重力储能技术研究进展*

夏 焱，万继方，李景翠，袁光杰，杨 洋

重力储能技术研究进展*

夏 焱1，万继方1†，李景翠1，袁光杰1，杨 洋2

（1. 中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206；2. 长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023）

储能技术主要是指电能的储存，是智能电网的重要环节。当前应用最广泛的储能系统为抽水储能，但其选址困难、对环境影响较大、对水资源依赖严重。重力储能作为一种新型的储能技术，以重物为储能媒介，原理简单且形式多样，能够充分发挥不同的地理优势进行储能。相对于传统储能技术，重力储能技术具有非常明显的优势。根据山地重力储能、悬重式重力储能、塔吊式重力储能、铁轨重力储能和重力储能式飞机等5种形式的重力储能技术，对现阶段重力储能技术的研究进展进行了综述。结合重力储能技术的原理、特点以及我国储能领域的发展方向和需求，对重力储能技术的应用前景进行了分析并提出建议。研究内容和提出的建议可以为我国重力储能技术的理论研究和发展应用提供参考。

重力储能；储能系统；储能技术；效率

0 引 言

储能系统是实现可再生能源大规模接入、削峰填谷、改善电力质量以及优化功率调节电网的关键技术之一[1]。由于其具有高效、绿色、稳定利用等特点，储能系统正逐渐成为电力系统中越来越重要的组成部分。随着储能技术的快速发展，储能形式也越来越多样化，根据能量的转化形式，整体可分为化学储能和物理储能。化学储能主要包括铅酸电池储能、锂离子电池储能、燃料电池储能；物理储能主要包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能以及超导磁储能[2-3]。

抽水储能是目前世界上技术最完善的大规模储能方式，主要包括传统的高低位势差的水库以及新型的深海海水储能方式[4]。抽水储能主要是在江河上设置“高水位储水库”和“低水位储水库”两种水库，在夜间或者其他电负荷需求量低的时候，利用抽水设备，将水从“低水位储水库”抽送到“高水位储水库”中，将电网电能转化为水的势能储存起来；当电网无法供给高峰用电的电负荷需求量时，再放水流到“低水位储水库”放电[5]。

抽水储能电站最大的优点是存储能量大，目前该技术已达到上下水库落差高为700 m级，一次蓄满可储电量近4 000万kW∙h，存储能量的释放时间灵活性强、可控性高，一般在电站容量满足的情况下，储能释放时间在几小时到几天之间可任意调控。但同时由于需要较高的地势差以及庞大的储水量，抽水蓄电站在选址要求上异常苛刻，导致在缺乏足够水源的山间以及地势差异并不明显的平原地带并不适用。基于此，重力储能技术应运而生，重力储能技术的原理与抽水储能技术类似，只是将其媒介由水换成重物，这使储能系统的选址要求大大降低。当电力驱动马达将重物提升至高处时，电力转化为重物的势能；当重物下降时，重物势能释放驱动发电机发电产生电能。

重力储能技术不再单一依赖庞大的水储量储能，其储能介质内容与方式可变，具有相当长的服役寿命，同时不会在周期性的工作中降低系统性能，符合未来对动态、长寿命储能的需求，而且已被证明重力储能是能够提供至亚秒级的全功率响应。目前，重力储能技术正处于探索发展阶段，大规模投入生产应用的成功案例也鲜有报道。本文主要基于现阶段重力储能技术的研究现状，结合多种重力储能理论模型，对重力储能技术的应用前景及发展潜力进行介绍，以期为重力储能技术的发展提供参考。

1 重力储能系统研究现状

重力储能系统是通过释放重物质量的同时通过再生制动回收能量，将电力注入电网。在系统中需要一个有源前端逆变器，交流电源连接到双向有源前端整流器。直流母线电容器在整流器和电压源逆变器之间提供接口，电压源逆变器为电机供电。逆变器的脉宽调制（pulse-width modulation, PWM）控制用以调节电机转矩和速度。控制双向整流器以保持直流母线电压并设置储能系统的功率因数，即控制系统的功率流和无功功率流[7]。其额定功率可达40 ～ 150 MW，放电时间为34 s，储存期可达到数小时至数月，并且该系统使用寿命长达30年以上。

