摘" 要：在“以大代小”政策鼓勵(lì)下，老舊風(fēng)機(jī)逐步迎來退役高峰。采用老舊風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，可同時(shí)解決老舊風(fēng)機(jī)退役問題和風(fēng)電儲(chǔ)能需求缺口，具備良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)效益。以1.5 MW老舊風(fēng)機(jī)為例，分析風(fēng)機(jī)塔筒改建重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量潛力，探討儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)選擇，改建后的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量可達(dá)6.67 kWh，系統(tǒng)功率可選范圍為20 kW至2 MW，相應(yīng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為20 min至10 s。闡明老舊風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能相比其他短時(shí)儲(chǔ)能形式的建設(shè)成本優(yōu)勢(shì)，并討論運(yùn)行成本和收益情況，為新能源和儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供新思路和新模式。

關(guān)鍵詞：老舊風(fēng)機(jī);重力儲(chǔ)能;潛力分析;經(jīng)濟(jì)性分析;改建

中圖分類號(hào)：TK83" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0034-05

Abstract： Encouraged by the policy of \"replacing small ones with large ones\"， old wind turbines are gradually ushering in their retirement peak. Using old wind turbines to rebuild gravity energy storage systems can simultaneously solve the problem of decommissioning old wind turbines and the gap in wind power energy storage demand， and has good economic， social and ecological benefits. Taking an old 1.5 MW wind turbine as an example， the capacity potential of the wind turbine tower to be rebuilt into a gravity energy storage system is analyzed， and the power and operating time selection of the energy storage system are discussed. The capacity of the renovated energy storage system can reach 6.67 kWh， and the system power can be selectable. The range is 20 kW to 2 MW， and the corresponding energy storage time is 20 minutes to 10 seconds. The construction cost advantages of retrofitting gravity energy storage with old wind turbines compared with other short-term energy storage forms are clarified， and the operating costs and benefits are discussed， providing new ideas and models for the development of new energy and energy storage technologies.

Keywords： old wind turbine; gravity energy storage; potential analysis; economic analysis; renovation

風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)使用壽命約為20年[1]，實(shí)際運(yùn)行中10年以上的老舊風(fēng)電機(jī)組存在發(fā)電效率低、安全性差、穩(wěn)定性弱等問題[2]，顯著影響風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。此外，部分早期機(jī)型的部件已經(jīng)停產(chǎn)，存在運(yùn)維困難和成本偏高問題。我國(guó)“三北”地區(qū)風(fēng)資源優(yōu)越，但受到早期風(fēng)電機(jī)組技術(shù)制約，MW級(jí)以下機(jī)組較多，目前面臨嚴(yán)峻的退役問題?！笆奈濉逼陂g我國(guó)近1 GW老舊風(fēng)電機(jī)組面臨退役，多為0.5～1 MW機(jī)型;“十五五”期間，我國(guó)老舊風(fēng)電機(jī)組迎來第一次退役高峰，預(yù)計(jì)容量超過40 GW，多為1～2 MW機(jī)型[3]。對(duì)于老舊風(fēng)電機(jī)組，一般采用改造升級(jí)或延壽方式來保障風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效益[4]，在“以大代小”適量增容的政策鼓勵(lì)下，風(fēng)機(jī)改造升級(jí)也迎來熱潮。然而，目前退役風(fēng)機(jī)的處理方式多采用直接拆除[5]，或通過部件翻新、材料回收等進(jìn)行初級(jí)回收利用[6]，造成資源能源、時(shí)間經(jīng)濟(jì)的嚴(yán)重浪費(fèi)。

