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本文首先介紹了依托山體、傾斜礦井的斜坡重力儲(chǔ)能的原理和結(jié)構(gòu)，并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分類(lèi)闡述，包括依托山體斜坡的抽水儲(chǔ)能軌道式重力儲(chǔ)能和纜索式重力儲(chǔ)能等技術(shù)類(lèi)型：然后回顧了不同類(lèi)別依托斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)的研究進(jìn)展和應(yīng)用情況，并闡述了每種技術(shù)類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)和不足：據(jù)此提出一種更為優(yōu)化的斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)一一斜坡纜-軌式重力儲(chǔ)能技術(shù)，不僅融合了斜坡軌道式重力儲(chǔ)能與斜坡懸架纜車(chē)式重力儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，且避免了兩者的缺點(diǎn)：最后概述了當(dāng)前斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)存在關(guān)鍵問(wèn)題并進(jìn)行了展望。
1.引言
因?yàn)榛茉促Y源有限，且在利用過(guò)程中造成大量污染物和溫室氣體的排放，對(duì)環(huán)境造成重大影響。因此，大力發(fā)展可再生能源并實(shí)現(xiàn)清潔能源變革，是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要途徑。由于可再生能源受天氣影響大且有間歇性、波動(dòng)性、分散性、地理上不可平移性等特點(diǎn)，高比例可再生能源接入電網(wǎng)，將對(duì)未來(lái)電網(wǎng)帶來(lái)一系列重大挑戰(zhàn)。規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)是有效解決可再生能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的重要技術(shù)途徑，而抽水儲(chǔ)能是規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)中的標(biāo)桿，屬于物理儲(chǔ)能技術(shù)，而重力儲(chǔ)能是最近引發(fā)廣泛關(guān)注的新型物理儲(chǔ)能技術(shù)。
重力儲(chǔ)能技術(shù)的類(lèi)型有多種，根據(jù)儲(chǔ)能原理及其系統(tǒng)運(yùn)行方式的特征，本文將依托山體、傾斜礦井的斜坡重力儲(chǔ)能的原理、技術(shù)特點(diǎn)以及應(yīng)用和進(jìn)展情況進(jìn)行綜述，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足提出一種更為優(yōu)化的斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)一一斜坡纜-軌式重力儲(chǔ)能技術(shù)，最后給出當(dāng)前斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)存在的核心關(guān)鍵問(wèn)題及解決措施等。
2.基于斜坡和山體的斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)原理
基于斜坡和山體的重力儲(chǔ)能的基本原理是電能與重物載體的重力勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換，并用重物載體的重力勢(shì)能進(jìn)行能量存儲(chǔ)，通常是利用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)把重物載體從斜坡或山體底部運(yùn)送到頂部，從而把電能轉(zhuǎn)換為重物的重力勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電；在重力作用下重物載體從斜坡或山體頂部往低處運(yùn)動(dòng)并牽引發(fā)電機(jī)發(fā)電，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電。其核心是設(shè)置斜坡上下兩個(gè)存放重物載體的儲(chǔ)倉(cāng)或堆場(chǎng)，重物通過(guò)在上下儲(chǔ)倉(cāng)間移動(dòng)的高差存儲(chǔ)/釋放能量。
抽水蓄能是一種特殊的山體重力儲(chǔ)能，重物載體為水，本文基于斜坡或山體重力儲(chǔ)能的重物載體為固體。雖然原理基本類(lèi)似，但不同技術(shù)路線(xiàn)有各自特點(diǎn)，并對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，以下對(duì)常見(jiàn)斜坡或山體重力儲(chǔ)能技術(shù)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行介紹，包括依托山體斜坡的重力儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水儲(chǔ)能、軌道式重力儲(chǔ)能和纜索式重力儲(chǔ)能等，也可以應(yīng)用于依托廢棄礦坑、傾斜礦井等斜坡的重力儲(chǔ)能，在此統(tǒng)稱(chēng)為斜坡重力儲(chǔ)能。
