新型物料搬运储能技术的研究

冯 颖，宋永红，陈张彬，朱恩廷，蔡永波

(1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021；2.珀挺机械工业(厦门)有限公司，福建 厦门 361008 )

0 引言

在“双碳”目标背景下，中国能源正在转型，能源结构将以可再生能源为主力。而可再生能源具有天然的随机性、间歇性与波动性，在新型电力系统中，往往存在着供应和需求的时间性和地域性差异。大规模储能是解决可再生能源储存利用的关键技术，设置储能电站是提高电网安全稳定性、提高能源利用率的有效途径。

按照储能方式的不同，储能可以划分为机械类、电气类、电化学、热储能和氢储能。其中机械类储能包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、重力储能等。

抽水蓄能是装机规模最大的储能技术[1]，目前发展最为成熟，成本最低。通常，除抽水蓄能外的其他储能统称为新型储能技术。随着锂离子电池技术日趋成熟，电化学已成为应用范围最为广泛的储能技术。以飞轮、压缩空气为代表的机械储能技术也攻克了各方面的技术瓶颈，正在加快实现产业化。机械储能中的重力储能有较多的技术方向，均处于技术研发阶段。

物料搬运储能是重力储能的研究方向之一，是通过带式输送机输送散状固体物料方式实现电能-重力势能-电能相互转化，以丰富机械储能实现方式，为储能技术广阔应用提供新技术。

1 技术原理和系统构成

物料搬运储能技术是一种新型的储能技术，借鉴了抽水储能技术理念，同样利用自然地形高差条件，不同在于采用上、下料场和连接料场的双向运行的带式输送机组成封闭系统，并循环往复地在上、下料场之间搬运固体散状物料，进行电能和势能的相互转化，实现储能和发电功能，属于机械储能的重力储能分类。

这种新型物料搬运储能技术不受水资源条件限制、也不受高寒、高海拔等环境因素的限制，选址范围较广。

物料搬运储能技术利用自然落差大于300 m、自然坡度10°～30°左右的带状坡地，如图1 所示，在上、下料场之间通过双向运行的带式输送机搬运固体散状物料，来实现储能和发电功能。

图1 物料搬运储能技术

物料搬运储能技术通过主带式输送机，从下方低海拔处的下料场向上运输至上方高海拔处的上料场。在这个过程中，如图2 所示，系统从电网取电，通过主带式输送机的运输，将物料从下料场搬运到上料场储存，此时，电能转化为重力势能Ep=MgH，并储存起来。发电工况时，物料通过主带式输送机，从上料场下运至下料场。在这个过程中，主输送机驱动装置为发电机状态，系统将重力势能转化为电能，输送给电网实现发电。

图2 储能和发电工况示意图

单元制物料搬运储能系统的额定发电功率一般为10 MW 到26 MW，根据需求和项目地理条件可以适当调整。

2 运行方式

目前，我国各地普遍按日划分峰、平、谷时段，即将一天24 h 划分为用电高峰、用电平段、用电低谷三个时段，执行峰谷分时电价。各地比较普遍的分时段划分情况为：峰、平、谷时段每个时段均为8 h。

2021 年7 月26 日，国家发展改革委发改价格〔2021〕1093 号《国家发展改革委关于进一步完善分时电价机制的通知》[2]，通知要求完善峰谷电价机制、建立尖峰电价机制，健全季节性电价机制。 “合理确定峰谷电价价差，上年或当年预计最大系统峰谷差率超过40%的地方，峰谷电价价差原则上不低于4∶1；其他地方原则上不低于3∶1”。

根据通知要求，各省正逐步出台配套政策。大多数省份峰段电价以平段电价为基础上浮50%，谷段电价以平段电价为基础下浮50%；尖峰电价在高峰时段电价基础上上浮10%～25%。

物料搬运储能技术的工程应用可按以下运行方式：每日低谷时段从电网取电进行储能运行，每日高峰时段发电运行回馈电网。

3 储能转化效率

储能系统在能量转换过程中存在能量损失，储能转化效率体现了从电网取电的利用程度，反映了储能搬运系统的能量损失情况，是储能系统中衡量电量转化效率的一个重要指标，也是评价一种储能技术的关键指标，如图3 所示。

