本文首先介紹了依托山體、傾斜礦井的斜坡重力儲能的原理和結(jié)構(gòu)，并根據(jù)應用場景和技術(shù)特點進行了分類闡述，包括依托山體斜坡的抽水儲能軌道式重力儲能和纜索式重力儲能等技術(shù)類型：然后回顧了不同類別依托斜坡重力儲能技術(shù)的研究進展和應用情況，并闡述了每種技術(shù)類型的優(yōu)勢和不足：據(jù)此提出一種更為優(yōu)化的斜坡重力儲能技術(shù)一一斜坡纜-軌式重力儲能技術(shù)，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(yōu)點，且避免了兩者的缺點：最后概述了當前斜坡重力儲能技術(shù)存在關(guān)鍵問題并進行了展望。
1.引言
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(huán)境造成重大影響。因此，大力發(fā)展可再生能源并實現(xiàn)清潔能源變革，是實現(xiàn)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(wǎng)，將對未來電網(wǎng)帶來一系列重大挑戰(zhàn)。規(guī)模化儲能技術(shù)是有效解決可再生能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的重要技術(shù)途徑，而抽水儲能是規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)中的標桿，屬于物理儲能技術(shù)，而重力儲能是最近引發(fā)廣泛關(guān)注的新型物理儲能技術(shù)。
重力儲能技術(shù)的類型有多種，根據(jù)儲能原理及其系統(tǒng)運行方式的特征，本文將依托山體、傾斜礦井的斜坡重力儲能的原理、技術(shù)特點以及應用和進展情況進行綜述，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點和不足提出一種更為優(yōu)化的斜坡重力儲能技術(shù)一一斜坡纜-軌式重力儲能技術(shù)，最后給出當前斜坡重力儲能技術(shù)存在的核心關(guān)鍵問題及解決措施等。
2.基于斜坡和山體的斜坡重力儲能技術(shù)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(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)換為重物的重力勢能進行存儲，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)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(fā)電機發(fā)電，將重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)發(fā)電。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。雖然原理基本類似，但不同技術(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)稱為斜坡重力儲能。
2.1 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(shù)成熟應用廣泛、裝機容量大，是斜坡重力儲能的標桿性技術(shù)，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(zhuǎn)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(fā)電，從而將上水庫中水的重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)或用戶。抽水儲能的功率和容量較大，一般在100-3000 MW之間，電-電轉(zhuǎn)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。本文主要以抽水儲能為標桿，在建設成本、轉(zhuǎn)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(shù)。
圖1抽水蓄能原理示意圖
2.2 斜坡軌道重力儲能技術(shù)
按照驅(qū)動方式斜坡軌道重力儲能技術(shù)，可以分動力機車和卷揚機兩種驅(qū)動技術(shù)，①重物載體配置動力/發(fā)電系統(tǒng)的驅(qū)動模式，如圖3a、3c所示，采用動力機車沿軌道上下斜坡實現(xiàn)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(qū)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(zhuǎn)換為重力勢能進行存儲，實現(xiàn)充電過程；重物載體從坡頂沿軌道下行到坡底，牽引電機發(fā)電，重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成發(fā)電過程。②采用坡頂卷揚機驅(qū)動模式，如圖3e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(zhuǎn)換為重力勢能進行存儲，實現(xiàn)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(fā)電，重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成釋能（發(fā)電）過程。