2.1 抽水儲(chǔ)能
抽水儲(chǔ)能是重物載體為流體的斜坡重力儲(chǔ)能，技術(shù)成熟應(yīng)用廣泛、裝機(jī)容量大，是斜坡重力儲(chǔ)能的標(biāo)桿性技術(shù)，其原理如圖1所示，上水庫(kù)在接近水源斜坡頂部，下水庫(kù)多為自然江河、湖泊或人工水庫(kù)、堰塞湖等，上下庫(kù)之間有一定的垂直高差，一般在200-700米。水泵水輪機(jī)利用電能將下水庫(kù)的水抽到上水庫(kù)中儲(chǔ)存，從而將電能轉(zhuǎn)換為上水庫(kù)中水的重力勢(shì)能；上庫(kù)的水流向下水庫(kù)時(shí)帶動(dòng)水泵水輪機(jī)發(fā)電，從而將上水庫(kù)中水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)或用戶(hù)。抽水儲(chǔ)能的功率和容量較大，一般在100-3000 MW之間，電-電轉(zhuǎn)換效率在75%左右，受水頭高低、容量大小等因素影響大，運(yùn)行壽命可達(dá)幾十年，但選址難度較大。本文主要以抽水儲(chǔ)能為標(biāo)桿，在建設(shè)成本、轉(zhuǎn)換效率、使用壽命、選址條件等方面介紹基于固體重物的斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)。
圖1抽水蓄能原理示意圖
2.2 斜坡軌道重力儲(chǔ)能技術(shù)
按照驅(qū)動(dòng)方式斜坡軌道重力儲(chǔ)能技術(shù)，可以分動(dòng)力機(jī)車(chē)和卷?yè)P(yáng)機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)技術(shù)，①重物載體配置動(dòng)力/發(fā)電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模式，如圖3a、3c所示，采用動(dòng)力機(jī)車(chē)沿軌道上下斜坡實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放，機(jī)車(chē)拖動(dòng)一個(gè)或多個(gè)重物載體，利用電能驅(qū)動(dòng)重物載體從坡底沿軌道上行到坡頂，并在上堆場(chǎng)停放，電能轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程；重物載體從坡頂沿軌道下行到坡底，牽引電機(jī)發(fā)電，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成發(fā)電過(guò)程。②采用坡頂卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，如圖3e和圖4所示，卷?yè)P(yáng)機(jī)安置在斜坡頂部，電機(jī)利用電能沿著軌道牽引重物載體從坡底上行到坡頂，并在上堆場(chǎng)停放，電能轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)（充電）過(guò)程；重物載體從坡頂沿軌道下行到坡底，同時(shí)牽引電機(jī)發(fā)電，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成釋能（發(fā)電）過(guò)程。
斜坡軌道重力儲(chǔ)能技術(shù)采用軌道承載重物載體的重量，載重量大，功率和容量大；但重物更換過(guò)程中存在功率間歇，導(dǎo)致輸入/輸出功率不連續(xù)。
斜坡軌道重力儲(chǔ)能技術(shù)可以應(yīng)用于山體斜坡重力儲(chǔ)能，也可以用于廢棄礦坑、傾斜礦井等斜坡重力儲(chǔ)能。
2.3 斜坡架空纜車(chē)式重力儲(chǔ)能技術(shù)
斜坡架空纜車(chē)式重力儲(chǔ)能技術(shù)采用架空纜索與電動(dòng)/發(fā)電機(jī)結(jié)合，閉環(huán)纜索做連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，多個(gè)重物載體等間距懸吊在纜索上。如圖2所示，重物載體從坡底上行到坡頂并在上堆場(chǎng)放置，電能轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充電過(guò)程；當(dāng)懸吊在纜索上的重物載體從坡頂下行到坡底并在下堆場(chǎng)放置，同時(shí)牽引電機(jī)發(fā)電，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成發(fā)電過(guò)程。
圖2 斜坡重力儲(chǔ)能示意圖
斜坡架空纜車(chē)式重力儲(chǔ)能技術(shù)采用懸架纜索懸吊和運(yùn)輸重物載體，導(dǎo)致纜索弧垂大，載重量小，功率和容量??；由于纜索循環(huán)運(yùn)行與多重物連續(xù)運(yùn)輸，重物更換過(guò)程中功率波動(dòng)小，輸入/輸出功率連續(xù)、穩(wěn)定。
表1 基于斜坡和山體的斜坡重力儲(chǔ)能不同技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比
綜上所述，斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)原理結(jié)構(gòu)上依托山體等斜坡，在斜坡的上下兩端設(shè)置儲(chǔ)庫(kù)，儲(chǔ)能/釋能過(guò)程中重物依靠斜坡及附屬機(jī)構(gòu)在上下兩庫(kù)中轉(zhuǎn)移，從而完成電能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)換。對(duì)于不同的地形、場(chǎng)地等條件，斜坡重力儲(chǔ)能也有多種技術(shù)形式，其優(yōu)劣對(duì)比見(jiàn)上表所示?？梢?jiàn)，每種技術(shù)形式都有自己的應(yīng)用場(chǎng)景，具有自己的優(yōu)勢(shì)，也存在固有的不足。
