研发固体荷载升位蓄能电站的理论分析

宛士春，杨立常

(1.青海大学，青海 西宁 810003；2.国家电网有限公司华中分部，湖北 武汉 430077)

1 固体荷载升位蓄能电站简介

固体荷载升位蓄能电站(以下简称固荷蓄能电站)与抽水蓄能电站，都是用提升能量载体的空间位置高度来储存能量并用降低其空间位置高度释放出的动能来发电的大型蓄能电站，而且在大型电网中可与抽水蓄能电站一样发挥调峰、调频、调相的功能，以改善电网的供电质量。二者的主要区别是所使用的作为能量载体的物质与形态的不同。由于抽水蓄能电站源于水力发电与泵站提水两种技术的对接，它以水作为能量的载体；而固荷蓄能电站则使用人工制造的固体荷载作为能量的载体。其重大意义在于它克服了抽水蓄能电站可行站址在我国以及世界上大多数国家的稀缺性带来的瓶颈效应，使大型升位蓄能电站的开发具有了广阔的前景。除此之外，它还避免了由水工程因水蚀、水击现象和水的蒸发、渗漏问题给工程带来的技术处理难题，对降低工程造价与减少能量损失、加大调峰力度与灵活性，及提高设备利用率等都提供了良好的前提条件。

1.1 系统的结构组成

不同类型的固荷蓄能电站在具体构造上虽有区别,但其系统的总体构成都与抽水蓄能电站的五大组成部分一一对应。抽水蓄能电站是由上池水库、下池水库及机房、压力管道和较大规模的水体五大部分组成；固荷蓄能电站则由上荷载库、下荷载库、机房、荷载通道与一定量的固体荷载五大部分组成。

1.2 固荷蓄能电站的分类

1.2.1 按蓄能所用的动力可划分为三种

1)电力蓄能型固荷蓄能电站，也可称为地铁式蓄能电站。它与上池水库没有天然来水的纯抽水蓄能电站的构成与运行过程基本相同。是消耗电网用电低谷时的电力，把固体荷载从下荷载库提升到上荷载库以实现蓄能，在用电高峰时把固体荷载从上荷载库放回下荷载库，利用荷载在下降过程中位能转化成的动能来驱动发电机发电。与抽水蓄能电站相比，它的优点是运行平稳、开机时间长、设备利用率高，而且蓄能功率与发电功率不必相等，利用这一点可加大调峰的力度。即用较小的蓄能功率获得较大的发电功率。它的好处是蓄能时对网电的冲击小，而在发电时对网电的补益大。

2)热力蓄能型固荷蓄能电站(简称热力蓄能电站)。不管使用何种燃料(煤、油、气、核)，热电厂可以改建成既可蓄能又可发电的热力蓄能电站。它的特点是利用涡轮机的动能直接把固体荷载从下荷载库提升到上荷载库来实现蓄能，在用电高峰时把固体荷载放回到下荷载库，利用固体荷载下降过程中位能转化成的动能驱动发电机发电。它除了具有地铁式蓄能电站的优点外还具有不消耗网电的好处。而且它的蓄能过程与发电过程是在完全独立的情况下运行的。因此，可以根据电网运行中的动态供电需求状况来设计和调整发电功率与蓄能功率的倍比系数，使其发电时的功率更好地符合电网的实时需要。这种蓄能电站又可分为两个类型：对于涡轮机只有蓄能一种功能的可称为纯热力蓄能电站，对涡轮机除蓄能外还具备发电直接上网功能的可成为混合热力蓄能电站。

3)风力蓄能型固荷蓄能电站。风力发电和光伏发电是对电网冲击最大的两种发电站，如果把风力发电站改建为蓄能电站的话，那就不仅减少了对电网的冲击,还提高了电网的抗冲击能力。其特点是上荷载库在地面修建，下荷载库在地下深处，荷载通道为竖井式的。建成后即可先发一次电，然后再重复蓄能和发电的运行过程。

1.2.2 按所处地形地貌特点可划分为三种

1)山前型固荷蓄能电站。无论是电力蓄能型还是热力蓄能型的固荷蓄能电站，凡选址在较大的山体附近的都是山前型固荷蓄能电站，其特点是上荷载库位于山顶上，而下荷载库位于山脚下。其荷载通道又有斜坡式和竖井式两种。