斜坡軌道重力儲能技術(shù)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(xù)。
斜坡軌道重力儲能技術(shù)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。
2.3 斜坡架空纜車式重力儲能技術(shù)
斜坡架空纜車式重力儲能技術(shù)采用架空纜索與電動/發(fā)電機結(jié)合，閉環(huán)纜索做連續(xù)循環(huán)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(zhuǎn)換為重力勢能進行存儲，實現(xiàn)系統(tǒng)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(fā)電，重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成發(fā)電過程。
圖2 斜坡重力儲能示意圖
斜坡架空纜車式重力儲能技術(shù)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??；由于纜索循環(huán)運行與多重物連續(xù)運輸，重物更換過程中功率波動小，輸入/輸出功率連續(xù)、穩(wěn)定。
表1 基于斜坡和山體的斜坡重力儲能不同技術(shù)優(yōu)劣勢對比
綜上所述，斜坡重力儲能技術(shù)原理結(jié)構(gòu)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(gòu)在上下兩庫中轉(zhuǎn)移，從而完成電能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)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(shù)形式，其優(yōu)劣對比見上表所示?？梢?，每種技術(shù)形式都有自己的應用場景，具有自己的優(yōu)勢，也存在固有的不足。
3.斜坡和山體重力儲能研究進展
近年來重力儲能及技術(shù)得到廣泛關(guān)注和研究，主要包括楊于馳等通過基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀、前沿技術(shù)分析和發(fā)展展望四個方面總結(jié)了具有較大發(fā)展?jié)摿π滦蛢δ芗夹g(shù)。
Wenxuan Tong等提出固體重力儲能的基本概念，對該技術(shù)不同方面開展深入研究，對不同技術(shù)路線進行詳細的分類比較，提出大規(guī)模儲能技術(shù)的評價方法并將固體重力儲能與其他大規(guī)模儲能進行對比，最后對固體重力儲能技術(shù)的應用場景和市場規(guī)模進行評估；肖立業(yè)等總結(jié)了一系列的地下儲能的工程實施方案，分析適用于調(diào)峰或電能轉(zhuǎn)移的規(guī)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。
秦婷婷等通過MATLAB/Simulink建立了基于鐵軌的斜體重力儲能系統(tǒng)模型，通過仿真分析了載重車輛質(zhì)量、車輛速度、斜坡坡度、高度和滾動摩擦系數(shù)等因素對儲能系統(tǒng)效率的影響，研究各因素對總體效率的關(guān)系，得出設計工況下系統(tǒng)的理論效率并給出有效提升系統(tǒng)效率的建議。
赫文豪等則聚焦于重力儲能領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)四種近年來迅速發(fā)展的規(guī)模化重力儲能技術(shù)，指出新型重力儲能技術(shù)發(fā)展存在的阻礙和技術(shù)難題，為重力儲能技術(shù)的發(fā)展提供參考。劉智洋等通過儲能/釋能過程公式的推導，對比不同儲能形式及優(yōu)化結(jié)果，得到重力儲能的總成本最小，優(yōu)化效果最好的結(jié)論，并肯定了重力儲能的容量優(yōu)化具有顯著的經(jīng)濟性。
童家麟等則主要面向電源側(cè)儲能技術(shù)，總結(jié)了現(xiàn)有儲能技術(shù)的發(fā)展及應用，對比了中美兩國電源側(cè)儲能的發(fā)展情況并分析了發(fā)展前景，對未來電源側(cè)儲能技術(shù)的發(fā)展前景進行了展望；陳云良等針對重力儲能技術(shù)提出四個技術(shù)構(gòu)想及關(guān)鍵問題，研究了不同技術(shù)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(tǒng)運行凈高差、規(guī)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(jié)論。
夏焱等根據(jù)不同技術(shù)路線的重力儲能技術(shù)進行匯總，并對其技術(shù)特點進行分析；Julian David Hunt等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。