3.斜坡和山體重力儲(chǔ)能研究進(jìn)展
近年來(lái)重力儲(chǔ)能及技術(shù)得到廣泛關(guān)注和研究，主要包括楊于馳等通過(guò)基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀、前沿技術(shù)分析和發(fā)展展望四個(gè)方面總結(jié)了具有較大發(fā)展?jié)摿π滦蛢?chǔ)能技術(shù)。
Wenxuan Tong等提出固體重力儲(chǔ)能的基本概念，對(duì)該技術(shù)不同方面開(kāi)展深入研究，對(duì)不同技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的分類(lèi)比較，提出大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的評(píng)價(jià)方法并將固體重力儲(chǔ)能與其他大規(guī)模儲(chǔ)能進(jìn)行對(duì)比，最后對(duì)固體重力儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)行評(píng)估；肖立業(yè)等總結(jié)了一系列的地下儲(chǔ)能的工程實(shí)施方案，分析適用于調(diào)峰或電能轉(zhuǎn)移的規(guī)?；娔芪锢韮?chǔ)存方法，并對(duì)可再生能源的配儲(chǔ)潛力進(jìn)行計(jì)算。
秦婷婷等通過(guò)MATLAB/Simulink建立了基于鐵軌的斜體重力儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真分析了載重車(chē)輛質(zhì)量、車(chē)輛速度、斜坡坡度、高度和滾動(dòng)摩擦系數(shù)等因素對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)效率的影響，研究各因素對(duì)總體效率的關(guān)系，得出設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)的理論效率并給出有效提升系統(tǒng)效率的建議。
赫文豪等則聚焦于重力儲(chǔ)能領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)四種近年來(lái)迅速發(fā)展的規(guī)?；亓?chǔ)能技術(shù)，指出新型重力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展存在的阻礙和技術(shù)難題，為重力儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供參考。劉智洋等通過(guò)儲(chǔ)能/釋能過(guò)程公式的推導(dǎo)，對(duì)比不同儲(chǔ)能形式及優(yōu)化結(jié)果，得到重力儲(chǔ)能的總成本最小，優(yōu)化效果最好的結(jié)論，并肯定了重力儲(chǔ)能的容量?jī)?yōu)化具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。
童家麟等則主要面向電源側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)，總結(jié)了現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，對(duì)比了中美兩國(guó)電源側(cè)儲(chǔ)能的發(fā)展情況并分析了發(fā)展前景，對(duì)未來(lái)電源側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望；陳云良等針對(duì)重力儲(chǔ)能技術(shù)提出四個(gè)技術(shù)構(gòu)想及關(guān)鍵問(wèn)題，研究了不同技術(shù)路線(xiàn)的原理和特點(diǎn)并與抽水蓄能進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行凈高差、規(guī)模、單機(jī)容量、效率等指標(biāo)的討論，得到重力儲(chǔ)能單機(jī)容量不大、“總量”空間較大的結(jié)論。
夏焱等根據(jù)不同技術(shù)路線(xiàn)的重力儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行匯總，并對(duì)其技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析；Julian David Hunt等提出山地重力儲(chǔ)能可作為適用于低于20 MW的長(zhǎng)期能源存儲(chǔ)形式，用以填補(bǔ)電池等小容量電能存儲(chǔ)和抽水蓄能等大容量電能存儲(chǔ)的空白，并對(duì)基于山體儲(chǔ)能的巨大潛力予以說(shuō)明。
Asmae Berrada等將重力儲(chǔ)能、抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，得到重力儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)于其他形式系統(tǒng)的結(jié)論；Thomas Morstyn等對(duì)廢棄深礦井用作重力儲(chǔ)能進(jìn)行研究，明確關(guān)注儲(chǔ)能系統(tǒng)中容量、功率和斜坡率三個(gè)指標(biāo)，對(duì)儲(chǔ)能總量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于其豎直礦井的分析方法可推廣至斜坡儲(chǔ)能等儲(chǔ)能系統(tǒng)的分析。
