基于斜坡和山体的重力储能技术研究进展

张京业，林玉鑫，邱清泉，肖立业

（1中国科学院电工研究所；2中国科学院应用超导重点实验室，北京 100190；3中国科学院大学，北京 100039）

因为化石能源资源有限，且在利用过程中造成大量污染物和温室气体的排放，对环境造成重大影响[1-3]。因此，大力发展可再生能源并实现清洁能源变革，是实现“双碳”目标的重要途径。由于可再生能源受天气影响大且有间歇性、波动性、分散性、地理上不可平移性等特点，高比例可再生能源接入电网，将对未来电网带来一系列重大挑战[4-5]。规模化储能技术是有效解决可再生能源并网稳定性的重要技术途径，而抽水储能是规模化储能技术中的标杆，属于物理储能技术，而重力储能是最近引发广泛关注的新型物理储能技术[6-11]。

重力储能技术的类型有多种[12-14]，根据储能原理及其系统运行方式的特征[16-18]，本文将依托山体、倾斜矿井的斜坡重力储能的原理、技术特点以及应用和进展情况进行综述，并根据现有技术的优点和不足提出一种更为优化的斜坡重力储能技术——斜坡缆-轨式重力储能技术，最后给出当前斜坡重力储能技术存在的核心关键问题及解决措施等。

1 基于斜坡和山体的斜坡重力储能技术原理

基于斜坡和山体的重力储能的基本原理是电能与重物载体的重力势能之间的转换，并用重物载体的重力势能进行能量存储，通常是利用电能驱动电动机把重物载体从斜坡或山体底部运送到顶部，从而把电能转换为重物的重力势能进行存储，实现储能系统的充电；在重力作用下重物载体从斜坡或山体顶部往低处运动并牵引发电机发电，将重力势能转换为电能回馈电网，实现储能系统发电[19-21]。其核心是设置斜坡上下两个存放重物载体的储仓或堆场，重物通过在上下储仓间移动的高差存储/释放能量。抽水蓄能是一种特殊的山体重力储能，重物载体为水，本文基于斜坡或山体重力储能的重物载体为固体[22-26]。虽然原理基本类似，但不同技术路线有各自特点，并对应不同的应用场景，以下对常见斜坡或山体重力储能技术的原理和特点进行介绍，包括依托山体斜坡的重力储能技术包括抽水储能、轨道式重力储能和缆索式重力储能等，也可以应用于依托废弃矿坑、倾斜矿井等斜坡的重力储能，在此统称为斜坡重力储能。

1.1 抽水储能

抽水储能是重物载体为流体的斜坡重力储能，技术成熟应用广泛、装机容量大，是斜坡重力储能的标杆性技术，其原理如图1所示，上水库在接近水源斜坡顶部，下水库多为自然江河、湖泊或人工水库、堰塞湖等，上下库之间有一定的垂直高差，一般在200～700米。水泵水轮机利用电能将下水库的水抽到上水库中储存，从而将电能转换为上水库中水的重力势能；上库的水流向下水库时带动水泵水轮机发电，从而将上水库中水的重力势能转换为电能回馈电网或用户。抽水储能的功率和容量较大，一般在100～3000 MW，电-电转换效率在75%左右，受水头高低、容量大小等因素影响大，运行寿命可达几十年，但选址难度较大[14]。本文主要以抽水储能为标杆，在建设成本、转换效率、使用寿命、选址条件等方面介绍基于固体重物的斜坡重力储能技术。

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

1.2 斜坡轨道重力储能技术

按照驱动方式斜坡轨道重力储能技术，可以分动力机车和卷扬机两种驱动技术，①重物载体配置动力/发电系统的驱动模式，如图3(a)、(c)所示，采用动力机车沿轨道上下斜坡实现能量的存储与释放，机车拖动一个或多个重物载体，利用电能驱动重物载体从坡底沿轨道上行到坡顶，并在上堆场停放，电能转换为重力势能进行存储，实现充电过程；重物载体从坡顶沿轨道下行到坡底，牵引电机发电，重力势能转换为电能回馈电网，完成发电过程。②采用坡顶卷扬机驱动模式，如图3(e)和图4所示，卷扬机安置在斜坡顶部，电机利用电能沿着轨道牵引重物载体从坡底上行到坡顶，并在上堆场停放，电能转换为重力势能进行存储，实现电能存储(充电)过程；重物载体从坡顶沿轨道下行到坡底，同时牵引电机发电，重力势能转换为电能回馈电网，完成释能(发电)过程。