1.1 山地重力储能系统

国际应用系统分析研究所的HUNT等[6]提出了一种适用于低于20 MW的长期能源存储——山地重力储能（mountain gravity energy storage, MGES）。如图1所示，同抽水储能类似，山地重力储能系统同样需要两个具有地势差的储存点，通常是在陡峭的峡谷或者山脉边缘建造一个低位储存点和一个高位储存点，每个储存点处都安装有一个起重机。两台起重机共同作用，通过闭合式电缆带动储存容器运动。山地重力储能系统采用的媒介为沙子或者砾石，并用储存容器进行装载或卸载，砂砾的装载和卸载均通过全自动化阀门实现。发电机位于高位储存点，当电力充足时，起重机提升储存容器中的砂砾，电能转化为砂砾势能储存；当砂砾随着储存容器低位储存点释放时，电缆带动发电机发电，砂砾势能转化为电能。

图1 山地重力储能示意图[6]

该系统的储存量由式（1）表示：

山地重力储能系统相对于抽水储能系统而言，用砂砾代替水源大大增加了储能系统的可实现性，使部分特殊地形可以得到充分利用。由于山地储能系统主要以险峻的地势为基础进行储能，因此地势对系统的储能量有显著的影响。低位储能点和高位储能点之间的高度差越大，山体越陡峭，山地重力储能系统的效果也越明显。

1.2 悬重式重力储能系统

英国的Gravitricity公司计划建设一个深井重力储能系统[7]。该储能系统利用现有的废弃竖井进行改造，形成一个可容纳重物往复运动的通道。当系统储能时，外部电网给电动机供电，在电动机作用下提升重物；当需要系统供电时，重物下降释放势能，电动机转化为发电机发电。Gravitricity公司报道储能系统的响应时间在0.5 s以内，而且效率高达80% ～ 90%，寿命可达50年[8]。

RUOSO等[9]设计了一种小型的重力储能系统，其结构原理与深井重力储能系统类似，但无需大型矿井。该系统使重力储能与太阳能电池板结合，适用小型工业和家庭住宅。

图2 深井重力储能系统示意图[10]

MORSTYN等[10]对深井重力储能系统进行理论研究，如图2所示，假设重物为圆柱体，即可得到重物质量与废弃矿井相关参数的关系为：

进一步可依据重物底面直径确定重物的高度：

式中：为废弃矿井的深度；为重物质量；为重物最大实用质量；为重物高度；为重物直径（假设重物为圆柱形）；为重物密度。

利用公式（2）和公式（3）可在废弃矿井的有关参数确定的情况下，对设计与该矿井匹配的重物有一定的参考价值。MORSTYN等认为依据此公式得到的重物质量能够最大限度地利用储能系统的储存能力。深井重力储能系统仅依靠钢丝绳对重物进行提升和释放，长时间循环往复作用下对钢丝绳的磨损较大。BERRADA等[11]提出了一种活塞式重力储能系统，示意图如图3所示。活塞式重力储能系统主要包括一个大的装满水的密闭容器，密闭容器被活塞分为上下容腔，上下容腔通过回流通道连通，回流通道上设置有涡轮机。涡轮机将上容腔的水抽到下容腔迫使活塞向上运动，此时系统储能；活塞向下运动时，迫使水向相反的方向通过涡轮机，涡轮机驱动两台发电机发电，系统释放能量。EMRANI等[12]在活塞式重力储能基础上，增加了传统的机械式提升系统，电动机和涡轮机同时利用多余的能量促使活塞提升，相对于深井重力储能系统和活塞式重力储能系统而言，安全性得到了很大的提升，如图4。

图3 活塞式重力储能系统示意图[7]

图4 含提升装置的活塞式重力储能系统[12]

1.3 塔吊式重力储能系统

2018年，瑞士的Energy Vault公司推出了塔吊式储能系统，该技术包括一个高达110 m的吊塔，吊塔上有六只手臂，吊塔周围有重为35 t、呈同心圆排列的混凝土块，Energy Vault公司称之为能量塔，能量塔能够储存35 MW∙h的能量。图5所示是塔吊式重力储能系统的一个充放电循环。所有的混凝土块分为三部分，第一部分为基座用来提高能量塔的整体高度，在系统运行过程中不移动；第二部分为内环，第三部分为外圈。系统储能时，吊塔上的电动机驱动六只手臂依次将内环和外圈的混凝土块提升“建造”能量塔；系统释放能量时，六只手臂卸载混凝土块，形成一个内环和外圈，同时释放能量驱动发电机发电产生电能[13]。Energy Vault的联合创始人之一FYKE[14]指出塔吊式储能系统的储能量和功率容量可由下式表示：

