張京業(yè)，林玉鑫，邱清泉，肖立業(yè)

（1中國科學(xué)院電工研究所；2中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

因?yàn)榛茉促Y源有限，且在利用過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[1-3]。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)未來電網(wǎng)帶來一系列重大挑戰(zhàn)[4-5]。規(guī)模化儲(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)模化儲(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)[6-11]。

重力儲(chǔ)能技術(shù)的類型有多種[12-14]，根據(jù)儲(chǔ)能原理及其系統(tǒng)運(yùn)行方式的特征[16-18]，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)——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)鍵問題及解決措施等。

1 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能之間的轉(zhuǎn)換，并用重物載體的重力勢能進(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[19-21]。其核心是設(shè)置斜坡上下兩個(gè)存放重物載體的儲(chǔ)倉或堆場，重物通過在上下儲(chǔ)倉間移動(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[22-26]。雖然原理基本類似，但不同技術(shù)路線有各自特點(diǎn)，并對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場景，以下對(duì)常見斜坡或山體重力儲(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)稱為斜坡重力儲(chǔ)能。

1.1 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，上水庫在接近水源斜坡頂部，下水庫多為自然江河、湖泊或人工水庫、堰塞湖等，上下庫之間有一定的垂直高差，一般在200～700米。水泵水輪機(jī)利用電能將下水庫的水抽到上水庫中儲(chǔ)存，從而將電能轉(zhuǎn)換為上水庫中水的重力勢能；上庫的水流向下水庫時(shí)帶動(dòng)水泵水輪機(jī)發(fā)電，從而將上水庫中水的重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)或用戶。抽水儲(chǔ)能的功率和容量較大，一般在100～3000 MW，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[14]。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[13]Fig.1 Schematic diagram of pumped storage principle [13]

1.2 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)車和卷揚(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3(a)、(c)所示，采用動(dòng)力機(jī)車沿軌道上下斜坡實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放，機(jī)車拖動(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，并在上堆場停放，電能轉(zhuǎn)換為重力勢能進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)充電過程；重物載體從坡頂沿軌道下行到坡底，牽引電機(jī)發(fā)電，重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成發(fā)電過程。②采用坡頂卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，如圖3(e)和圖4所示，卷揚(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，并在上堆場停放，電能轉(zhuǎn)換為重力勢能進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)(充電)過程；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，重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成釋能(發(fā)電)過程。

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。

1.3 斜坡架空纜車式重力儲(chǔ)能技術(shù)

斜坡架空纜車式重力儲(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放置，電能轉(zhuǎn)換為重力勢能進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充電過程；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放置，同時(shí)牽引電機(jī)發(fā)電，重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成發(fā)電過程。

圖2 斜坡重力儲(chǔ)能示意圖Fig.2 Schematic diagram of slope gravity energy storage

斜坡架空纜車式重力儲(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，重物更換過程中功率波動(dòng)小，輸入/輸出功率連續(xù)、穩(wěn)定。

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，儲(chǔ)能/釋能過程中重物依靠斜坡及附屬機(jī)構(gòu)在上下兩庫中轉(zhuǎn)移，從而完成電能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)換。對(duì)于不同的地形、場地等條件，斜坡重力儲(chǔ)能也有多種技術(shù)形式，其優(yōu)劣對(duì)比如表1所示?？梢姡糠N技術(shù)形式都有其適用場景，具有獨(dú)特的優(yōu)勢，也存在固有的不足。

表1 基于斜坡和山體的斜坡重力儲(chǔ)能不同技術(shù)優(yōu)劣勢對(duì)比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different technologies for slope gravity energy storage based on slopes and mountains

2 斜坡和山體重力儲(chǔ)能研究進(jìn)展

近年來重力儲(chǔ)能及技術(shù)得到廣泛關(guān)注和研究，主要包括楊于馳等[21]通過基本原理、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)；Tong等[7]提出固體重力儲(chǔ)能的基本概念，對(duì)該技術(shù)不同方面開展深入研究，對(duì)不同技術(shù)路線進(jìn)行詳細(xì)地分類比較，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)用場景和市場規(guī)模進(jìn)行評(píng)估；肖立業(yè)等[19]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[22]通過MATLAB/Simulink 建立了基于鐵軌的斜體重力儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，通過仿真分析了載重車輛質(zhì)量、車輛速度、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[27]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[8]通過儲(chǔ)能/釋能過程公式的推導(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)能的容量優(yōu)化具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。童家麟等[9]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[33]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)鍵問題，研究了不同技術(shù)路線的原理和特點(diǎn)并與抽水蓄能進(jìn)行對(duì)比，通過對(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[3]根據(jù)不同技術(shù)路線的重力儲(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；Hunt等[34]提出山地重力儲(chǔ)能可作為適用于低于20 MW的長期能源存儲(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明；Berrada 等[10]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)性優(yōu)于其他形式系統(tǒng)的結(jié)論；Morstyn 等[11]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。

國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的一些專利也為重力儲(chǔ)能的發(fā)展提供了重要的動(dòng)力。肖立業(yè)等[35]在專利中提出采用依托軌道和纜車結(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[18]提出一種帶有減速裝置使軌道車復(fù)位的重力儲(chǔ)能運(yùn)行方法；尤超等[16]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)介紹中國科學(xué)院電工研究所肖立業(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)。