斜坡轨道重力储能技术采用轨道承载重物载体的重量，载重量大，功率和容量大；但重物更换过程中存在功率间歇，导致输入/输出功率不连续。

斜坡轨道重力储能技术可以应用于山体斜坡重力储能，也可以用于废弃矿坑、倾斜矿井等斜坡重力储能。

1.3 斜坡架空缆车式重力储能技术

斜坡架空缆车式重力储能技术采用架空缆索与电动/发电机结合，闭环缆索做连续循环运动，多个重物载体等间距悬吊在缆索上。如图2所示，重物载体从坡底上行到坡顶并在上堆场放置，电能转换为重力势能进行存储，实现系统充电过程；当悬吊在缆索上的重物载体从坡顶下行到坡底并在下堆场放置，同时牵引电机发电，重力势能转换为电能回馈电网，完成发电过程。

图2 斜坡重力储能示意图Fig.2 Schematic diagram of slope gravity energy storage

斜坡架空缆车式重力储能技术采用悬架缆索悬吊和运输重物载体，导致缆索弧垂大、载重量小、功率和容量小；由于缆索循环运行与多重物连续运输，重物更换过程中功率波动小，输入/输出功率连续、稳定。

综上所述，斜坡重力储能技术原理结构上依托山体等斜坡，在斜坡的上下两端设置储库，储能/释能过程中重物依靠斜坡及附属机构在上下两库中转移，从而完成电能和重力势能的相互转换。对于不同的地形、场地等条件，斜坡重力储能也有多种技术形式，其优劣对比如表1所示。可见，每种技术形式都有其适用场景，具有独特的优势，也存在固有的不足。

表1 基于斜坡和山体的斜坡重力储能不同技术优劣势对比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different technologies for slope gravity energy storage based on slopes and mountains

2 斜坡和山体重力储能研究进展

近年来重力储能及技术得到广泛关注和研究，主要包括杨于驰等[21]通过基本原理、发展现状、前沿技术分析和发展展望四个方面总结了具有较大发展潜力新型储能技术；Tong等[7]提出固体重力储能的基本概念，对该技术不同方面开展深入研究，对不同技术路线进行详细地分类比较，提出大规模储能技术的评价方法并将固体重力储能与其他大规模储能进行对比，最后对固体重力储能技术的应用场景和市场规模进行评估；肖立业等[19]总结了一系列的地下储能的工程实施方案，分析适用于调峰或电能转移的规模化电能物理储存方法，并对可再生能源的配储潜力进行计算。秦婷婷等[22]通过MATLAB/Simulink 建立了基于铁轨的斜体重力储能系统模型，通过仿真分析了载重车辆质量、车辆速度、斜坡坡度、高度和滚动摩擦系数等因素对储能系统效率的影响，研究各因素对总体效率的关系，得出设计工况下系统的理论效率并给出有效提升系统效率的建议。赫文豪等[27]则聚焦于重力储能领域的技术发展现状，总结四种近年来迅速发展的规模化重力储能技术，指出新型重力储能技术发展存在的阻碍和技术难题，为重力储能技术的发展提供参考。刘智洋等[8]通过储能/释能过程公式的推导，对比不同储能形式及优化结果，得到重力储能的总成本最小、优化效果最好的结论，并肯定了重力储能的容量优化具有显著的经济性。童家麟等[9]则主要面向电源侧储能技术，总结了现有储能技术的发展及应用，对比了中美两国电源侧储能的发展情况并分析了发展前景，对未来电源侧储能技术的发展前景进行了展望；陈云良等[33]针对重力储能技术提出四个技术构想及关键问题，研究了不同技术路线的原理和特点并与抽水蓄能进行对比，通过对重力储能系统运行净高差、规模、单机容量、效率等指标的讨论，得到重力储能单机容量不大、“总量”空间较大的结论；夏焱等[3]根据不同技术路线的重力储能技术进行汇总，并对其技术特点进行分析；Hunt等[34]提出山地重力储能可作为适用于低于20 MW的长期能源存储形式，用以填补电池等小容量电能存储和抽水蓄能等大容量电能存储的空白，并对基于山体储能的巨大潜力予以说明；Berrada 等[10]将重力储能、抽水蓄能、压缩空气储能等技术的经济性进行对比，得到重力储能系统经济性优于其他形式系统的结论；Morstyn 等[11]对废弃深矿井用作重力储能进行研究，明确关注储能系统中容量、功率和斜坡率三个指标，对储能总量进行计算，对于其竖直矿井的分析方法可推广至斜坡储能等储能系统的分析。

国内外相关领域的一些专利也为重力储能的发展提供了重要的动力。肖立业等[35]在专利中提出采用依托轨道和缆车结合的方式进行重力储能，为斜坡式重力储能提供了新的解决方案；刘延龙等[18]提出一种带有减速装置使轨道车复位的重力储能运行方法；尤超等[16]则提出运用将下落重物和待提升重物连接的方法减少重物从运动减速到静止状态过程中所耗散的能量，从而提升系统的运行效率。

