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杏彩体育官网登录注册《储能科学与技术》推荐邱清泉 等:垂直式重力储能系

2024-06-06 16:12:18 来源:杏彩体育官网登录 作者:杏彩体育官网注册

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  邱清泉, 罗晓悦,林玉鑫, 等. 垂直式重力储能系统的研究进展和关键技术[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(3): 934-945.

  本文亮点:1.介绍了近年来国内外基于竖井和地面构筑物的垂直式重力储能技术的研发现状和示范工程。2.分析了垂直式重力储能系统垂直提升、水平转移和自动接驳机械传动技术、发电电动机及并网控制技术中存在的核心技术难题。

  摘 要 基于固体重物的重力储能技术因其不依赖水资源、选址灵活、效率高等优势,未来有望成为我国北方和西北缺水地区重要的储能技术之一,可以很好地满足大规模可再生能源电力并网对储能技术的需求。然而,由于固体重物的不可流动性和不连续性,重物启停和切换过程会对机械传动和电网系统造成冲击,是固体重力储能区别于抽水蓄能的重要特征。本文首先介绍了近年来国内外基于竖井和地面构筑物的垂直式重力储能技术的研发现状和示范工程,并进一步对垂直式重力储能系统垂直提升、水平转移和自动接驳机械传动技术,以及发电电动机和并网控制技术中存在的核心技术难题进行了分析,最后对垂直式重力储能技术未来的发展趋势进行了展望。研究表明,垂直式重力储能系统尽管技术方案较多,但在重载快速提升和转移、重物启停和切换过程控制、并网控制和能效提升等方面还存在诸多技术难题有待解决,后续通过技术提升可进一步降低系统建造成本并提高系统运行的效率和寿命,有望在近期获得一定的示范应用。

  “双碳”目标是中国为应对全球气候变化做出的郑重承诺,也是国家实施节能减排政策的目标和方向。为实现“双碳”目标,一方面要逐步减少化石能源的消费量,另一方面要提升可再生能源的消费占比。我国可再生能源分布和居民用电负荷之间存在较强的时空不匹配性,并且可再生能源受气候影响存在较大的波动性,导致高比例可再生能源直接并网对电网造成较大的影响,因此可再生能源电力的利用率较低,出现弃风、弃光等现象。而大容量、高效率、低成本、选址灵活的储电和储热等物理储能技术是实现可再生能源大规模并网,实现能源领域绿色可持续发展的重要保障。

  基于固体重物的重力储能技术因其不依赖水资源、选址灵活、效率高等优势,未来有望成为缺水地区重要的储能技术之一,可以很好地满足可再生能源电力并网对储能技术的需求。重力储能主要包括基于山体斜坡的斜坡式重力储能以及基于地下竖井和地面构筑物的垂直式重力储能等形式。本文着重对近年来国内外基于竖井和地面构筑物的垂直式重力储能技术的研发现状和示范工程进行介绍,并进一步对垂直式重力储能系统垂直提升、水平转移和自动接驳机械传动技术,以及发电电动机和并网控制技术进行讨论。

  竖井重力储能选址灵活、占地小,且不受天气和自然环境影响,相对于其他重力储能形式具有更广泛的适应性。

  2013年,英国Fraenkel Weight公司提出了基于废弃竖井和单卷扬提升机提升单个重物的重力储能方案;2020年,英国Gravitricity公司提出了基于废弃竖井和多卷扬提升机提升单个重物和多个重物的重力储能方案,可以在150~1500 m深的钻井中重复吊起与放下高度16 m、重量500~5000 t的钻机,在用电低谷时将钻机拉升至废弃矿井顶部,而在用电高峰时再让钻机落下,进而释放存储起来的能量,如图1(a)所示。该系统还可以控制重物提升和下落速度,以调节储/发电功率。该公司声称此系统可以在1 s之内反应,使用寿命长达50年,效率最高可达90%,并计划在利斯港口建成4 MW级全尺寸重力储能系统。目前,Gravitricity公司已经利用15 m的钻井平台完成了250 kW原理演示系统的测试。2021年,美国学者提出了在单个竖井中利用2个独立的卷扬提升机分别提升多个重物的重力储能方案。

  在国内,2018年,葛洲坝中科储能技术有限公司提出了利用废弃矿井和矿井提升机提升单个重物的方案;2019年,中煤能源研究院提出了利用废弃矿井和矿井提升机提升多个重物的方案;2021年,中国科学院电工研究所提出了多种基于竖井和龙门提升机提升多个重物的重力储能方案:利用自动吊具或罐笼实现多个重物的吊装,多个重物可以横向停放在巷道或竖向叠放在竖井中,并采用AGV(automated guided vehicle,自动导引车)地平车进行水平转载。2022年,中国科学院电工研究所完成国内首个利用单梁门式提升机的10 kW级竖井重力储能原理样机的研制和充放电性能测试,如图1(b)所示。该样机通过4象限变流器实现对永磁同步发电电动机的控制,可以采用孤岛模式或并网模式运行。另外,还通过PLC对轨道平车、自动吊具和卷扬提升机进行智能控制,实现了系统的自动化运行。