2)平原式固荷蓄能电站。建在平原地区的固荷蓄能电站，其特点是上荷载库建在地面上，下荷载库建在地下深处，荷载通道为竖井式的。其运行特点是第一工序先发电。

3)坑口型固荷蓄能电站。其特点是坐落在大型煤矿采空区的坑口附近，上荷载库位于地面上，下荷载库位于地下深处，是利用采空矿层的回填构筑的，其荷载通道则是利用采矿时的升降井改造而成。至于蓄能采用何种能源，可视当地具体条件而定。其运行特点也是第一工序先发电。

1.2.3 按固体荷载的形状分为两种

1)箱型荷载。其特点是结构比较复杂，要做成如地铁车厢一样的形体，下面装有两排车轮，以便行驶在钢铁的轨道上，而且每一个荷载都具有发电装置。其连接和传动方式亦与地铁车厢一样，只不过是实心的，内部充填密度尽可能大的钢筋混凝土，以尽量提高单位体积的能量载荷值，这是基于减小荷载库所需容积的考虑。此种荷载适用于电力蓄能型的固荷蓄能电站，即地铁式蓄能电站。因现行的地铁列车在下坡运行时已实现了发电的功能，所以研发地铁式蓄能电站的难度是较低的。

2)圆柱形荷载。此种荷载适用于热力蓄能型固荷蓄能电站。其特点是结构简单、吨位较大，可建成瞬间提供强大功率的蓄能电站，对发展军工企业和加强国防建设具有重要作用，如舰载机在航母上的电力弹射起飞就需要瞬间提供强大功率的电源。它的制作是用强度、刚度与柔韧性足够的钢铁外壳，内部填充高密度砂石料浇筑的钢筋混凝土，构成吨位较大的圆柱形固体荷载。在荷载的两个端面的中心位置应设置坚固的外凸中轴，以作为传动系统的抓手。运用此种荷载需要设计建造一个囊括上下载荷通道以及上下荷载库的长达千米乃至数千米的超大型的机械传动系统，要求这个传动系统不仅能够安全平稳地运行，而且要求在运行中其能量损失必须控制在一个较小的范围之内。

1.3 固荷蓄能电站的功能

固荷蓄能电站与抽水蓄能电站在大型电网中起着同样的调峰、调频和调相的作用；同样也可以平衡太阳能发电、风力发电、潮汐发电等不定时发电给电网带来的冲击，并能配合核电站运行中延长核燃料棒的燃烧时间以提高其利用率而收到提高核电厂的经济效益和减少核废料处理的工作量。此外，其还有若干优于抽水蓄能电站的特点，将在下面详细地加以论述。

2 两种大型升位蓄能电站的对比分析

因固荷蓄能电站与抽水蓄能电站都是应用升位蓄能和降位发电的原理，故它们在大规模储电行业中都占有十分重要的地位。但从两种升位蓄能电站，因使用能量载体不同而引起在构建与运行过程中出现不同特点的对比分析中，可以得到固荷蓄能电站优于抽水蓄能电站的七个方面的特性，也即七大优势。

2.1 可行站址的易得性

抽水蓄能电站必须在足够大的山体附近，需有一条来水量较大的天然河流提供给其下池水库以足够的水源，而且在山上、山下水平距离不太远的范围内还要具有适合修建水库的地形、地质条件。但我国是一个山多水少的国家，抽水蓄能电站的可行站址是极为稀缺的，这就极大地限制了抽水蓄能电站的发展空间。而固荷蓄能电站，无论是在山区、平原，无论有无水源，都可以不受限制的兴建。这就使大型升位蓄能电站在我国和世界上许多国家都具备了广阔的发展前景。

2.2 避免了有水工程的复杂性及其负面影响

抽水蓄能电站为了避免和减少水击、水蚀以及水的蒸发、渗漏所带来的损失，在设备制造与工程施工中需要采取一系列技术措施，不仅提高了工程的造价，而且无法避免因上池水库水体蒸发渗漏所带来的能量损失。尤其对上池水库蓄水时间较长的周调节和季调节电站来说，能量损失不是一个很小的数目，而固荷蓄能电站则完全排除了这些不利因素的影响。

2.3 固体荷载密度远大于水

人造固体荷载的密度在钢铁材料用量达到容积的30%的情况下密度可以达到5，而水的密度仅为1。所以固体荷载单位体积携带的能量是水的5倍，因而装机容量相同的固荷蓄能电站的上下荷载库的容积与抽水蓄能电站的上下池水库的容枳相比就小很多了。