Asmae Berrada等將重力儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能等技術(shù)的經(jīng)濟性進行對比，得到重力儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu)于其他形式系統(tǒng)的結(jié)論；Thomas Morstyn等對廢棄深礦井用作重力儲能進行研究，明確關(guān)注儲能系統(tǒng)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(tǒng)的分析。
國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的一些專利也為重力儲能的發(fā)展提供了重要的動力。肖立業(yè)等在專利中提出采用依托軌道和纜車結(jié)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(tài)過程中所耗散的能量，從而提升系統(tǒng)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(shù)研發(fā)與應用進展，然后重點介紹了中科院電工所肖立業(yè)團隊根據(jù)上述技術(shù)的優(yōu)缺點提出的斜坡纜-軌式重力儲能技術(shù)。
3.1 斜坡軌道式重力儲能技術(shù)
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(shù)研究，該技術(shù)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(xiàn)能量的存儲與釋放，如圖3a所示。儲能技術(shù)可以由多條軌道組成，能靈活的提供儲能的功率和容量。
為了證明其技術(shù)的可行性以及為后續(xù)商業(yè)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3b所示，已經(jīng)開工建設。ARES的首個商業(yè)項目落地在美國內(nèi)華達州，該項目儲能系統(tǒng)功率為50 MW，提供12.5 MWh的儲能能量，占地25公頃，采用列車式結(jié)構(gòu)運送儲能重物，每單元列車由2節(jié)提供動力的動力車廂和7節(jié)運載重物的重型列車組成，列車上方接觸網(wǎng)供電，如圖3c所示。隨后幾年，ARES提出了多種新的儲能形式，如圖3d和3e所示，為斜坡式重力儲能技術(shù)的規(guī)模化應用設計方案。
圖3 ARES公司儲能技術(shù)示意圖
天津大學羅振軍等在2014年公開一項依托山體的重力儲能技術(shù)，該技術(shù)依托山體和軌道構(gòu)建儲能系統(tǒng)，重物及拖車通過軌道轉(zhuǎn)移，每段軌道設置電力提升及發(fā)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。
中國科學院電工研究所肖立業(yè)等在2018年提出基于直線電機驅(qū)動的斜坡重力儲能方案及基于多個電動絞盤驅(qū)動的分段式斜坡重力儲能方案，前者旨在將軌道交通的驅(qū)動形式應用在儲能技術(shù)中，減小儲能方案的自耗散率，提升系統(tǒng)的運行效率，又增大儲能系統(tǒng)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。
圖4 天津大學山體重力儲能原理示意圖
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，該方案電機與傳送鏈直接相連，通過循環(huán)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(tǒng)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(xiàn)載重小車的循環(huán)運行，進而實現(xiàn)更大規(guī)模的重力儲能。
綜上所述，斜坡軌道式重力儲能技術(shù)采用軌道運輸，載重量大、單體重物質(zhì)量大，從而具有儲能系統(tǒng)的功率和容量大的優(yōu)勢；但因為重物更換過程中存在間歇，具有功率不連續(xù)的不足；且每個重物載體配置有動力/發(fā)電系統(tǒng)，造價高、運維難度大。
3.2 斜坡懸架纜車式重力儲能技術(shù)
斜坡懸架纜車式重力儲能的方案最早由美國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(zhì)，在上庫和下庫均設有自動裝卸系統(tǒng)，用于運送碎石的車斗循環(huán)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。
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，適合更為陡峭的山體、懸崖等運用，在孤立微網(wǎng)和小島嶼供電應用將有很大潛力。
斜坡懸架纜車式重力儲能技術(shù)主要采用電機拖動纜繩做連續(xù)循環(huán)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(zhuǎn)換為重力勢能進行存儲，實現(xiàn)系統(tǒng)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(fā)電，重力勢能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，完成發(fā)電過程。
