiàn)性，使部分特殊地形可以得到充分利用。由于山地儲能系統(tǒng)主要以險峻的地勢為基礎(chǔ)進行儲能，因此地勢對系統(tǒng)的儲能量有顯著的影響。低位儲能點和高位儲能點之間的高度差越大，山體越陡峭，山地重力儲能系統(tǒng)的效果也越明顯。

1.2 懸重式重力儲能系統(tǒng)

英國的Gravitricity公司計劃建設(shè)一個深井重力儲能系統(tǒng)[7]。該儲能系統(tǒng)利用現(xiàn)有的廢棄豎井進行改造，形成一個可容納重物往復(fù)運動的通道。當系統(tǒng)儲能時，外部電網(wǎng)給電動機供電，在電動機作用下提升重物；當需要系統(tǒng)供電時，重物下降釋放勢能，電動機轉(zhuǎn)化為發(fā)電機發(fā)電。Gravitricity公司報道儲能系統(tǒng)的響應(yīng)時間在0.5 s以內(nèi)，而且效率高達80% ～ 90%，壽命可達50年[8]。

RUOSO等[9]設(shè)計了一種小型的重力儲能系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理與深井重力儲能系統(tǒng)類似，但無需大型礦井。該系統(tǒng)使重力儲能與太陽能電池板結(jié)合，適用小型工業(yè)和家庭住宅。

圖2 深井重力儲能系統(tǒng)示意圖[10]

MORSTYN等[10]對深井重力儲能系統(tǒng)進行理論研究，如圖2所示，假設(shè)重物為圓柱體，即可得到重物質(zhì)量與廢棄礦井相關(guān)參數(shù)的關(guān)系為：

進一步可依據(jù)重物底面直徑確定重物的高度：

式中：為廢棄礦井的深度；為重物質(zhì)量；為重物最大實用質(zhì)量；為重物高度；為重物直徑（假設(shè)重物為圓柱形）；為重物密度。

利用公式（2）和公式（3）可在廢棄礦井的有關(guān)參數(shù)確定的情況下，對設(shè)計與該礦井匹配的重物有一定的參考價值。MORSTYN等認為依據(jù)此公式得到的重物質(zhì)量能夠最大限度地利用儲能系統(tǒng)的儲存能力。深井重力儲能系統(tǒng)僅依靠鋼絲繩對重物進行提升和釋放，長時間循環(huán)往復(fù)作用下對鋼絲繩的磨損較大。BERRADA等[11]提出了一種活塞式重力儲能系統(tǒng)，示意圖如圖3所示。活塞式重力儲能系統(tǒng)主要包括一個大的裝滿水的密閉容器，密閉容器被活塞分為上下容腔，上下容腔通過回流通道連通，回流通道上設(shè)置有渦輪機。渦輪機將上容腔的水抽到下容腔迫使活塞向上運動，此時系統(tǒng)儲能；活塞向下運動時，迫使水向相反的方向通過渦輪機，渦輪機驅(qū)動兩臺發(fā)電機發(fā)電，系統(tǒng)釋放能量。EMRANI等[12]在活塞式重力儲能基礎(chǔ)上，增加了傳統(tǒng)的機械式提升系統(tǒng)，電動機和渦輪機同時利用多余的能量促使活塞提升，相對于深井重力儲能系統(tǒng)和活塞式重力儲能系統(tǒng)而言，安全性得到了很大的提升，如圖4。

圖3 活塞式重力儲能系統(tǒng)示意圖[7]

圖4 含提升裝置的活塞式重力儲能系統(tǒng)[12]

1.3 塔吊式重力儲能系統(tǒng)