以下分别介绍斜坡轨道式和斜坡悬架缆车式基于斜坡和山体的斜坡重力储能技术研发与应用进展，然后重点介绍中国科学院电工研究所肖立业团队根据上述技术的优缺点提出的斜坡缆-轨式重力储能技术。

2.1 斜坡轨道式重力储能技术

2013年美国先进轨道储能公司Advanced Rail Energy Storage(ARES)利用山体斜坡退役铁路开展重力储能技术研究，该技术方案采用有轨电车装载重物在山地间轨道中运动从而实现能量的存储与释放，如图3(a)所示。储能技术可以由多条轨道组成，能灵活地提供储能的功率和容量[7,27]。为了证明其技术的可行性以及为后续商业化应用做准备，该公司在加利福尼亚州的德哈查皮(Tehachapi)进行示范性实验，如图3(b)所示，已经开工建设。ARES的首个商业项目落地美国内华达州，该项目储能系统功率为50 MW，提供12.5 MWh的储能能量，占地25公顷(1公顷=104m2)，采用列车式结构运送储能重物，每单元列车由2节提供动力的动力车厢和7节运载重物的重型列车组成，列车上方接触网供电，如图3(c)所示。随后几年，ARES 提出了多种新的储能形式，如图3(d)和3(e)所示，为斜坡式重力储能技术的规模化应用设计方案。

图3 ARES 公司储能技术示意图Fig.3 Schematic diagram of ARES company's energy storage technology

天津大学罗振军等[29-30]在2014年公开一项依托山体的重力储能技术，该技术依托山体和轨道构建储能系统，重物及拖车通过轨道转移，每段轨道设置电力提升及发电装置通过缆绳与拖车相连完成储能/释能过程，并在上下码垛平台运用码垛机对重物进行堆码，如图4所示，可以大幅减小上下堆场的占地面积。

图4 天津大学山体重力储能原理示意图Fig.4 Schematic diagram of the principle of mountain gravity energy storage at Tianjin University

中国科学院电工研究所肖立业等[28,30]在2018年提出基于直线电机驱动的斜坡重力储能方案及基于多个电动绞盘驱动的分段式斜坡重力储能方案，前者旨在将轨道交通的驱动形式应用在储能技术中，减小储能方案的自耗散率，提升储能系统的运行效率，增加储能的灵活性，更适合于在大功率、大容量的储能场景进行应用。

中电普瑞电力工程有限公司在2020 年提出一种基于传送链的重力储能方案[29,33]，该方案电机与传送链直接相连，通过循环运行的传送链运送重物及载重车完成储能与释能，在储能系统的高低两平台设置码垛机对载重车上的重物进行装载和卸载，实现载重小车的循环运行，进而实现更大规模的重力储能。

综上所述，斜坡轨道式重力储能技术采用轨道运输，载重量大、单体重物质量大，从而具有储能系统的功率和容量大的优势；但因为重物更换过程中存在间歇，具有功率不连续的不足；且每个重物载体配置有动力/发电系统，造价高、运维难度大。

2.2 斜坡悬架缆车式重力储能技术

斜坡悬架缆车式重力储能[31-32]的方案最早由美国Energy Cache公司提出，2012年完成工程原型的建造。该方案参照抽水蓄能原理，用碎石代替水作为储能介质，在上库和下库均设有自动装卸系统，用于运送碎石的车斗循环运行，减小功率间歇，具有较强的灵活性和拓展性。如图5所示，该项目设计储能容量50 kWh，最大运行功率1 MW，响应迅速[7,29]。

图5 美国Energy Cache斜坡缆车式重力储能Fig.5 Energy Cache slope hawser car gravity energy storage in the United States

奥地利IIASA 研究所在2019 年提出山地重力储能Mountain Gravity Energy Storage (MGES)的概念并分析利用山体存储资源的巨大潜力。如图6所示，该研究所提出采用悬架缆绳、缆车等运送沙子完成重力储能的方案[29,33-34]，适合更为陡峭的山体、悬崖等运用，在孤立微网和小岛屿供电应用将有很大潜力。

图6 奥地利IIASA斜坡缆车式重力储能Fig.6 Austria IIASA slope hawser car gravity energy storage

斜坡悬架缆车式重力储能技术主要采用电机拖动缆绳做连续循环运动，当悬吊在缆索上的重物载体从坡底上行到坡顶并在上堆场放置，电能转换为重力势能进行存储，实现系统充电过程；当悬吊在缆索上的重物载体从坡顶下行到坡底并在下堆场放置，同时牵引电机发电，重力势能转换为电能回馈电网，完成发电过程。

