基于斜坡和山體的重力儲能技術研究進展

張京業，林玉鑫，邱清泉，肖立業

（1中國科學院電工研究所；2中國科學院應用超導重點實驗室，北京 100190；3中國科學院大學，北京 100039）

因為化石能源資源有限，且在利用過程中造成大量污染物和溫室氣體的排放，對環境造成重大影響[1-3]。因此，大力發展可再生能源并實現清潔能源變革，是實現“雙碳”目標的重要途徑。由于可再生能源受天氣影響大且有間歇性、波動性、分散性、地理上不可平移性等特點，高比例可再生能源接入電網，將對未來電網帶來一系列重大挑戰[4-5]。規模化儲能技術是有效解決可再生能源并網穩定性的重要技術途徑，而抽水儲能是規模化儲能技術中的標桿，屬于物理儲能技術，而重力儲能是最近引發廣泛關注的新型物理儲能技術[6-11]。

重力儲能技術的類型有多種[12-14]，根據儲能原理及其系統運行方式的特征[16-18]，本文將依托山體、傾斜礦井的斜坡重力儲能的原理、技術特點以及應用和進展情況進行綜述，并根據現有技術的優點和不足提出一種更為優化的斜坡重力儲能技術——斜坡纜-軌式重力儲能技術，最后給出當前斜坡重力儲能技術存在的核心關鍵問題及解決措施等。

1 基于斜坡和山體的斜坡重力儲能技術原理

基于斜坡和山體的重力儲能的基本原理是電能與重物載體的重力勢能之間的轉換，并用重物載體的重力勢能進行能量存儲，通常是利用電能驅動電動機把重物載體從斜坡或山體底部運送到頂部，從而把電能轉換為重物的重力勢能進行存儲，實現儲能系統的充電；在重力作用下重物載體從斜坡或山體頂部往低處運動并牽引發電機發電，將重力勢能轉換為電能回饋電網，實現儲能系統發電[19-21]。其核心是設置斜坡上下兩個存放重物載體的儲倉或堆場，重物通過在上下儲倉間移動的高差存儲/釋放能量。抽水蓄能是一種特殊的山體重力儲能，重物載體為水，本文基于斜坡或山體重力儲能的重物載體為固體[22-26]。雖然原理基本類似，但不同技術路線有各自特點，并對應不同的應用場景，以下對常見斜坡或山體重力儲能技術的原理和特點進行介紹，包括依托山體斜坡的重力儲能技術包括抽水儲能、軌道式重力儲能和纜索式重力儲能等，也可以應用于依托廢棄礦坑、傾斜礦井等斜坡的重力儲能，在此統稱為斜坡重力儲能。

1.1 抽水儲能

抽水儲能是重物載體為流體的斜坡重力儲能，技術成熟應用廣泛、裝機容量大，是斜坡重力儲能的標桿性技術，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。水泵水輪機利用電能將下水庫的水抽到上水庫中儲存，從而將電能轉換為上水庫中水的重力勢能；上庫的水流向下水庫時帶動水泵水輪機發電，從而將上水庫中水的重力勢能轉換為電能回饋電網或用戶。抽水儲能的功率和容量較大，一般在100～3000 MW，電-電轉換效率在75%左右，受水頭高低、容量大小等因素影響大，運行壽命可達幾十年，但選址難度較大[14]。本文主要以抽水儲能為標桿，在建設成本、轉換效率、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能技術。

圖1 抽水蓄能原理示意圖[13]Fig.1 Schematic diagram of pumped storage principle [13]

1.2 斜坡軌道重力儲能技術

按照驅動方式斜坡軌道重力儲能技術，可以分動力機車和卷揚機兩種驅動技術，①重物載體配置動力/發電系統的驅動模式，如圖3(a)、(c)所示，采用動力機車沿軌道上下斜坡實現能量的存儲與釋放，機車拖動一個或多個重物載體，利用電能驅動重物載體從坡底沿軌道上行到坡頂，并在上堆場停放，電能轉換為重力勢能進行存儲，實現充電過程；重物載體從坡頂沿軌道下行到坡底，牽引電機發電，重力勢能轉換為電能回饋電網，完成發電過程。②采用坡頂卷揚機驅動模式，如圖3(e)和圖4所示，卷揚機安置在斜坡頂部，電機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，電能轉換為重力勢能進行存儲，實現電能存儲(充電)過程；重物載體從坡頂沿軌道下行到坡底，同時牽引電機發電，重力勢能轉換為電能回饋電網，完成釋能(發電)過程。