國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的一些專(zhuān)利也為重力儲(chǔ)能的發(fā)展提供了重要的動(dòng)力。肖立業(yè)等在專(zhuān)利中提出采用依托軌道和纜車(chē)結(jié)合的方式進(jìn)行重力儲(chǔ)能，為斜坡式重力儲(chǔ)能提供了新的解決方案；劉延龍等提出一種帶有減速裝置使軌道車(chē)復(fù)位的重力儲(chǔ)能運(yùn)行方法；尤超等則提出運(yùn)用將下落重物和待提升重物連接的方法減少重物從運(yùn)動(dòng)減速到靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)程中所耗散的能量，從而提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
以下分別介紹斜坡軌道式和斜坡懸架纜車(chē)式基于斜坡和山體的斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展，然后重點(diǎn)介紹了中科院電工所肖立業(yè)團(tuán)隊(duì)根據(jù)上述技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)提出的斜坡纜-軌式重力儲(chǔ)能技術(shù)。
3.1 斜坡軌道式重力儲(chǔ)能技術(shù)
2013年美國(guó)先進(jìn)軌道儲(chǔ)能公司Advanced Rail Energy Storage（ARES）利用山體斜坡退役鐵路開(kāi)展重力儲(chǔ)能技術(shù)研究，該技術(shù)方案采用有軌電車(chē)裝載重物在山地間軌道中運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放，如圖3a所示。儲(chǔ)能技術(shù)可以由多條軌道組成，能靈活的提供儲(chǔ)能的功率和容量。
為了證明其技術(shù)的可行性以及為后續(xù)商業(yè)化應(yīng)用做準(zhǔn)備，該公司在加利福尼亞州的德哈查皮(Tehachapi)進(jìn)行示范性實(shí)驗(yàn)，如圖3b所示，已經(jīng)開(kāi)工建設(shè)。ARES的首個(gè)商業(yè)項(xiàng)目落地在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州，該項(xiàng)目?jī)?chǔ)能系統(tǒng)功率為50 MW，提供12.5 MWh的儲(chǔ)能能量，占地25公頃，采用列車(chē)式結(jié)構(gòu)運(yùn)送儲(chǔ)能重物，每單元列車(chē)由2節(jié)提供動(dòng)力的動(dòng)力車(chē)廂和7節(jié)運(yùn)載重物的重型列車(chē)組成，列車(chē)上方接觸網(wǎng)供電，如圖3c所示。隨后幾年，ARES提出了多種新的儲(chǔ)能形式，如圖3d和3e所示，為斜坡式重力儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。
圖3 ARES公司儲(chǔ)能技術(shù)示意圖
天津大學(xué)羅振軍等在2014年公開(kāi)一項(xiàng)依托山體的重力儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)依托山體和軌道構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)，重物及拖車(chē)通過(guò)軌道轉(zhuǎn)移，每段軌道設(shè)置電力提升及發(fā)電裝置通過(guò)纜繩與拖車(chē)相連完成儲(chǔ)能/釋能過(guò)程，并在上下碼垛平臺(tái)運(yùn)用碼垛機(jī)對(duì)重物進(jìn)行堆碼，如圖4所示，可以大幅減小上下堆場(chǎng)的占地面積。
中國(guó)科學(xué)院電工研究所肖立業(yè)等在2018年提出基于直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斜坡重力儲(chǔ)能方案及基于多個(gè)電動(dòng)絞盤(pán)驅(qū)動(dòng)的分段式斜坡重力儲(chǔ)能方案，前者旨在將軌道交通的驅(qū)動(dòng)形式應(yīng)用在儲(chǔ)能技術(shù)中，減小儲(chǔ)能方案的自耗散率，提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率，又增大儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率，增加儲(chǔ)能的靈活性，更適合于在大功率、大容量的儲(chǔ)能場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用。
圖4 天津大學(xué)山體重力儲(chǔ)能原理示意圖
中電普瑞電力工程有限公司在2020年提出一種基于傳送鏈的重力儲(chǔ)能方案，該方案電機(jī)與傳送鏈直接相連，通過(guò)循環(huán)運(yùn)行的傳送鏈運(yùn)送重物及載重車(chē)完成儲(chǔ)能與釋能，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的高低兩平臺(tái)設(shè)置碼垛機(jī)對(duì)載重車(chē)上的重物進(jìn)行裝載和卸載，實(shí)現(xiàn)載重小車(chē)的循環(huán)運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的重力儲(chǔ)能。