2.4 减少了对网电的消耗

固荷蓄能电站除地铁式蓄能电站以外，均不是以消耗网电来实现蓄能的，在它们的运行过程中，不仅不消耗网电，还对电网起到了扩容的作用。

2.5 提高能量转换系数的潜力更大

能量转换系数是衡量蓄能电站经济性的一个重要指标。抽水蓄能电站在运行过程中能量转换次数为5次，具体过程如下：首先是由发电厂的涡轮机的动能转化为电能，然后再通过电动机转化为动能带动水泵，再由水泵转化为压能将水体提升到上池水库以位能的形式储存起来；发电时上池水库放水，水体的位能转化为动能带动发电机旋转，最后又由动能转化为电能。而热力蓄能电站是直接把涡轮机的动能转化为固体荷载的位能，减少了2次能量的转化过程，能量转化的环节减少了40%，故其提高能量转换效率的潜力应大于抽水蓄能电站，地铁式蓄能电站的能量转换次数虽与抽水蓄能电站同为5次，但它避免了因水体蒸发、渗漏带来的能量损失，故其能量转换效率仍优于抽水蓄能电站。

2.6 蓄能工序与发电工序的独立性强

对抽水蓄能电站来说,由于压力管道的双向使用和机械设备都有可逆运行的特质，使得其蓄能工序与发电工序运行的时间与发挥的功率在设备制造和施工中已被确定为必须相等，所以在运行中不存在运行时间和功率的变化与调整的可能性。但固荷蓄能电站的蓄能工序与发电工序是相互独立的，甚至两种工序可以同时进行，这就给规划设计和运行调度带来非常大的灵活性。对地铁式蓄能电站来说，可以用延长蓄能时间的办法来降低对网电功率的占有而不影响其调峰效果；对热力蓄能电站来说，就可以根据实际需要来设计其发电功率与蓄能功率的倍比系数，以恰如其分地强化其调峰的功能。

下面对两种类型的热力蓄能电站的运行情况加以具体分析。首先对纯热力蓄能电站(即涡轮机只蓄能不发电)进行分析：

如确定每天开机时间为20 h，调峰发电时间为4 h，则蓄能时间为20 h，发电功率可达蓄能功率的5倍；对混合热力蓄能电站(即涡轮机具备蓄能与发电双功能的)来说，如果每天开机时间仍为20 h，则发电功率仍为蓄能功率的5倍，但所需要的固体荷载的重量与上下荷载库的容积则可缩减20%左右。但涡轮机双向功能的实现可能需要付出更大的代价，但它带来的好处是由涡轮机直接发电上网的这部分电能没有能量转换的损失，其能量转换系数为1.0。

2.7 开机时间长,设备利用率高

抽水蓄能电站开机时间最长的是日调节电站，但其总的开机时间是调峰发电时间的两倍多一点，每天也不过就是10 h左右。对于周调节电站和季调节电站来说，其设备利用率就更低了。对固荷蓄能电站来说，无论是地铁式蓄能电站还是热力蓄能电站都可以全日制工作，设备利用率都是较高的。

3 研发固荷蓄能电站的必要性与可行性分析

3.1 研发固荷蓄能电站的必要性

3.1.1 升位蓄能电站在大型储电行业中的重要地位

目前的升位蓄能电站只有抽水蓄能电站一种，即抽水蓄能是升位蓄能的唯一形式。但据2017年百度提供的资料：全球各种储能技术装备的装机为148 GW，其中抽水蓄能占98%，锂电池和飞轮各占0.6%，剩下的0.8%是其他多种形式储能装机的总合。从以上的资料分析可以看出升位储能与其他储能形式相比具有绝对的优势。

3.1.2 可行站址的稀缺性是我国发展抽水蓄能电站的强力制约

由于我国多山少水的自然条件，适合于建设抽水蓄能电站的可行站址目前已处于十分稀缺的状态，形成了进一步发展抽水蓄能电站不可逾越的障碍。故研发另一种形式的升位蓄能电站即固荷蓄能电站，就成为发展大型升位蓄能电站以促成大规模储能事业迅速发展的唯一正确选择。