近年來，在政策支持、產(chǎn)業(yè)需求和技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，新能源配套儲(chǔ)能已經(jīng)成為新能源項(xiàng)目的剛需。截至2023年底，我國(guó)累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約2 920 GW，其中風(fēng)電裝機(jī)容量約441.34 GW[7]，若風(fēng)電全部按照10%功率、2 h時(shí)長(zhǎng)的常見政策要求配置儲(chǔ)能，則儲(chǔ)能需求達(dá)44 GW/88 GWh。截至2023年底全國(guó)儲(chǔ)能總規(guī)模為86.5 GW[8]，但其中可用于服務(wù)風(fēng)電的儲(chǔ)能資源有限，儲(chǔ)能缺口和發(fā)展?jié)摿Χ挤浅＞薮?。采用老舊風(fēng)機(jī)改建儲(chǔ)能設(shè)施，可同時(shí)解決老舊風(fēng)機(jī)退役問題和風(fēng)電儲(chǔ)能需求缺口，在提質(zhì)增效、節(jié)約資源和生態(tài)環(huán)保方面實(shí)現(xiàn)多贏。

在多種儲(chǔ)能技術(shù)中，重力儲(chǔ)能具有選址靈活、能量轉(zhuǎn)化效率高、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)[9]，近年來的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展迅速[10]。根據(jù)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，風(fēng)機(jī)塔筒高度和承重能力為其改建成重力儲(chǔ)能裝置提供了內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)。本文介紹重力儲(chǔ)能的技術(shù)原理和特點(diǎn)，首次提出老舊風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能的新路徑，并以1.5 MW老舊風(fēng)機(jī)為例，計(jì)算了其改建為重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量潛力，確定系統(tǒng)功率和儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及選取范圍，闡明系統(tǒng)運(yùn)行成本與儲(chǔ)能收益方面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，為新能源與儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供參考指導(dǎo)。

1" 重力儲(chǔ)能技術(shù)原理與特點(diǎn)

重力儲(chǔ)能按照介質(zhì)可以分為水介質(zhì)重力儲(chǔ)能和固體重物重力儲(chǔ)能[11]。水介質(zhì)重力儲(chǔ)能主要采用水通道、活塞等部件產(chǎn)生壓力、浮力變化，配合水泵和水輪機(jī)、電動(dòng)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能過程，可被視為抽水蓄能的一種變化形式，但可以靈活應(yīng)用于海水、平地等更廣泛的場(chǎng)景。固體重物重力儲(chǔ)能則是目前重力儲(chǔ)能的研發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)，按照結(jié)構(gòu)原理可分為基于構(gòu)筑物高度差、基于山體落差、基于地下豎井等3種形式[12-13]。固體重物一般采用密度較高的物質(zhì)，兼顧固體廢棄物的環(huán)保利用，包括砂石、金屬、水泥等，從而實(shí)現(xiàn)較高的儲(chǔ)能密度。固體重物重力儲(chǔ)能系統(tǒng)一般還包括吊車、纜車、起重機(jī)等部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)重物的上下移動(dòng)控制;電動(dòng)發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變速箱等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過程。不同形式重力儲(chǔ)能的特點(diǎn)[11-12]見表1。

固體重物型重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量與常見鋰電池儲(chǔ)能電站相當(dāng)，屬于中等容量的儲(chǔ)能形式，也可以通過建設(shè)多個(gè)系統(tǒng)集群，形成媲美抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能的大容量?jī)?chǔ)能設(shè)施。在實(shí)際應(yīng)用中，可結(jié)合需求場(chǎng)景和地形特征選擇具體形式，山體落差和地下豎井可有效利用山體斜坡天然落差和廢棄礦井等現(xiàn)有設(shè)施條件，成為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的熱點(diǎn);構(gòu)筑物形式通常需要新建專用的高塔設(shè)施，建設(shè)成本較高，而且對(duì)鋼鐵、水泥的需求也帶來碳排放問題。目前，固體重物型重力儲(chǔ)能無明顯的技術(shù)設(shè)備難題，優(yōu)化改進(jìn)主要集中在電動(dòng)/發(fā)電機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、天氣地形適應(yīng)技術(shù)等方面。

2" 風(fēng)機(jī)塔筒改建重力儲(chǔ)能的潛力分析

風(fēng)機(jī)塔筒具有“中空”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，配合高度和承重方面的參數(shù)優(yōu)勢(shì)，可將重物放置于塔筒之中，利用纜繩、滑輪、電機(jī)的配合，使重物在上下移動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)重力勢(shì)能和電能之間的有效轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)重力儲(chǔ)能效果，改建后的裝置如圖1所示。以典型的1.5 MW風(fēng)機(jī)為例[14-16]，關(guān)注風(fēng)機(jī)塔筒的高度、承重等性能，分析改建重力儲(chǔ)能的潛力。