斜坡軌道重力儲能技術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，導致輸入/輸出功率不連續。

斜坡軌道重力儲能技術可以應用于山體斜坡重力儲能，也可以用于廢棄礦坑、傾斜礦井等斜坡重力儲能。

1.3 斜坡架空纜車式重力儲能技術

斜坡架空纜車式重力儲能技術采用架空纜索與電動/發電機結合，閉環纜索做連續循環運動，多個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，電能轉換為重力勢能進行存儲，實現系統充電過程；當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，同時牽引電機發電，重力勢能轉換為電能回饋電網，完成發電過程。

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

斜坡架空纜車式重力儲能技術采用懸架纜索懸吊和運輸重物載體，導致纜索弧垂大、載重量小、功率和容量小；由于纜索循環運行與多重物連續運輸，重物更換過程中功率波動小，輸入/輸出功率連續、穩定。

綜上所述，斜坡重力儲能技術原理結構上依托山體等斜坡，在斜坡的上下兩端設置儲庫，儲能/釋能過程中重物依靠斜坡及附屬機構在上下兩庫中轉移，從而完成電能和重力勢能的相互轉換。對于不同的地形、場地等條件，斜坡重力儲能也有多種技術形式，其優劣對比如表1所示。可見，每種技術形式都有其適用場景，具有獨特的優勢，也存在固有的不足。

表1 基于斜坡和山體的斜坡重力儲能不同技術優劣勢對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different technologies for slope gravity energy storage based on slopes and mountains

2 斜坡和山體重力儲能研究進展

近年來重力儲能及技術得到廣泛關注和研究，主要包括楊于馳等[21]通過基本原理、發展現狀、前沿技術分析和發展展望四個方面總結了具有較大發展潛力新型儲能技術；Tong等[7]提出固體重力儲能的基本概念，對該技術不同方面開展深入研究，對不同技術路線進行詳細地分類比較，提出大規模儲能技術的評價方法并將固體重力儲能與其他大規模儲能進行對比，最后對固體重力儲能技術的應用場景和市場規模進行評估；肖立業等[19]總結了一系列的地下儲能的工程實施方案，分析適用于調峰或電能轉移的規模化電能物理儲存方法，并對可再生能源的配儲潛力進行計算。秦婷婷等[22]通過MATLAB/Simulink 建立了基于鐵軌的斜體重力儲能系統模型，通過仿真分析了載重車輛質量、車輛速度、斜坡坡度、高度和滾動摩擦系數等因素對儲能系統效率的影響，研究各因素對總體效率的關系，得出設計工況下系統的理論效率并給出有效提升系統效率的建議。赫文豪等[27]則聚焦于重力儲能領域的技術發展現狀，總結四種近年來迅速發展的規模化重力儲能技術，指出新型重力儲能技術發展存在的阻礙和技術難題，為重力儲能技術的發展提供參考。劉智洋等[8]通過儲能/釋能過程公式的推導，對比不同儲能形式及優化結果，得到重力儲能的總成本最小、優化效果最好的結論，并肯定了重力儲能的容量優化具有顯著的經濟性。童家麟等[9]則主要面向電源側儲能技術，總結了現有儲能技術的發展及應用，對比了中美兩國電源側儲能的發展情況并分析了發展前景，對未來電源側儲能技術的發展前景進行了展望；陳云良等[33]針對重力儲能技術提出四個技術構想及關鍵問題，研究了不同技術路線的原理和特點并與抽水蓄能進行對比，通過對重力儲能系統運行凈高差、規模、單機容量、效率等指標的討論，得到重力儲能單機容量不大、“總量”空間較大的結論；夏焱等[3]根據不同技術路線的重力儲能技術進行匯總，并對其技術特點進行分析；Hunt等[34]提出山地重力儲能可作為適用于低于20 MW的長期能源存儲形式，用以填補電池等小容量電能存儲和抽水蓄能等大容量電能存儲的空白，并對基于山體儲能的巨大潛力予以說明；Berrada 等[10]將重力儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能等技術的經濟性進行對比，得到重力儲能系統經濟性優于其他形式系統的結論；Morstyn 等[11]對廢棄深礦井用作重力儲能進行研究，明確關注儲能系統中容量、功率和斜坡率三個指標，對儲能總量進行計算，對于其豎直礦井的分析方法可推廣至斜坡儲能等儲能系統的分析。