图3 能量转化图

物料储能搬运系统的上、下料场均需要有辅助的料场设备，将物料从料场转运到主带式输送机上，或从主输送机转运到料场，以及将物料在料场进行堆料和取料，整个料场搬运的工艺过程均会消耗能量，降低转化效率。

物料搬运储能系统的储能转化效率是指完成一次充放电循环后，主带式输送机实际发电功率与系统充电消耗功率的比值。

主带式输送机实际发电功率是指主输送机发电功率扣除下运发电工况时辅助系统设备消耗功率后的净输出功率；系统充电消耗功率是指上运储能运行(充电)工况下主输送机和全部辅助系统设备消耗功率总和。

物料搬运储能系统的转化效率计算式如下：

式中：ηs为系统储能转化效率；PD为下运主输送机发电功率，kW；PDC为下运辅助系统耗电功率，kW；PU为上运主输送机耗电功率，kW；PUC为上运辅助系统耗电功率，kW；T1为下运发电总运行时间，h；T2为上运储能总运行时间，h。

上式可知，物料搬运储能系统的储能转化效率主要由主带式输送机转化效率和辅机消耗功率决定。提高主带式输送机转化效率、降低辅助系统设备的能量消耗将提高整个系统的储能转化率。

在整个物料储能搬运系统中，电能转化为重力势能Ep=MgH，并储存起来，其中g为重力加速度是一个定值。在搬运物料的质量M和提升高度H对储能转化效率均具有重要影响。在当前的工业水平和技术条件下，M的增加会更加显著地增加投资。而质量M一定时，增大提升高度H将大大提高储能转化效率。主带式输送机的胶带采用扯断强度ST10000 的胶带时，上、下料场高差极限约为400 m。当提升高度H超出400 m 时，可采用2 条主带式输送机接力运输的方式，提升高度H可加大到800 m 左右，这将大大提高储能转化效率。

当地势海拔总高度差较大时，采用2 条主输送机接力运输时(二段接力)，以及采用3 条主输送机接力运输时(三段接力)，储能转化效率曲线图如图4 所示。

图4 提升高度H对储能转化效率的影响曲线

由图4 可知，随提升高度H增加，储能搬运系统的储能转化效率增加较为显著。无论采用二段接力运输，还是采用三段接力运输，由于料场系统是不变的，即料场功率损耗的绝对值是固定，因此，储能转化效率将越来越趋近于主带式输送机设备本体的转化效率。

4 工程应用

4.1 单元发电机组模块

物料搬运储能电站按13 MW 级储能发电机组容量设置单元制发电机组。工程应用中，可根据电网的实际需求和可再生能源发电的实际情况，在单元制发电机组中进行选择和组合，构建最优化的物料搬运储能电站。

发电主带式输送机采用ST10000 的胶带时，相应的发电机组模块化配套设置如图5 所示。

图5 物料搬运储能电站典型模块

模块1 单主机1×13 MW 级储能发电机组单元，采用1 台主带式输送机，提升高度H(上、下料场高差)400 m。1 台主带式输送机双向可逆运行，每日低谷时段上运储能运行8 h，每日高峰时段下运发电运行6.4 h，储能容量83.2 MWh。

模块2 双主机2×13 MW 的储能发电机组单元，在模块1 的基础上，采用2 台主带式输送机接力运输的方式，总提升高度(上、下料场高差)约800 m。每台主输送机均为双向可逆运行，每日低谷时段上运储能运行8 h，每日高峰时段下运发电运行6.4 h，双主机同时运行，储能容量166.4 MWh。

经研究，单套发电功率为13 ～26 MW的物料搬运储能电站，其储能转化效率达到59.0%～66.4%，度电成本为0.29 ～0.46 元。当采用4×13 MW 配置时，储能转化效率最高可达69.7%。

4.2 储能电站应用站址

物料搬运储能技术选址条件受限较小。和抽水蓄能选址条件苛刻，压缩空气储能需要依靠天然盐穴储气才能降低成本相比，物料搬运储能技术只要求有高差的地理条件即可，对地质和气象条件没有特殊的要求，基本上山区地形均可满足，对高海拔、高寒、干旱的地理环境适应性强。同时，物料搬运储能技术的运行对周边环境和小气候基本无影响。