2.1" 風(fēng)機(jī)塔筒參數(shù)

1.5 MW風(fēng)機(jī)的塔筒通常采用錐筒式變截面設(shè)計(jì)，總高度典型值為75 m。塔筒分為3段，每段塔筒之間通過對(duì)接法蘭采用螺栓連接，最上位置直徑取2.5 m，最下位置直徑取4.5 m。塔筒上方安裝機(jī)艙、輪轂與葉片，總質(zhì)量典型值取100 t，其中機(jī)艙（含發(fā)電機(jī)、變速箱等）質(zhì)量取60 t，輪轂與葉片質(zhì)量取40 t，機(jī)艙尺寸典型值取8 m×4 m×4 m。

2.2" 風(fēng)機(jī)塔筒參數(shù)

參考構(gòu)筑物和地下豎井形式的重力儲(chǔ)能，穩(wěn)定儲(chǔ)/釋能過程中的功率與容量計(jì)算公式如下

P=mgν ，" （1）

E=mgh ， （2）

式中：P為儲(chǔ)能功率，E為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，m為重物質(zhì)量，g為重力加速度，ν為重物設(shè)定移動(dòng)速度，h為重物移動(dòng)距離。

由公式（1）和（2）可知，重力儲(chǔ)能的功率和容量主要與重物質(zhì)量、移動(dòng)高度和設(shè)定速度有關(guān)，其中設(shè)定速度取決于儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的選擇，由下式計(jì)算

ν= ， （3）

式中：tES為儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)。一般儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)和設(shè)定速度可在一定范圍內(nèi)靈活選擇，是重力儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)之一。

此外，考慮到儲(chǔ)能的啟動(dòng)過程對(duì)響應(yīng)時(shí)間有一定要求，重物存在一定的加速度。儲(chǔ)能勻加速啟動(dòng)的最大瞬時(shí)功率由下式計(jì)算

Pmax=mν（g+a） ， （4）

式中：Pmax為最大瞬時(shí)功率;a為加速度，可由設(shè)定速度和響應(yīng)時(shí)間計(jì)算

a= ， （5）

式中：tRT為響應(yīng)時(shí)間。

2.3" 改進(jìn)潛力分析

1.5 MW風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的方法，首先是拆除輪轂與葉片，保留機(jī)艙與塔筒，隨后將機(jī)艙中的發(fā)電機(jī)、變速箱進(jìn)行改造，改為電動(dòng)發(fā)電機(jī)和絞盤-纜繩-變速系統(tǒng)。預(yù)計(jì)改建之后的機(jī)艙尺寸保持不變，質(zhì)量將由原來的60 t增加至65 t左右。風(fēng)機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下，塔筒可以承受機(jī)艙、輪轂與葉片的總質(zhì)量為100 t，將其改建重力儲(chǔ)能系統(tǒng)之后，仍富余35 t承重能力，可以用于配置固體重物。實(shí)際上，在1.5 MW風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)建造中，充分考慮了各類極端工況，塔筒承重能力明顯超過靜止?fàn)顟B(tài)下的100 t[17]，但考慮到風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能尚無工程應(yīng)用案例，從安全角度保守考慮，配置固體重物仍然按照35 t計(jì)算。35 t的固體重物可以采用直徑為2.5 m的圓柱體，便于放置在塔筒之中。若采用鐵塊作為固體重物，圓柱體長(zhǎng)度約2.3 m，而采用石塊時(shí)，圓柱體長(zhǎng)度約5 m。