综上所述，斜坡悬架缆车式重力储能技术采用悬架缆索循环运输，具有功率连续、灵活可调等优势；但因为重物悬吊在缆索上并导致缆索产生很大弧垂，单个重物载体重量小，且两个支架之间悬挂重物数量不能太多，从而决定了斜坡悬架缆车式重力储能系统的高功率和大容量技术难度大。

2.3 斜坡缆--轨式重力储能技术

针对以上技术中的优势与不足，中国科学院电工研究所肖立业团队[18,29,35]提出了斜坡缆-轨式重力储能技术，不仅融合了斜坡轨道式重力储能与斜坡悬架缆车式重力储能的优点，且避免了两者的缺点，原理结构如图7 所示，其原理和工作流程如下。

图7 斜坡缆--轨式重力储能原理图Fig.7 Slope cable rail gravity energy storage principle structure

轨道运输与缆索运输有机结合，重物载体沿轨道运行，轨道承载重物的重力并具有导向功能；缆索与轨道平行架设，并与电机通过轮轴或绞盘等相连，为重物运行提供牵引力，牵引重物载体沿轨道循环运行。该技术方案具有如下优点。

（1）轨道运输与缆索运输相结合的斜坡缆-轨式重力储能技术，利用轨道承载重物载体的重量，继承轨道载重大、运载量大的优点，系统功率和容量容易做大；与斜坡缆索重力储能技术相比，可以大幅提高重物载体运载量，单体重量和运输总重量都得到大幅提升，克服了架空缆索的弧垂和单体重量轻的不足，储能系统功率和容量都大幅提升。

（2）缆索与轨道平行架设并与电机联动，不间断循环运行，重物载体依次等间距挂载或卸载，在储能过程中为重物载体提供连续的牵引力，在释能发电过程中重物载体牵引电机连续发电；在充电(储能)和发电(释能)过程中，电机和动力缆索稳定、连续运行，系统输入、输出功率连续且灵活可调，对电网和用户友好，这也是储能系统最核心的技术指标。

采用该技术，完成5 MW/20 MWh单条双轨循环重力储能系统的设计，采用架空循环双轨、缆索动力牵引技术，架空轨道承载运输车辆的重量、架空缆索提供拉升动力；循环轨道缆索等间距排布200辆运输车，单机组通过拖动缆索牵动运输车连续循环运动。单条双轨循环重力储能系统可以作为一个单元储能模块，单模块基本参数如表2所示。

表2 5 MW/20 MWh斜坡运沙重力储能系统基本参数Table 2 Basic parameters of a 5 MW/20 MWh slope sediment gravity energy storage system

5 MW/20 MWh 的单模块重力势能储能系统建设成本2600万～3600万元，度电建设成本1300万～1800万元，而相同容量的抽水储能系统的造价为2500万～3000万元，与抽水储能的建设成本相当。

综上所述，斜坡缆-轨式重力储能技术融合了山体轨道和缆索两种重力储能技术的优点、克服两者的缺点，扬长避短，不仅功率和容量大，且输入输出功率连续不间断，并且灵活可调；该技术具有地面和架空两种敷设方式，可以根据地理条件和用户需求来选择技术方案，轨道与缆索架空敷设还具有占地小、对绿化环境影响小等优势，便于规模化应用和推广。

3 关键问题与展望

通过以上综述与深入分析，有关斜坡重力储能技术的关键技术问题主要总结如下，包括：①充放电过程功率的连续性与稳定性问题；②整个储能系统，包括建设和运维的经济性问题。

该项技术的发展与推广应用，将一方面取决于如何通过多机组联合调控、增加辅助设备等确保功率的连续性与稳定性；另一方面取决于如何通过选址、系统机构优化、高自动化运维等降低造价和运维成本、提高经济性。

本文所提出的斜坡缆-轨式重力储能技术，可以实现动力连续不间断运行，做到功率连续、稳定，并且灵活可调，单机容量大且可以多模组配合运行，具有很强的规模化推广和应用价值。

4 总 结

本文从重力储能的原理出发，简要介绍了重力储能技术方法和应用场景，重点综述了斜坡重力储能的技术种类和最新进展，主要包括轨道式和缆车式两种技术路线，并分析了两种技术的优缺点，通过综合分析与研究，给出了斜坡重力储能技术的两个关键技术问题。由此提出了融合两种技术的优点、避免各自缺点的斜坡缆-轨重力储能技术，并总结了对斜坡重力储能技术存在的关键问题，给出了可能的解决措施。