由公式（4）可知系统储能量和能量塔总质量以及塔高度正相关；由公式（5）可知功率容量和混凝土块质量以及其下降速度正相关。增加混凝土块质量或者分别增加塔高度和混凝土块下降速度有利于提升系统储能量和功率容量。但增加混凝土块的质量必定会造成起重机的负荷加重，进而引起更大的经济支出，故增加塔的高度和加快混凝土块下降的速度是能够提高系统储能量和功率容量最经济的措施。

图5 能量塔的充放电循环[14]

1.4 铁轨重力储能系统

铁轨重力储能系统由美国华盛顿的ARES公司所研发，主要利用现有的铁轨技术建造一个大型的铁轨网络，如图6所示，从而实现两个不同地势的储存场之间的连通，穿梭车在铁轨上运行。穿梭车内部带有电动机，电机驱动穿梭车载着货物从低地势储存场向高地势储存场运动，形成势能进行储存；载有重物的穿梭车从高储存场向低储存场运动时，电动机作为发电机发电[15]。

每个穿梭车都有非常先进的重物装卸系统，能够实现货物的自动装卸[16]，如图7所示。ARES公司在加州蒂哈查皮已经成功建造并运营了一个铁轨重力储能系统，该铁轨重力储能系统规格参数见表1[17]。

图6 铁轨网络示意图

图7 穿梭车装卸重物示意图[16]

表1 铁轨重力储能系统规格参数[17]

铁轨重力储能系统的功率额定值范围非常宽泛，可根据实际情况进行相应的调整，以满足不同企业工厂的储能需求。由于目前铁轨技术已经非常成熟，因此可有效地降低该系统的技术难度，铁轨重力储能系统大规模铁轨网络的建设使穿梭车的运行具有很高的灵活性，保证了系统具备极速响应的特点，这使得铁轨重力储能系统能够在紧急情况下进行电能供应。

1.5 重力储能式太阳能飞机

太阳能飞机利用太阳辐射作为能量来源维持飞机的飞行，当太阳辐射所产生的能量除供飞行之外还有剩余时便通过储能装置储存起来，在夜间等无太阳辐射的条件下释放能量供飞机继续飞行，如图8所示。传统太阳能飞机以电池的形式储存能量，当电池容量过低时，电池所储存的电能无法满足飞机的正常航行时间，如果使用高容量电池，则无疑会增大投入成本，并且会使飞机自身重量大大增加，同时也会带来能源消耗增加的问题[18-19]。

BRANDT[20]提出了重力储能式太阳能飞机的概念，白天利用太阳辐射多余的能量使飞机向上爬升，晚上飞机利用无动力滑翔继续飞行，如图9所示。GAO等[21]通过对太阳能飞机的重力储能和传统电池储能两种储能形式的等价性研究，结果表明在初始高度较低且太阳辐射时间较短的情况下，利用重力储能技术能大大提高太阳能飞机的续航性能。

图8 传统太阳能飞机原理简图[21]

图9 重力储能式太阳能飞机原理简图[21]

1.6 主要重力储能系统对比讨论

山地重力储能系统需要依托地势差的高度特点，将储存的势能转化为电能，其储能容量大，而且该系统可以作为季节性储能解决方案，填补储能方式在储能规模和储能时间上的不足，特别是山地重力储能可以与水力发电相结合，利用山地重力储能使一些发电成本高和能源需求高的地区变得经济可行，但山地重力储能系统的设计周期较长，其前期投资成本较大。悬重式重力储能系统因系统结构特点可在现有废弃矿井的基础上设计，可达到废物利用目的，但其最大储能能力容易受矿井尺寸和实际使用的最大重量限制。塔吊式储能系统设计成本低，其工作往返效率可高达90%，而且可使用远程控制大大降低人力成本，同时塔吊式储能系统设计受地形地势因素影响较小。铁轨重力储能系统具有非常低的技术风险，其技术难度较其他储能方式较小，该系统还可使用剩余的风能、太阳能或其他低成本能源，驱使穿梭车负载重物存储能量。此外，重力储能式太阳能飞机技术主要受储能电池技术发展的限制，在满足储能电池容量和质量的基础上实现飞机长时间续航飞行是目前重力储能式太阳能飞机技术需要解决关键问题。几种主要重力储能系统的技术特点如下表2所示。

表2 几种主要重力储能系统的技术特点

2 重力储能系统的应用前景

改革开放以来，我国科技发展迅速，人们日常生活和工业电力负荷和峰谷差异较大，能源储存在我国扮演着越来越重要的角色。作为一种新型的储能系统，重力储能系统不仅能够解决电力供求矛盾，而且有利于电网的经济安全运行。