3.1.3 研发固荷蓄能电站是提高我国供电质量的迫切需要

大规模地快速推进抽水蓄能电站的建设，以提高我国电网的供电质量，是我国发展电力工业的一项重要政策，也是我国制定发展抽水蓄能电站的中长期规划的主要的指导精神。但由于我国山多、水少状况，能建立大中型抽水蓄能电站的可行站址已经处于十分稀缺的状态。按照提高供电质量的要求，抽水蓄能电站的装机容量占电网总装机容量之比应达到10%，才是比较理想的状态。目前一般工业国家的占比在5%～10%的水平。其中日本2006年已达10%以上，而我国截止2008年才达到1.35%，显然这是低水平的。《能源发展“十二五”规划》提出2015年抽水蓄能电站装机容量为3 000万kW，2020年底要达到7 000万kW，约占全国总装机容量的4.4%，2030年目标规划为1.1亿kW，占比约达5%，2050年目标规划为1.6亿kW，占比约达5.3%。从执行层面来看，“十二五”的开工规模为2 305万kW，只能完成规划目标的60%，按照这样的执行情况预测2030年与2050年规划目标的执行情况是很不乐观的，最多只能完成规划目标的一半左右。尽管规划目标的占比与10%的理想占比目标相差甚远，但对执行情况的预测还要再打50%的折扣。说明单靠发展抽水蓄能电站这单一形式的升位蓄能电站，对于未来几十年内国家建设对大规模储电事业的需求是远远得不到满足的。因此，必须尽快地全面展开对另一种升位蓄能电站即固荷蓄能电站的研发工作。

3.2 研发固荷蓄能电站的可行性论证

经过以上对固荷蓄能电站的介绍，已对固荷蓄能电站的系统结构组成、分类及工作原理、运行过程有了一个全面的了解；并通过与抽水蓄能电站的对比分析，说明了它具有许多超出抽水蓄能电站的优越之处。而构建固荷蓄能电站所应用的工程技术门类也没有超出抽水蓄能电站、热电厂以及现代地铁工程所需要的己经发展成熟的科学技术的范围，即发配电、土木建筑、机械工程与材料科学四大门类。

下面分两个层次来分析研发固荷蓄能电站的主要困难与解决之道。

3.2.1 研发地铁式蓄能电站主要难点与解决之道

对于地铁式蓄能电站来说，其研发的难度是相对较低的。在当前地铁运行中已实现了在下坡运行中的发电功能，在此基础上研发地铁式蓄能电站应该只是一个量变的问题，即如何解决工程目标变成蓄能发电后其运行轨道变得更陡、运行速度变得更快、荷载重量变得更大的量变问题所带来的对材料强度、刚度、柔韧性要求，及改进总体设计新的要求和在新的运行状态下如何保障平稳安全运行的问题。如果我们能够组成一个含有机械、电力、建筑与材料四大学科顶尖人才的科研团队并与有关单位开展密切协作，在获得必要的经费支持的条件下，估计在5年左右的时间里就能完成此项研发任务。

3.2.2 研发热力蓄能电站的主要难点及解决之道

对于另一类的固荷蓄能电站即热力蓄能电站来说，其研发难度显然是非常大的。但也不过是需要设计和建造一个史无前例的超大型的结构复杂而功能独特的机械传动系统。以斜坡式通道为例，这个传动系统应该是长达千米以上乃至数千米的全封闭式的，将下面的传动轨道与上面的传动支架连成一体且与山体牢固地结合在一起的含有高强度新材料制成的传动链条的庞大系统，由以下四大部分组成。

1)荷载上升通道传动子系统。它的底部与下荷载库传动子系统相连接，以便在蓄能工序开始时自动接受来自下荷载库的固体荷载。其顶部与上荷载库的传动子系统相连接，以便把升到顶部的荷载自动传递给上荷载库的传动系统。它中间要与机房中涡轮机的传动主轴相连接，以便接受涡轮机的动能以提升固体荷载。

2)上荷载库传动子系统。它的前端与荷载上升通道传动子系统相连接，以便在蓄能运行中自动接收固体荷载入库。它的内部应设计成使固体荷载能沿着以适当的坡度与转弯半径的圆柱螺旋线作匀速下降运动的缓坡通道，通道的终点即该系统的后端。它的后端与荷载下降通道传动子系统相连接，以便把固体荷载平稳地送入荷载下降通道子系统。之所以把此传动子系统设计成此种形式，是为保障传动系统在不需要为荷载提供动力的情况下，执行自动控制固体荷载在通道内的安全运行与自动上载、下载功能。故要求圆柱螺旋线的设计下降坡度应与固体荷载下降时的设计平均速度相适应。