綜上所述，斜坡軌道式重力儲(chǔ)能技術(shù)采用軌道運(yùn)輸，載重量大、單體重物質(zhì)量大，從而具有儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量大的優(yōu)勢(shì)；但因?yàn)橹匚锔鼡Q過(guò)程中存在間歇，具有功率不連續(xù)的不足；且每個(gè)重物載體配置有動(dòng)力/發(fā)電系統(tǒng)，造價(jià)高、運(yùn)維難度大。
3.2 斜坡懸架纜車(chē)式重力儲(chǔ)能技術(shù)
斜坡懸架纜車(chē)式重力儲(chǔ)能的方案最早由美國(guó)Energy Cache公司提出，2012年完成工程原型的建造。該方案參照抽水蓄能原理，用碎石代替水作為儲(chǔ)能介質(zhì)，在上庫(kù)和下庫(kù)均設(shè)有自動(dòng)裝卸系統(tǒng)，用于運(yùn)送碎石的車(chē)斗循環(huán)運(yùn)行，減小功率間歇，具有較強(qiáng)的靈活性和拓展性。如圖5所示，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)儲(chǔ)能容量50 kWh，最大運(yùn)行功率1 MW，響應(yīng)迅速。
奧地利IIASA研究所在2019年提出山地重力儲(chǔ)能Mountain Gravity Energy Storage(MGES)的概念并分析利用山體存儲(chǔ)資源的巨大潛力。如圖6所示，該研究所提出采用懸架纜繩、纜車(chē)等運(yùn)送沙子完成重力儲(chǔ)能的方案，適合更為陡峭的山體、懸崖等運(yùn)用，在孤立微網(wǎng)和小島嶼供電應(yīng)用將有很大潛力。
斜坡懸架纜車(chē)式重力儲(chǔ)能技術(shù)主要采用電機(jī)拖動(dòng)纜繩做連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)懸吊在纜索上的重物載體從坡底上行到坡頂并在上堆場(chǎng)放置，電能轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充電過(guò)程；當(dāng)懸吊在纜索上的重物載體從坡頂下行到坡底并在下堆場(chǎng)放置，同時(shí)牽引電機(jī)發(fā)電，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成發(fā)電過(guò)程。
綜上所述，斜坡懸架纜車(chē)式重力儲(chǔ)能技術(shù)采用懸架纜索循環(huán)運(yùn)輸，具有功率連續(xù)、靈活可調(diào)等優(yōu)勢(shì)；但因?yàn)橹匚飸业踉诶|索上并導(dǎo)致纜索產(chǎn)生很大弧垂，單個(gè)重物載體重量小，且兩個(gè)支架之間懸掛重物數(shù)量不能太多，從而決定了斜坡懸架纜車(chē)式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的高功率和大容量技術(shù)難度大。
3.3 斜坡纜-軌式重力儲(chǔ)能技術(shù)
針對(duì)以上技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)與不足，中科院電工所肖立業(yè)團(tuán)隊(duì)提出了斜坡纜-軌式重力儲(chǔ)能技術(shù)，不僅融合了斜坡軌道式重力儲(chǔ)能與斜坡懸架纜車(chē)式重力儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，且避免了兩者的缺點(diǎn)，原理結(jié)構(gòu)如圖7所示，并簡(jiǎn)述其原理和工作流程如下：
軌道運(yùn)輸與纜索運(yùn)輸有機(jī)結(jié)合，重物載體沿軌道運(yùn)行，軌道承載重物的重力并具有導(dǎo)向功能；纜索與軌道平行架設(shè)，并與電機(jī)通過(guò)輪軸或絞盤(pán)等相連，為重物運(yùn)行提供牽引力，牽引重物載體沿軌道循環(huán)運(yùn)行。該技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：
（一）、軌道運(yùn)輸與纜索運(yùn)輸相結(jié)合的斜坡纜-軌式重力儲(chǔ)能技術(shù)，利用軌道承載重物載體的重量，繼承軌道載重大、運(yùn)載量大的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)功率和容量容易做大；與斜坡纜索重力儲(chǔ)能技術(shù)相比，可以大幅提高重物載體運(yùn)載量，單體重量和運(yùn)輸總重量都得到大幅提升，克服了架空纜索的弧垂和單體重量輕的不足，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和容量都大幅提升。
圖7（a）斜坡纜-軌式重力儲(chǔ)能原理結(jié)構(gòu)-側(cè)視圖
圖7（b）斜坡纜-軌式重力儲(chǔ)能原理結(jié)構(gòu)-俯視圖
（二）、纜索與軌道平行架設(shè)并與電機(jī)聯(lián)動(dòng)，不間斷循環(huán)運(yùn)行，重物載體依次等間距掛載或卸載，在儲(chǔ)能過(guò)程中為重物載體提供連續(xù)的牽引力，在釋能發(fā)電過(guò)程中重物載體牽引電機(jī)連續(xù)發(fā)電；在充電（儲(chǔ)能）和發(fā)電（釋能）過(guò)程中，電機(jī)和動(dòng)力纜索穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)輸入、輸出功率連續(xù)且靈活可調(diào)，對(duì)電網(wǎng)和用戶(hù)友好，這也是儲(chǔ)能系統(tǒng)最核心的技術(shù)指標(biāo)。