2018年，瑞士的Energy Vault公司推出了塔吊式儲能系統(tǒng)，該技術(shù)包括一個高達110 m的吊塔，吊塔上有六只手臂，吊塔周圍有重為35 t、呈同心圓排列的混凝土塊，Energy Vault公司稱之為能量塔，能量塔能夠儲存35 MW?h的能量。圖5所示是塔吊式重力儲能系統(tǒng)的一個充放電循環(huán)。所有的混凝土塊分為三部分，第一部分為基座用來提高能量塔的整體高度，在系統(tǒng)運行過程中不移動；第二部分為內(nèi)環(huán)，第三部分為外圈。系統(tǒng)儲能時，吊塔上的電動機驅(qū)動六只手臂依次將內(nèi)環(huán)和外圈的混凝土塊提升“建造”能量塔；系統(tǒng)釋放能量時，六只手臂卸載混凝土塊，形成一個內(nèi)環(huán)和外圈，同時釋放能量驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電產(chǎn)生電能[13]。Energy Vault的聯(lián)合創(chuàng)始人之一FYKE[14]指出塔吊式儲能系統(tǒng)的儲能量和功率容量可由下式表示：

由公式（4）可知系統(tǒng)儲能量和能量塔總質(zhì)量以及塔高度正相關(guān)；由公式（5）可知功率容量和混凝土塊質(zhì)量以及其下降速度正相關(guān)。增加混凝土塊質(zhì)量或者分別增加塔高度和混凝土塊下降速度有利于提升系統(tǒng)儲能量和功率容量。但增加混凝土塊的質(zhì)量必定會造成起重機的負荷加重，進而引起更大的經(jīng)濟支出，故增加塔的高度和加快混凝土塊下降的速度是能夠提高系統(tǒng)儲能量和功率容量最經(jīng)濟的措施。

圖5 能量塔的充放電循環(huán)[14]

1.4 鐵軌重力儲能系統(tǒng)

鐵軌重力儲能系統(tǒng)由美國華盛頓的ARES公司所研發(fā)，主要利用現(xiàn)有的鐵軌技術(shù)建造一個大型的鐵軌網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示，從而實現(xiàn)兩個不同地勢的儲存場之間的連通，穿梭車在鐵軌上運行。穿梭車內(nèi)部帶有電動機，電機驅(qū)動穿梭車載著貨物從低地勢儲存場向高地勢儲存場運動，形成勢能進行儲存；載有重物的穿梭車從高儲存場向低儲存場運動時，電動機作為發(fā)電機發(fā)電[15]。

每個穿梭車都有非常先進的重物裝卸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)貨物的自動裝卸[16]，如圖7所示。ARES公司在加州蒂哈查皮已經(jīng)成功建造并運營了一個鐵軌重力儲能系統(tǒng)，該鐵軌重力儲能系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)見表1[17]。

圖6 鐵軌網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖7 穿梭車裝卸重物示意圖[16]

表1 鐵軌重力儲能系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)[17]

鐵軌重力儲能系統(tǒng)的功率額定值范圍非常寬泛，可根據(jù)實際情況進行相應(yīng)的調(diào)整，以滿足不同企業(yè)工廠的儲能需求。由于目前鐵軌技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因此可有效地降低該系統(tǒng)的技術(shù)難度，鐵軌重力儲能系統(tǒng)大規(guī)模鐵軌網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)使穿梭車的運行具有很高的靈活性，保證了系統(tǒng)具備極速響應(yīng)的特點，這使得鐵軌重力儲能系統(tǒng)能夠在緊急情況下進行電能供應(yīng)。

1.5 重力儲能式太陽能飛機

太陽能飛機利用太陽輻射作為能量來源維持飛機的飛行，當太陽輻射所產(chǎn)生的能量除供飛行之外還有剩余時便通過儲能裝置儲存起來，在夜間等無太陽輻射的條件下釋放能量供飛機繼續(xù)飛行，如圖8所示。傳統(tǒng)太陽能飛機以電池的形式儲存能量，當電池容量過低時，電池所儲存的電能無法滿足飛機的正常航行時間，如果使用高容量電池，則無疑會增大投入成本，并且會使飛機自身重量大大增加，同時也會帶來能源消耗增加的問題[18-19]。