國內外相關領域的一些專利也為重力儲能的發展提供了重要的動力。肖立業等[35]在專利中提出采用依托軌道和纜車結合的方式進行重力儲能，為斜坡式重力儲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位的重力儲能運行方法；尤超等[16]則提出運用將下落重物和待提升重物連接的方法減少重物從運動減速到靜止狀態過程中所耗散的能量，從而提升系統的運行效率。

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能技術研發與應用進展，然后重點介紹中國科學院電工研究所肖立業團隊根據上述技術的優缺點提出的斜坡纜-軌式重力儲能技術。

2.1 斜坡軌道式重力儲能技術

2013年美國先進軌道儲能公司Advanced Rail Energy Storage(ARES)利用山體斜坡退役鐵路開展重力儲能技術研究，該技術方案采用有軌電車裝載重物在山地間軌道中運動從而實現能量的存儲與釋放，如圖3(a)所示。儲能技術可以由多條軌道組成，能靈活地提供儲能的功率和容量[7,27]。為了證明其技術的可行性以及為后續商業化應用做準備，該公司在加利福尼亞州的德哈查皮(Tehachapi)進行示范性實驗，如圖3(b)所示，已經開工建設。ARES的首個商業項目落地美國內華達州，該項目儲能系統功率為50 MW，提供12.5 MWh的儲能能量，占地25公頃(1公頃=104m2)，采用列車式結構運送儲能重物，每單元列車由2節提供動力的動力車廂和7節運載重物的重型列車組成，列車上方接觸網供電，如圖3(c)所示。隨后幾年，ARES 提出了多種新的儲能形式，如圖3(d)和3(e)所示，為斜坡式重力儲能技術的規模化應用設計方案。

圖3 ARES 公司儲能技術示意圖Fig.3 Schematic diagram of ARES company's energy storage technology

天津大學羅振軍等[29-30]在2014年公開一項依托山體的重力儲能技術，該技術依托山體和軌道構建儲能系統，重物及拖車通過軌道轉移，每段軌道設置電力提升及發電裝置通過纜繩與拖車相連完成儲能/釋能過程，并在上下碼垛平臺運用碼垛機對重物進行堆碼，如圖4所示，可以大幅減小上下堆場的占地面積。

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

中國科學院電工研究所肖立業等[28,30]在2018年提出基于直線電機驅動的斜坡重力儲能方案及基于多個電動絞盤驅動的分段式斜坡重力儲能方案，前者旨在將軌道交通的驅動形式應用在儲能技術中，減小儲能方案的自耗散率，提升儲能系統的運行效率，增加儲能的靈活性，更適合于在大功率、大容量的儲能場景進行應用。

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能方案[29,33]，該方案電機與傳送鏈直接相連，通過循環運行的傳送鏈運送重物及載重車完成儲能與釋能，在儲能系統的高低兩平臺設置碼垛機對載重車上的重物進行裝載和卸載，實現載重小車的循環運行，進而實現更大規模的重力儲能。

綜上所述，斜坡軌道式重力儲能技術采用軌道運輸，載重量大、單體重物質量大，從而具有儲能系統的功率和容量大的優勢；但因為重物更換過程中存在間歇，具有功率不連續的不足；且每個重物載體配置有動力/發電系統，造價高、運維難度大。

2.2 斜坡懸架纜車式重力儲能技術

斜坡懸架纜車式重力儲能[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能介質，在上庫和下庫均設有自動裝卸系統，用于運送碎石的車斗循環運行，減小功率間歇，具有較強的靈活性和拓展性。如圖5所示，該項目設計儲能容量50 kWh，最大運行功率1 MW，響應迅速[7,29]。

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

奧地利IIASA 研究所在2019 年提出山地重力儲能Mountain Gravity Energy Storage (MGES)的概念并分析利用山體存儲資源的巨大潛力。如圖6所示，該研究所提出采用懸架纜繩、纜車等運送沙子完成重力儲能的方案[29,33-34]，適合更為陡峭的山體、懸崖等運用，在孤立微網和小島嶼供電應用將有很大潛力。

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

斜坡懸架纜車式重力儲能技術主要采用電機拖動纜繩做連續循環運動，當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，電能轉換為重力勢能進行存儲，實現系統充電過程；當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，同時牽引電機發電，重力勢能轉換為電能回饋電網，完成發電過程。