3)荷载下降通道传动子系统。它的上部与上荷载库传动子系统的末端相连接，以便在发电时自动接收上荷载库传动子系统传给它的固体荷载。它的底部与下荷载库传动子系统相连接，以便把下降到底部的荷载送入下荷载库传动子系统。中间与发电机的动力主轴相链接，以便利用荷载在下降过程中产生的动能来驱动发电机发电。

4)下荷载库传动子系统。它的前端与荷载下降通道传动子系统相连接，以便在发电运行中自动接受固体荷载入库。它的后端与荷载上升通道传动子系统相连接，以便在蓄能运行中把荷载自动送进荷载上升通道传动子系统，其内部构造和运行情况与上荷载库传动子系统完全相同。

通过以上分析,了解到这个异常庞大的总长度不下数千米的机械传动系统其体量相当之大，而4个子系统的结构设计又必须满足各自独特的功能且相互连接处要做到自动传递固体荷载平稳过渡、天衣无缝。不仅如此，还要考虑整个传动系统在运行中的能量损失尽可能地小，这是研发工作的重要目标之一。但是不管研发的难度有多大，所应用的工程技术并没有超出发配电工程、机械工程、土木工程与材料科学四大学科的范围，与航天工程的难度与复杂性相比，与“天河取水”相比其难度要小多了。因为一个是在空中应用航天、导弹等新技术，在改变大气环流上下功夫；一个是应用常规技术在大地上做工程。但其研发工作的成果却是可以推动大规模储能事业取得突破性发展和使国内电网的供电质量得到彻底地改善，其对于提高整个国民经济的质量和效益以及巩固国防都将发挥不可估量的重要作用。“世界上的事，难度越大成功率越高”，这是许多成功人士总结出来的一条经验。对于体量大的问题也不足为惧，因为体量与质量最大的是嵌入山体的钢铁支架和运行轨道，而这些都是传动系统的非运动组成部分，其质量大小与机械传动效率无关。而传动系统的运动部分则是用高强度新型材料制作的传动链条和在支架轴承上旋转的定滑轮，质量占比是很小的。

在传动中所造成的能量损失也应该在可控的小范围之内。总之，尽管研发工作量大、纷繁复杂，需要探索在许多相互关联的未知情境下某些事物呈现的特征及其运动变化规律，其难度可想而知。如果能组建强有力的科研团队并与相关单位密切协作再加上科学运作，估计在10年左右也能完成这一艰巨的研发任务。

3.3 关于加快研发工作的具体设想

如何加快研发进度，在研发过程中要具体做两大类工作：一是从模型设计、模型制作到模型试验的整体物理模型实验(也称比例模型实验)的序列化的工作；二是一系列可以分别进行的如有关材料强度、刚度、柔韧性、抗高温、抗疲劳等的专项实验工作。只要事先把研究项目的内容与技术关键问题吃透，这两方面的研究工作可以通过分工合作来同步进行，并在实验过程中互通情报、相互借鉴，实现滚动式发展。这样就能以空间换取时间，加快研发工作的进度。

4 结 语

本文是作者20年来探索研发大型固体荷载升位蓄能电站的全部思想成果，它始于对抽水蓄能电站升位蓄能原理的认识与拓广，目的是为了克服由于抽水蓄能电站可行站址稀缺对发展大型升位蓄能电站造成的“瓶颈效应”。在长期思考这个问题的过程中思想产生了几次飞跃：第一次飞跃是以人造固体荷载取代抽水蓄能电站唯一能用的液态水体荷载，研发耗电蓄能型固荷蓄能电站即地铁式蓄能电站，使大型升位蓄能电站具备了广阔的发展空间；第二次飞跃是研发非耗电蓄能型的热力蓄能电站，它与耗电蓄能型的地铁式蓄能电站相比具有更多的优越之处；第三次飞跃是研发坑口型热力蓄能电站，它结合大型煤矿采空层的回填构筑处于地下的下荷载库，并利用煤矿原来的升降井改建成荷载的通道，不仅大幅度地减少了开挖工程量，而且同时解决了采空层回填的问题，收到一举两得的效果。此外，开启了在平原地区也能修建固荷蓄能电站的先例，导致风力蓄能电站的研发，再加上对各种固荷蓄能电站构成与运行特点的分析、与抽水蓄能电站的比较分析和研发工作必要性与可行性的分析，构成了有关研发固体荷载升位蓄能电站的全部思想体系。