BRANDT[20]提出了重力儲能式太陽能飛機的概念，白天利用太陽輻射多余的能量使飛機向上爬升，晚上飛機利用無動力滑翔繼續(xù)飛行，如圖9所示。GAO等[21]通過對太陽能飛機的重力儲能和傳統(tǒng)電池儲能兩種儲能形式的等價性研究，結(jié)果表明在初始高度較低且太陽輻射時間較短的情況下，利用重力儲能技術(shù)能大大提高太陽能飛機的續(xù)航性能。

圖8 傳統(tǒng)太陽能飛機原理簡圖[21]

圖9 重力儲能式太陽能飛機原理簡圖[21]

1.6 主要重力儲能系統(tǒng)對比討論

山地重力儲能系統(tǒng)需要依托地勢差的高度特點，將儲存的勢能轉(zhuǎn)化為電能，其儲能容量大，而且該系統(tǒng)可以作為季節(jié)性儲能解決方案，填補儲能方式在儲能規(guī)模和儲能時間上的不足，特別是山地重力儲能可以與水力發(fā)電相結(jié)合，利用山地重力儲能使一些發(fā)電成本高和能源需求高的地區(qū)變得經(jīng)濟可行，但山地重力儲能系統(tǒng)的設(shè)計周期較長，其前期投資成本較大。懸重式重力儲能系統(tǒng)因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點可在現(xiàn)有廢棄礦井的基礎(chǔ)上設(shè)計，可達到廢物利用目的，但其最大儲能能力容易受礦井尺寸和實際使用的最大重量限制。塔吊式儲能系統(tǒng)設(shè)計成本低，其工作往返效率可高達90%，而且可使用遠程控制大大降低人力成本，同時塔吊式儲能系統(tǒng)設(shè)計受地形地勢因素影響較小。鐵軌重力儲能系統(tǒng)具有非常低的技術(shù)風(fēng)險，其技術(shù)難度較其他儲能方式較小，該系統(tǒng)還可使用剩余的風(fēng)能、太陽能或其他低成本能源，驅(qū)使穿梭車負載重物存儲能量。此外，重力儲能式太陽能飛機技術(shù)主要受儲能電池技術(shù)發(fā)展的限制，在滿足儲能電池容量和質(zhì)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)飛機長時間續(xù)航飛行是目前重力儲能式太陽能飛機技術(shù)需要解決關(guān)鍵問題。幾種主要重力儲能系統(tǒng)的技術(shù)特點如下表2所示。

表2 幾種主要重力儲能系統(tǒng)的技術(shù)特點

2 重力儲能系統(tǒng)的應(yīng)用前景

改革開放以來，我國科技發(fā)展迅速，人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)電力負荷和峰谷差異較大，能源儲存在我國扮演著越來越重要的角色。作為一種新型的儲能系統(tǒng)，重力儲能系統(tǒng)不僅能夠解決電力供求矛盾，而且有利于電網(wǎng)的經(jīng)濟安全運行。

重力儲能系統(tǒng)雖原理簡單但具體形式多樣，可適用于多種地形。相對于抽水儲能系統(tǒng)，重力儲能系統(tǒng)不僅具有抽水儲能系統(tǒng)的大儲量，在電網(wǎng)中能夠削峰填谷的特點，而且選址要求也比抽水儲能要低。在無水源的山谷或山脈中可以建設(shè)山地重力儲能系統(tǒng)；在平原或者其他無顯著地勢的地帶，可以建設(shè)塔吊式重力儲能系統(tǒng)；20世紀我國礦業(yè)開采較迅速，遺留下的廢棄礦井得不到妥善處理，懸重式重力儲能系統(tǒng)利用廢棄礦井建設(shè)，既能處理好廢棄礦井遺留問題又能夠?qū)崿F(xiàn)能量儲存。

由于重力儲能系統(tǒng)建設(shè)選址要求較低，因此可以依靠發(fā)電站建設(shè)，例如風(fēng)力發(fā)電站和太陽能發(fā)電站。當電網(wǎng)電力充沛，發(fā)電站的過剩電力可供重力儲能系統(tǒng)進行儲能，避免造成資源浪費。