綜上所述，斜坡懸架纜車式重力儲能技術采用懸架纜索循環運輸，具有功率連續、靈活可調等優勢；但因為重物懸吊在纜索上并導致纜索產生很大弧垂，單個重物載體重量小，且兩個支架之間懸掛重物數量不能太多，從而決定了斜坡懸架纜車式重力儲能系統的高功率和大容量技術難度大。

2.3 斜坡纜--軌式重力儲能技術

針對以上技術中的優勢與不足，中國科學院電工研究所肖立業團隊[18,29,35]提出了斜坡纜-軌式重力儲能技術，不僅融合了斜坡軌道式重力儲能與斜坡懸架纜車式重力儲能的優點，且避免了兩者的缺點，原理結構如圖7 所示，其原理和工作流程如下。

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

軌道運輸與纜索運輸有機結合，重物載體沿軌道運行，軌道承載重物的重力并具有導向功能；纜索與軌道平行架設，并與電機通過輪軸或絞盤等相連，為重物運行提供牽引力，牽引重物載體沿軌道循環運行。該技術方案具有如下優點。

（1）軌道運輸與纜索運輸相結合的斜坡纜-軌式重力儲能技術，利用軌道承載重物載體的重量，繼承軌道載重大、運載量大的優點，系統功率和容量容易做大；與斜坡纜索重力儲能技術相比，可以大幅提高重物載體運載量，單體重量和運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，儲能系統功率和容量都大幅提升。

（2）纜索與軌道平行架設并與電機聯動，不間斷循環運行，重物載體依次等間距掛載或卸載，在儲能過程中為重物載體提供連續的牽引力，在釋能發電過程中重物載體牽引電機連續發電；在充電(儲能)和發電(釋能)過程中，電機和動力纜索穩定、連續運行，系統輸入、輸出功率連續且靈活可調，對電網和用戶友好，這也是儲能系統最核心的技術指標。

采用該技術，完成5 MW/20 MWh單條雙軌循環重力儲能系統的設計，采用架空循環雙軌、纜索動力牽引技術，架空軌道承載運輸車輛的重量、架空纜索提供拉升動力；循環軌道纜索等間距排布200輛運輸車，單機組通過拖動纜索牽動運輸車連續循環運動。單條雙軌循環重力儲能系統可以作為一個單元儲能模塊，單模塊基本參數如表2所示。

表2 5 MW/20 MWh斜坡運沙重力儲能系統基本參數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能系統建設成本2600萬～3600萬元，度電建設成本1300萬～1800萬元，而相同容量的抽水儲能系統的造價為2500萬～3000萬元，與抽水儲能的建設成本相當。

綜上所述，斜坡纜-軌式重力儲能技術融合了山體軌道和纜索兩種重力儲能技術的優點、克服兩者的缺點，揚長避短，不僅功率和容量大，且輸入輸出功率連續不間斷，并且靈活可調；該技術具有地面和架空兩種敷設方式，可以根據地理條件和用戶需求來選擇技術方案，軌道與纜索架空敷設還具有占地小、對綠化環境影響小等優勢，便于規模化應用和推廣。

3 關鍵問題與展望

通過以上綜述與深入分析，有關斜坡重力儲能技術的關鍵技術問題主要總結如下，包括：①充放電過程功率的連續性與穩定性問題；②整個儲能系統，包括建設和運維的經濟性問題。

該項技術的發展與推廣應用，將一方面取決于如何通過多機組聯合調控、增加輔助設備等確保功率的連續性與穩定性；另一方面取決于如何通過選址、系統機構優化、高自動化運維等降低造價和運維成本、提高經濟性。

本文所提出的斜坡纜-軌式重力儲能技術，可以實現動力連續不間斷運行，做到功率連續、穩定，并且靈活可調，單機容量大且可以多模組配合運行，具有很強的規模化推廣和應用價值。

4 總 結

本文從重力儲能的原理出發，簡要介紹了重力儲能技術方法和應用場景，重點綜述了斜坡重力儲能的技術種類和最新進展，主要包括軌道式和纜車式兩種技術路線，并分析了兩種技術的優缺點，通過綜合分析與研究，給出了斜坡重力儲能技術的兩個關鍵技術問題。由此提出了融合兩種技術的優點、避免各自缺點的斜坡纜-軌重力儲能技術，并總結了對斜坡重力儲能技術存在的關鍵問題，給出了可能的解決措施。