2.1 斜坡軌道式重力儲(chǔ)能技術(shù)

2013年美國先進(jìn)軌道儲(chǔ)能公司Advanced Rail Energy Storage(ARES)利用山體斜坡退役鐵路開展重力儲(chǔ)能技術(shù)研究，該技術(shù)方案采用有軌電車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3(a)所示。儲(chǔ)能技術(shù)可以由多條軌道組成，能靈活地提供儲(chǔ)能的功率和容量[7,27]。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3(b)所示，已經(jīng)開工建設(shè)。ARES的首個(gè)商業(yè)項(xiàng)目落地美國內(nèi)華達(dá)州，該項(xiàng)目儲(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(1公頃=104m2)，采用列車式結(jié)構(gòu)運(yùn)送儲(chǔ)能重物，每單元列車由2節(jié)提供動(dòng)力的動(dòng)力車廂和7節(jié)運(yùn)載重物的重型列車組成，列車上方接觸網(wǎng)供電，如圖3(c)所示。隨后幾年，ARES 提出了多種新的儲(chǔ)能形式，如圖3(d)和3(e)所示，為斜坡式重力儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用設(shè)計(jì)方案。

圖3 ARES 公司儲(chǔ)能技術(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of ARES company's energy storage technology

天津大學(xué)羅振軍等[29-30]在2014年公開一項(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)，重物及拖車通過軌道轉(zhuǎn)移，每段軌道設(shè)置電力提升及發(fā)電裝置通過纜繩與拖車相連完成儲(chǔ)能/釋能過程，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的占地面積。

圖4 天津大學(xué)山體重力儲(chǔ)能原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the principle of mountain gravity energy storage at Tianjin University

中國科學(xué)院電工研究所肖立業(yè)等[28,30]在2018年提出基于直線電機(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)能場景進(jìn)行應(yīng)用。

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[29,33]，該方案電機(jī)與傳送鏈直接相連，通過循環(huán)運(yùn)行的傳送鏈運(yùn)送重物及載重車完成儲(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)載重車上的重物進(jìn)行裝載和卸載，實(shí)現(xiàn)載重小車的循環(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；但因?yàn)橹匚锔鼡Q過程中存在間歇，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。

2.2 斜坡懸架纜車式重力儲(chǔ)能技術(shù)

斜坡懸架纜車式重力儲(chǔ)能[31-32]的方案最早由美國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)，在上庫和下庫均設(shè)有自動(dòng)裝卸系統(tǒng)，用于運(yùn)送碎石的車斗循環(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[7,29]。

圖5 美國Energy Cache斜坡纜車式重力儲(chǔ)能Fig.5 Energy Cache slope hawser car gravity energy storage in the United States

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、纜車等運(yùn)送沙子完成重力儲(chǔ)能的方案[29,33-34]，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。

圖6 奧地利IIASA斜坡纜車式重力儲(chǔ)能Fig.6 Austria IIASA slope hawser car gravity energy storage

斜坡懸架纜車式重力儲(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放置，電能轉(zhuǎn)換為重力勢能進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充電過程；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放置，同時(shí)牽引電機(jī)發(fā)電，重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成發(fā)電過程。

綜上所述，斜坡懸架纜車式重力儲(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；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式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的高功率和大容量技術(shù)難度大。

2.3 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)勢與不足，中國科學(xué)院電工研究所肖立業(yè)團(tuán)隊(duì)[18,29,35]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，其原理和工作流程如下。

圖7 斜坡纜--軌式重力儲(chǔ)能原理圖Fig.7 Slope cable rail gravity energy storage principle structure

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)通過輪軸或絞盤等相連，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)。

（1）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。

（2）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)能過程中為重物載體提供連續(xù)的牽引力，在釋能發(fā)電過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，單機(jī)組通過拖動(dòng)纜索牽動(dòng)運(yùn)輸車連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。單條雙軌循環(huán)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)可以作為一個(gè)單元儲(chǔ)能模塊，單模塊基本參數(shù)如表2所示。

表2 5 MW/20 MWh斜坡運(yùn)沙重力儲(chǔ)能系統(tǒng)基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of a 5 MW/20 MWh slope sediment gravity energy storage system

5 MW/20 MWh 的單模塊重力勢能儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)成本2600萬～3600萬元，度電建設(shè)成本1300萬～1800萬元，而相同容量的抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)為2500萬～3000萬元，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件和用戶需求來選擇技術(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，便于規(guī)?；瘧?yīng)用和推廣。

3 關(guān)鍵問題與展望

通過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)問題主要總結(jié)如下，包括：①充放電過程功率的連續(xù)性與穩(wěn)定性問題；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。

4 總 結(jié)

本文從重力儲(chǔ)能的原理出發(fā)，簡要介紹了重力儲(chǔ)能技術(shù)方法和應(yīng)用場景，重點(diǎn)綜述了斜坡重力儲(chǔ)能的技術(shù)種類和最新進(jìn)展，主要包括軌道式和纜車式兩種技術(shù)路線，并分析了兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過綜合分析與研究，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)鍵問題，給出了可能的解決措施。