綜上所述，斜坡懸架纜車式重力儲能技術(shù)采用懸架纜索循環(huán)運輸，具有功率連續(xù)、靈活可調(diào)等優(yōu)勢；但因為重物懸吊在纜索上并導致纜索產(chǎn)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(shù)量不能太多，從而決定了斜坡懸架纜車式重力儲能系統(tǒng)的高功率和大容量技術(shù)難度大。
3.3 斜坡纜-軌式重力儲能技術(shù)
針對以上技術(shù)中的優(yōu)勢與不足，中科院電工所肖立業(yè)團隊提出了斜坡纜-軌式重力儲能技術(shù)，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(yōu)點，且避免了兩者的缺點，原理結(jié)構(gòu)如圖7所示，并簡述其原理和工作流程如下：
軌道運輸與纜索運輸有機結(jié)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(huán)運行。該技術(shù)方案具有如下優(yōu)點：
（一）、軌道運輸與纜索運輸相結(jié)合的斜坡纜-軌式重力儲能技術(shù)，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(yōu)點，系統(tǒng)功率和容量容易做大；與斜坡纜索重力儲能技術(shù)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(tǒng)功率和容量都大幅提升。
圖7（a）斜坡纜-軌式重力儲能原理結(jié)構(gòu)-側(cè)視圖
圖7（b）斜坡纜-軌式重力儲能原理結(jié)構(gòu)-俯視圖
（二）、纜索與軌道平行架設并與電機聯(lián)動，不間斷循環(huán)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(xù)的牽引力，在釋能發(fā)電過程中重物載體牽引電機連續(xù)發(fā)電；在充電（儲能）和發(fā)電（釋能）過程中，電機和動力纜索穩(wěn)定、連續(xù)運行，系統(tǒng)輸入、輸出功率連續(xù)且靈活可調(diào)，對電網(wǎng)和用戶友好，這也是儲能系統(tǒng)最核心的技術(shù)指標。
采用該技術(shù)，完成5 MW/20 MWh單條雙軌循環(huán)重力儲能系統(tǒng)的設計，采用架空循環(huán)雙軌、纜索動力牽引技術(shù)，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(huán)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(xù)循環(huán)運動。單條雙軌循環(huán)重力儲能系統(tǒng)可以作為為一個單元儲能模塊，單模塊基本參數(shù)如表2所示：5 MW/20MWh的單模塊重力勢能儲能系統(tǒng)建設成本約2600-3600萬元，度電建設成本1300-1800元，而相同容量的抽水儲能系統(tǒng)的造價大約為2500-3000萬元，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(shù)融合了山體軌道和纜索兩種重力儲能技術(shù)的優(yōu)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(xù)不間斷，并且靈活可調(diào)；該技術(shù)具有地面和架空兩種敷設方式，可以根據(jù)地理條件和用戶需求來選擇技術(shù)方案，軌道與纜索架空敷設還具有占地小、對綠化環(huán)境影響小等優(yōu)勢，便于規(guī)?；瘧煤屯茝V。
表2 5MW/20MWh斜坡運沙重力儲能系統(tǒng)基本參數(shù)
4.關(guān)鍵問題與展望
通過以上綜述與深入分析，有關(guān)斜坡重力儲能技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問題主要總結(jié)如下，包括：①充放電過程功率的連續(xù)性與穩(wěn)定性問題；②整個儲能系統(tǒng)，包括建設和運維的經(jīng)濟性問題。
該項技術(shù)的發(fā)展與推廣應用，將一方面取決于如何通過多機組聯(lián)合調(diào)控、增加輔助設備等確保功率的連續(xù)性與穩(wěn)定性；另一方面取決于如何通過選址、系統(tǒng)機構(gòu)優(yōu)化、高自動化運維等降低造價和運維成本、提高經(jīng)濟性。
本文所提出的斜坡纜-軌式重力儲能技術(shù)，可以實現(xiàn)動力連續(xù)不間斷運行，做到功率連續(xù)、穩(wěn)定，并且靈活可調(diào)，單機容量大且可以多模組配合運行，具有很強的規(guī)?；茝V和應用價值。
5.總結(jié)
本文從重力儲能的原理出發(fā)，簡要介紹了重力儲能技術(shù)方法和應用場景。重點綜合了斜坡重力儲能的技術(shù)種類和最新進展，主要包括軌道式和纜車式兩種技術(shù)路線，并分析了兩種技術(shù)的優(yōu)缺點，通過綜合分析與研究，給出了斜坡重力儲能技術(shù)的兩個關(guān)鍵技術(shù)問題。由此提出了融合兩種技術(shù)的優(yōu)點、避免各自缺點的斜坡纜-軌重力儲能技術(shù)，并總結(jié)了對斜坡重力儲能技術(shù)存在的關(guān)鍵問題，給出了可能的解決措施。
本文作者：中國科學院電工研究所/中國科學院應用超導重點實驗室/中國科學院大學：張京業(yè)，林玉鑫，邱清泉，肖立業(yè)。