重力储能系统虽原理简单但具体形式多样，可适用于多种地形。相对于抽水储能系统，重力储能系统不仅具有抽水储能系统的大储量，在电网中能够削峰填谷的特点，而且选址要求也比抽水储能要低。在无水源的山谷或山脉中可以建设山地重力储能系统；在平原或者其他无显著地势的地带，可以建设塔吊式重力储能系统；20世纪我国矿业开采较迅速，遗留下的废弃矿井得不到妥善处理，悬重式重力储能系统利用废弃矿井建设，既能处理好废弃矿井遗留问题又能够实现能量储存。

由于重力储能系统建设选址要求较低，因此可以依靠发电站建设，例如风力发电站和太阳能发电站。当电网电力充沛，发电站的过剩电力可供重力储能系统进行储能，避免造成资源浪费。

化学储能在多次储能循环后，自身储能量会有明显降低最终导致储能系统的报废，并且部分化学储能系统在报废后没有合适的处理方式，会对环境造成严重的污染。重力储能作为一种物理形式的储能，寿命高，响应快，在重物质量有保证的情况下，系统的储能量不会因为循环储能而造成损失。

重力储能系统的介质具有普遍性。随着我国城市的建设进程不断加快，大量的建筑垃圾不断产生，目前我国处理建筑垃圾的主要方法为堆放点堆放或掩埋，这种方法不仅占用土地，而且污染环境。重力储能系统可以利用建筑垃圾作为储能媒介，不仅可以解决建筑垃圾的处理问题，而且大大增加了系统建设的经济性。

综上所述，重力储能系统能够充分利用我国丰富的地理优势，同时能够解决部分发展带来的技术难题，因此具有非常广阔的应用前景。

3 结 论

通过对多种形式的重力储能系统的研究现状进行详细介绍，总结了其技术特点和优势，结合我国基本情况对其应用前景进行了展望，得出以下结论：

（1）重力储能系统能够提供亚秒级全功率响应，其额定功率可达40 ～ 150 MW，放电时间为34 s，储存期可达到数小时至数月，系统使用寿命长达30年以上。

（2）重力储能系统作为一种新型的储能系统，具有原理简单、形式多样、响应快速、选址方便、绿色环保等优点，是一种能够实现大规模储存和长时间储存的储能技术。

（3）随着太阳能、风能、地热能等新型能源的开发利用，配套建设重力储能系统不仅能够优化电网结构，也能够使新型能源得到更高效的利用。

（4）目前国内外关于重力储能系统的研究仍处于探索阶段，缺少大规模的实际应用案例，还需加强对重力储能系统进行研究和实际应用，以期探寻到重力储能系统的稳定发展模式。

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Research Progress of Gravity Energy Storage Technology

XIA Yan1, WAN Ji-fang1, LI Jing-cui1, YUAN Guang-jie1, YANG Yang2

(1. CNPC Engineering Technology R&D Company Limited, Beijing 102206, China; 2. School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, Hubei, China)

Energy storage technology mainly refers to the storage of electric energy, which is an important part of the smart grid. At present, the most widely used energy storage system is pumped energy storage, while its location is difficult, it damages the environment, and is heavily dependent on water resources. Gravity energy storage, as a new type of energy storage technology, uses heavy objects as energy storage media, with simple principles and diverse forms, which can give full play to different geographical advantages for energy storage. Compared with traditional energy storage technology, gravity energy storage technology has very obvious advantages. In this paper, the research progress of gravity energy storage technology at the present stage was summarized with respect to five types of gravity energy storage technologies, such as mountain gravity energy storage, suspension gravity energy storage, tower gravity energy storage, rail gravity energy storage and gravity energy storage aircraft. Finally, combining the principles and characteristics of gravity energy storage technology and the development direction and needs of China’s energy storage field, the application prospects of gravity energy storage technology were analyzed and suggested. The research content and the suggestions put forward can provide references for the theoretical research, development and application of China’s gravity energy storage technology.

gravity energy storage; energy storage system; energy storage technology; efficiency

2095-560X（2022）03-0258-07

TK02

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.03.010

2022-02-11

2022-03-21

中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目（2021DJ5402，2022DJ8304，2022DJ8305）

万继方，E-mail：wanjifang@126.com

夏 焱（1977-），男，博士，高级工程师，主要从事地下储能与井筒完整性研究工作。

万继方（1988-），男，博士，高级工程师，主要从事地下储能与井下工具研究相关工作。