化學(xué)儲能在多次儲能循環(huán)后，自身儲能量會有明顯降低最終導(dǎo)致儲能系統(tǒng)的報廢，并且部分化學(xué)儲能系統(tǒng)在報廢后沒有合適的處理方式，會對環(huán)境造成嚴重的污染。重力儲能作為一種物理形式的儲能，壽命高，響應(yīng)快，在重物質(zhì)量有保證的情況下，系統(tǒng)的儲能量不會因為循環(huán)儲能而造成損失。

重力儲能系統(tǒng)的介質(zhì)具有普遍性。隨著我國城市的建設(shè)進程不斷加快，大量的建筑垃圾不斷產(chǎn)生，目前我國處理建筑垃圾的主要方法為堆放點堆放或掩埋，這種方法不僅占用土地，而且污染環(huán)境。重力儲能系統(tǒng)可以利用建筑垃圾作為儲能媒介，不僅可以解決建筑垃圾的處理問題，而且大大增加了系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)濟性。

綜上所述，重力儲能系統(tǒng)能夠充分利用我國豐富的地理優(yōu)勢，同時能夠解決部分發(fā)展帶來的技術(shù)難題，因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

通過對多種形式的重力儲能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行詳細介紹，總結(jié)了其技術(shù)特點和優(yōu)勢，結(jié)合我國基本情況對其應(yīng)用前景進行了展望，得出以下結(jié)論：

（1）重力儲能系統(tǒng)能夠提供亞秒級全功率響應(yīng)，其額定功率可達40 ～ 150 MW，放電時間為34 s，儲存期可達到數(shù)小時至數(shù)月，系統(tǒng)使用壽命長達30年以上。

（2）重力儲能系統(tǒng)作為一種新型的儲能系統(tǒng)，具有原理簡單、形式多樣、響應(yīng)快速、選址方便、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模儲存和長時間儲存的儲能技術(shù)。

（3）隨著太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿刃滦湍茉吹拈_發(fā)利用，配套建設(shè)重力儲能系統(tǒng)不僅能夠優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也能夠使新型能源得到更高效的利用。

（4）目前國內(nèi)外關(guān)于重力儲能系統(tǒng)的研究仍處于探索階段，缺少大規(guī)模的實際應(yīng)用案例，還需加強對重力儲能系統(tǒng)進行研究和實際應(yīng)用，以期探尋到重力儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展模式。

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Research Progress of Gravity Energy Storage Technology

XIA Yan1, WAN Ji-fang1, LI Jing-cui1, YUAN Guang-jie1, YANG Yang2

(1. CNPC Engineering Technology R&D Company Limited, Beijing 102206, China; 2. School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, Hubei, China)

Energy storage technology mainly refers to the storage of electric energy, which is an important part of the smart grid. At present, the most widely used energy storage system is pumped energy storage, while its location is difficult, it damages the environment, and is heavily dependent on water resources. Gravity energy storage, as a new type of energy storage technology, uses heavy objects as energy storage media, with simple principles and diverse forms, which can give full play to different geographical advantages for energy storage. Compared with traditional energy storage technology, gravity energy storage technology has very obvious advantages. In this paper, the research progress of gravity energy storage technology at the present stage was summarized with respect to five types of gravity energy storage technologies, such as mountain gravity energy storage, suspension gravity energy storage, tower gravity energy storage, rail gravity energy storage and gravity energy storage aircraft. Finally, combining the principles and characteristics of gravity energy storage technology and the development direction and needs of China’s energy storage field, the application prospects of gravity energy storage technology were analyzed and suggested. The research content and the suggestions put forward can provide references for the theoretical research, development and application of China’s gravity energy storage technology.

gravity energy storage; energy storage system; energy storage technology; efficiency

2095-560X（2022）03-0258-07

TK02

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.03.010

2022-02-11

2022-03-21

中國石油天然氣集團有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目（2021DJ5402，2022DJ8304，2022DJ8305）

萬繼方，E-mail：wanjifang@126.com

夏 焱（1977-），男，博士，高級工程師，主要從事地下儲能與井筒完整性研究工作。

萬繼方（1988-），男，博士，高級工程師，主要從事地下儲能與井下工具研究相關(guān)工作。