風(fēng)機(jī)塔筒高度為75 m，考慮到重物本身尺寸和上下移動(dòng)裕量，改建重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的移動(dòng)距離設(shè)定為70 m。由此計(jì)算可得，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量E=35 000 kg×9.8 m/s2×70 m=6.67 kWh，假設(shè)儲(chǔ)能效率90%[10]，系統(tǒng)可以存儲(chǔ)電量約為6 kWh。選取儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為70 s、設(shè)定速度為1 m/s時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率P=35 000 kg×9.8 m/s2×1 m/s=343 kW;選取儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為700 s、設(shè)定速度為0.1 m/s時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率P=34.3 kW，此時(shí)電動(dòng)發(fā)電機(jī)的功率和成本可以大幅減小，但重物低速運(yùn)行時(shí)控制難度顯著增加，難以實(shí)現(xiàn)功率的平穩(wěn)輸出。因此，一般選擇10 s至10 min級(jí)的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)較為合適，電動(dòng)發(fā)電機(jī)的功率也可以結(jié)合原有1.5 MW風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的改造潛力予以綜合考慮。

綜上所述，一臺(tái)1.5 MW的老舊風(fēng)機(jī)可改建為6.67 kWh的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)功率可以選擇20 kW至2 MW范圍，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)相應(yīng)為20 min至10 s范圍，但綜合考慮改造、控制、安全、成本等因素，選擇范圍內(nèi)適中的功率和時(shí)長(zhǎng)較為妥當(dāng)。

此外，儲(chǔ)能啟動(dòng)過程中的響應(yīng)時(shí)間和瞬時(shí)功率也需要納入考量。對(duì)于儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)70 s、設(shè)定速度1 m/s的情況，給定儲(chǔ)能的響應(yīng)時(shí)間為1 s，則儲(chǔ)能啟動(dòng)過程的最大功率Pmax=35 000 kg×1 m/s×（9.8 m/s2+1 m/s2）=378 kW。由此可知，電動(dòng)發(fā)電機(jī)在儲(chǔ)能啟動(dòng)過程中為電動(dòng)機(jī)模式，功率需要達(dá)到378 kW以上才能同時(shí)滿足響應(yīng)時(shí)間需求和儲(chǔ)能功率需求。

3 風(fēng)機(jī)塔筒改建重力儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 典型案例建設(shè)成本

一般老舊風(fēng)電場(chǎng)有多臺(tái)老舊風(fēng)機(jī)，可以改建為多個(gè)重力儲(chǔ)能子系統(tǒng)的陣列，子系統(tǒng)之間可以通過并聯(lián)或串聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能功率放大或儲(chǔ)能時(shí)間延長(zhǎng)。以10臺(tái)1.5 MW老舊風(fēng)機(jī)為例，每臺(tái)風(fēng)機(jī)選取儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)20 s，響應(yīng)時(shí)間1 s，則儲(chǔ)能功率為1.2 MW，啟動(dòng)瞬時(shí)功率約為1.6 MW，可以對(duì)原有風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)最大程度改造利用。若10臺(tái)儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)同步使用，可以實(shí)現(xiàn)12 MW、20 s的儲(chǔ)能效果，支撐120 MW風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)頻需求;若10臺(tái)儲(chǔ)能系統(tǒng)串聯(lián)接力使用，則可以實(shí)現(xiàn)1.2 MW、200 s的儲(chǔ)能效果，支撐12 MW風(fēng)電場(chǎng)的短時(shí)調(diào)峰和調(diào)頻需求。

老舊風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能系統(tǒng)可節(jié)約機(jī)艙、塔筒的拆除費(fèi)用，并減少新建構(gòu)筑物的建設(shè)支出，新增建設(shè)成本主要來自于新建重物裝置、新建纜繩系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)改造、變速箱改造和運(yùn)行控制系統(tǒng)等5部分，見表2。在老舊風(fēng)機(jī)拆除費(fèi)用中，機(jī)艙和塔筒的拆除費(fèi)用占據(jù)主要比例，而新建構(gòu)筑物重力儲(chǔ)能的建設(shè)成本一半左右來自于構(gòu)筑物建設(shè)。由表2可知，風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能既節(jié)約了風(fēng)機(jī)的拆除費(fèi)用，又節(jié)省了構(gòu)筑物建設(shè)費(fèi)用，對(duì)發(fā)電機(jī)、變速箱的改造使用也降低了建設(shè)成本。另外，風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能的建設(shè)成本僅為新建重力儲(chǔ)能的45%，也低于飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容等短時(shí)儲(chǔ)能的建設(shè)成本[18]。