采用該技術(shù)，完成5 MW/20 MWh單條雙軌循環(huán)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用架空循環(huán)雙軌、纜索動(dòng)力牽引技術(shù)，架空軌道承載運(yùn)輸車(chē)輛的重量、架空纜索提供拉升動(dòng)力；循環(huán)軌道纜索等間距排布200輛運(yùn)輸車(chē)，單機(jī)組通過(guò)拖動(dòng)纜索牽動(dòng)運(yùn)輸車(chē)連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。單條雙軌循環(huán)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)可以作為為一個(gè)單元儲(chǔ)能模塊，單模塊基本參數(shù)如表2所示：5 MW/20MWh的單模塊重力勢(shì)能儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)成本約2600-3600萬(wàn)元，度電建設(shè)成本1300-1800元，而相同容量的抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)大約為2500-3000萬(wàn)元，與抽水儲(chǔ)能的建設(shè)成本相當(dāng)。
綜上所述，斜坡纜-軌式重力儲(chǔ)能技術(shù)融合了山體軌道和纜索兩種重力儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、克服兩者的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，不僅功率和容量大，且輸入輸出功率連續(xù)不間斷，并且靈活可調(diào)；該技術(shù)具有地面和架空兩種敷設(shè)方式，可以根據(jù)地理?xiàng)l件和用戶(hù)需求來(lái)選擇技術(shù)方案，軌道與纜索架空敷設(shè)還具有占地小、對(duì)綠化環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)，便于規(guī)?；瘧?yīng)用和推廣。
表2 5MW/20MWh斜坡運(yùn)沙重力儲(chǔ)能系統(tǒng)基本參數(shù)
4.關(guān)鍵問(wèn)題與展望
通過(guò)以上綜述與深入分析，有關(guān)斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要總結(jié)如下，包括：①充放電過(guò)程功率的連續(xù)性與穩(wěn)定性問(wèn)題；②整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括建設(shè)和運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。
該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展與推廣應(yīng)用，將一方面取決于如何通過(guò)多機(jī)組聯(lián)合調(diào)控、增加輔助設(shè)備等確保功率的連續(xù)性與穩(wěn)定性；另一方面取決于如何通過(guò)選址、系統(tǒng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化、高自動(dòng)化運(yùn)維等降低造價(jià)和運(yùn)維成本、提高經(jīng)濟(jì)性。
本文所提出的斜坡纜-軌式重力儲(chǔ)能技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力連續(xù)不間斷運(yùn)行，做到功率連續(xù)、穩(wěn)定，并且靈活可調(diào)，單機(jī)容量大且可以多模組配合運(yùn)行，具有很強(qiáng)的規(guī)?；茝V和應(yīng)用價(jià)值。
5.總結(jié)
本文從重力儲(chǔ)能的原理出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了重力儲(chǔ)能技術(shù)方法和應(yīng)用場(chǎng)景。重點(diǎn)綜合了斜坡重力儲(chǔ)能的技術(shù)種類(lèi)和最新進(jìn)展，主要包括軌道式和纜車(chē)式兩種技術(shù)路線(xiàn)，并分析了兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)綜合分析與研究，給出了斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。由此提出了融合兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、避免各自缺點(diǎn)的斜坡纜-軌重力儲(chǔ)能技術(shù)，并總結(jié)了對(duì)斜坡重力儲(chǔ)能技術(shù)存在的關(guān)鍵問(wèn)題，給出了可能的解決措施。
本文作者：中國(guó)科學(xué)院電工研究所/中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院大學(xué)：張京業(yè)，林玉鑫，邱清泉，肖立業(yè)。
原標(biāo)題：基于斜坡和山體的重力儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展
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