4.2.1 有高差的山区坡地

物料搬运储能技术适应于落差＞300 m，自然坡度约10°～20°左右的山区坡地，用地为带状且面积不大。我国地形类型复杂多样，山区广泛分布，面积广大，山地众多，能够满足物料搬运储能技术需要的适宜场地很容易获得。

选址可因地制宜，合理利用地形和地质条件，主带式输送机采用沿山脊布置或沿侧坡布置的方式。

4.2.2 依托山区风力和光伏发电站

各地利用山地大量建设山区风力、光伏发电站，为物料搬运储能技术的选址应用提供了良好的条件，本技术可依托风力、光伏发电站选址建设。新能源配套建设储能项目也是未来能源建设的趋势之一。

4.2.3 利用废弃矿坑

我国是世界第三大矿业大国，全国拥有各类型矿山约15 万多座，矿产种类包括煤炭、钻石、铁、铜、钨、云母、高岭土、湖盐、巴林石、大理石等等。这些矿山随着19 世纪和20 世纪工业时代的大量开采，以逐步进入成熟期或衰退期，因资源枯竭而被废弃的矿坑也越来越多。大多数矿坑经过多年的挖掘，形成露天凹陷的大坑或深陷的盆地。

废弃的矿坑不仅产生环境污染，还容易导致地质灾害，产生安全隐患。国土资发[2008]154 号《关于加强废弃矿井治理工作的通知》，要求各地行政主管部门组织开展本地区废弃矿井治理规划的编制，推进废弃矿井治理工作，建立废弃矿井治理的长效机制，健全并落实矿山环境治理和生态恢复的责任机制。目前各地均有实施废弃矿坑治理、地质环境恢复、废弃矿坑整合利用等多种类型的废弃矿井治理工程。

物料搬运储能技术的上下料场可利用废弃矿坑进行堆料。从矿坑底部加载物料后延隧道输送到主带式输送机上。这种废弃的露天矿坑在开采石料、石灰石的半山或山顶比较常见。

5 与同类技术对比分析

物料搬运储能作为一种利用重力势能的全新储能型式，与抽水蓄能和压缩空气储能均属于机械储能。目前应用较多的电储能方式主要集中在以抽水蓄能、压缩空气储能为代表的机械储能和以锂电池为代表的电化学储能。各类储能均具有独特属性，适用于不同的应用场景。

1)物料搬运储能有较长储能放电时间4 ～6.4 h，和压缩空气储能、抽水蓄能相当，适合长时储能，高于电化学储能的2 ～4 h。

2) 物料搬运储能电站的单体容量13 ～26 MW，较为适中，可灵活配置。而抽水蓄能电站装机容量大，一般在100 MW 以上。

3)物料搬运储能寿命长(超过30 a)，长期储能能力基本不变，不会衰减。电化学储能寿命较短，为2 000 ～10 000 次充放电。

4)选址条件受限较小，对地质和气象条件没有特殊要求。抽水蓄能选址条件苛刻，受水资源和气象条件限制；压缩空气储能受盐穴和人工硐室选址条件的限制；而物料搬运储能基本上只要求有高差的地理条件即可，国内山区地形均可满足要求。

5)物料搬运储能安全性高，易维护。

6)作为储能介质的固体散料可就地取材，适应性强；储能介质基本不会损耗，特别适合长时储能。

7)建设周期短12 个月，和电化学储能相当，低于压缩空气储能和抽水蓄能。同时其占地较少、对生态影响较小。

8)物料搬运储能的转化效率59%～66.4%和压缩空气储能相当，略低于抽水蓄能和电化学储能。

9)电化学储能的初投资优势明显，其单位功率成本远低于其他几个储能型式。由于电化学储能寿命短，放电时间短，其度电成本依然略高于其他几个储能型式。物料搬运储能的度电成本0.29 ～0.46 元略高于抽水蓄能，低于电化学和压缩空气储能。

6 结语

物料搬运储能技术作为一种全新的储能技术，目前尚处于孵化和应用试点落地阶段，相对于其他主流的储能型式，有其独特的应用场景，具备技术优势和规模化发展潜力，结合峰谷电价、电量套利空间及各项政策支持，在适宜的建设场景和商业模式下，具备盈利和技术升级空间。随着产业发展，该技术形成规模效应后，其各项指标和竞争力有望得到逐步提高，并在新型储能应用场景中占有一席之地。