3.2 運(yùn)行成本與儲(chǔ)能收益

風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能的運(yùn)行成本主要來自于效率損失和運(yùn)維費(fèi)用。在效率損失方面，重力儲(chǔ)能的效率較高（約90%[10]），相比壓縮空氣儲(chǔ)能（40%～70%[19]）、抽水蓄能（65%～80%[20]），重力儲(chǔ)能的電量損失成本較小。在運(yùn)維費(fèi)用方面，重力儲(chǔ)能的鋼纜普遍面臨定期維護(hù)更換的費(fèi)用，塔筒安全也需要定期檢查維護(hù)，整體而言與飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容相當(dāng)，在維護(hù)得當(dāng)?shù)那闆r下，重力儲(chǔ)能的壽命也可以媲美其他物理儲(chǔ)能形式。

風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能的運(yùn)行收益，主要來自于調(diào)峰調(diào)頻收益和充放電電價(jià)政策。值得注意的是，在已有風(fēng)電場(chǎng)中，部分老舊風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能，為周圍“以大代小”改建風(fēng)機(jī)提供儲(chǔ)能服務(wù)時(shí)，具有距離和線路方面的先天優(yōu)勢(shì)，既可以節(jié)約線路鋪設(shè)成本，又可以降低線路損失，有效提升整體收益。

總體來看，風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能的運(yùn)行成本適中，運(yùn)行收益在調(diào)頻政策保障和距離線路優(yōu)勢(shì)下，與飛輪儲(chǔ)能等短時(shí)儲(chǔ)能形式相當(dāng)或更優(yōu)。在建設(shè)成本較低的情況下，風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能的投資回收期要顯著短于其他短時(shí)儲(chǔ)能形式。

4" 結(jié)束語

老舊風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能可同時(shí)解決老舊風(fēng)機(jī)退役問題和風(fēng)電儲(chǔ)能需求缺口，是一種具備良好經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)效益價(jià)值的創(chuàng)新路徑。本文提出了一種老舊風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能的新路徑，以1.5 MW老舊風(fēng)機(jī)為例，通過分析風(fēng)機(jī)塔筒、機(jī)艙結(jié)構(gòu)及承重能力等相關(guān)參數(shù)可知，該風(fēng)機(jī)具備改建為6.67 kWh重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛力，系統(tǒng)功率可選范圍為20 kW至2 MW，相應(yīng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為20 min至10 s，需綜合考慮改造、控制、安全、成本等因素選擇適中的儲(chǔ)能功率和時(shí)長(zhǎng)。多臺(tái)老舊風(fēng)機(jī)還可以改建為多個(gè)重力儲(chǔ)能子系統(tǒng)陣列，通過并聯(lián)或串聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能功率放大或時(shí)間延長(zhǎng)，支撐調(diào)頻需求或短時(shí)調(diào)峰需求。

由經(jīng)濟(jì)性分析可知，風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能既節(jié)約了老舊風(fēng)機(jī)的拆除費(fèi)用，又節(jié)省了重力儲(chǔ)能的構(gòu)筑物建設(shè)費(fèi)用，對(duì)發(fā)電機(jī)、變速箱的改造使用也降低了整體建設(shè)成本。風(fēng)機(jī)改建重力儲(chǔ)能的建設(shè)成本低于常見短時(shí)儲(chǔ)能形式，運(yùn)行成本和運(yùn)行收益相當(dāng)或更優(yōu)，是一種技術(shù)可行、收益較好、節(jié)能環(huán)保、前景廣闊的新型技術(shù)路徑。

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第一作者簡(jiǎn)介：楊倩鵬（1989-），男，博士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槲锢韮?chǔ)能與氫能。

*通信作者：姚爾人（1989-），男，博士，副教授。研究方向?yàn)槲锢韮?chǔ)能與新能源發(fā)電。