  表1所示为国内外比较有代表性的竖井重力储能研究开发项目。可以看出,竖井重力储能的研发工作相对较少,大多数工作仅仅提出了概念设计方案,缺少样机或示范工程进行实证。

  2022年,英美等国家政府部门为支撑可再生能源的消纳,开始布局竖井重力储能项目的研发。美国能源部先进能源研究计划署(advanced research projects agency for energy,ARPA-E)于2022年4月宣布最新一期的OPEN2021开放招标计划,资助1.75亿美元支持变革性清洁能源技术研发,助力美国2050年实现净零排放目标。在储能技术研发领域,布局了将废弃油气井转换为重力井的储能项目。英国商业、能源和产业战略部(bussiness,energy,and industrial strategy department,BEIS)于2022年5月宣布“长时储能示范计划”第1阶段招标结果,投入670万英镑支持24个创新储能技术项目,以促进风、光等波动性可再生能源消纳,助力英国能源系统向绿色转型。在电力储能技术研发领域,布局了竖井重力储能项目。

  竖井重力储能根据井道结构和重物运行通道的不同,可以分为2种类型:一种是基于竖井巷道和罐笼的重力储能系统,比较适合基于现有的废弃竖井和巷道来建造,如图2(a)所示;另一种是基于竖井和自动吊具的重力储能系统,比较适合利用新掘竖井来建设,如图2(b)所示。

  与竖井重力储能类似,基于地面构筑物的重力储能系统也具有选址灵活、占地小等优点,具有广泛的适应性。表2所示为国内外比较有代表性的基于地面构筑物的重力储能研究开发项目。可以看出,瑞士EV公司和中国天楹集团进行了较多的研究开发工作,目前已开发出工程示范样机系统。

  2018年,瑞士Energy Vault公司(简称EV公司)提出基于6臂塔吊和多重物块堆叠成塔的第1代重力储能技术方案(EV1),并于2019年开始进行4 MW/35 MWh重力储能示范样机系统建设和初步测试,如图3(a)所示。高塔重力储能对于重物的堆叠方式和高度有着严格的要求,塔吊的高度受限,重物吊装过程会产生晃动和扭动,难以精准定位。另外,多层重力塔的稳定性同样存在技术难点。2021年,Energy Vault公司提出基于电梯轿厢和地面构筑物的第2代重力储能技术方案(EVx),并启动EVx示范样机的建设工作,如图3(b)所示。

  2017年,徐州中矿大公司提出利用门式提升机的支撑架配备多倍率滑轮组实现重载,通过升降重物进行储能的方案;2020年,上海发电设备成套设计研究院提出利用多层承重墙配备多组行吊,在墙壁之间堆叠重物实现重力储能的方案,可满足1~10 MWh的储能需求,并且电能存储时间可长可短,如图4所示;2021年,中国天楹集团取得瑞士Energy Vault公司技术授权,并于2022年初启动了基于地面构筑物(147m高差)的25 MW/100 MWh垂直式矩阵型重力储能示范工程的建设工作。2021年,中国科学院电工研究所提出了一种基于山体陡坡和高墩桥梁/竖井隧道的垂直式重力储能系统,如图5所示。当前的高墩桥梁和竖井隧道的高度差均可做到200 m以上量级,并可实现与现有交通系统相融合,具有较好的技术经济性。另外,国家电投集团、华能集团还分别提出了基于退役的电厂冷却塔和风机塔筒群的重力储能系统,以实现废弃资源的二次利用。

  垂直式卷扬提升机技术相对成熟,矿用卷扬提升机的最大提升高度可达2000 m以上,有效载荷可达60 t;在门式卷扬提升机领域,利用多个卷扬机和高倍率滑轮组配合,其提升高度可达百米级,提升重量可达2万t以上,但提升速度较慢,仅为0.2 m/min左右。研发大提升高度的重载快速提升机对于提升重力储能的单机功率具有积极意义。

  垂直式卷扬提升机在单个通道内一般只能提升单个重物,通道空间无法得到有效利用,另外,超高层建筑和超深矿井卷扬提升系统的钢丝绳很长,会影响到系统的效率,同时柔性钢丝绳的振荡也会影响系统暂态过程稳定性。因此将直线电机用于垂直提升领域也具有一定意义,可以在一个通道内同时提升多个重物。河南理工大学研制出利用直线永磁同步电机的直驱快速电梯样机,其承载力约为3 t,采用多段初级分段供电的方式以降低损耗。研发大推动力的直线电机将具有非常积极的意义。

  基于液压机构的顶升机尽管最大载荷也可达到万吨级,但其升降高度一般不超过20 m,因此难以用于重力储能的垂直提升机构,但可以用于重物的接驳、码垛等操作。

  塔式提升机在建筑领域获得了广泛应用,其优点是可以实现重物的水平移动和360°旋转,因此无需采用特殊的转载机构,就可以实现重物的码放。缺点是由于采用了悬臂梁结构,在长臂远端载重量比较小。瑞士EV公司采用的塔式提升机采用了6臂对称结构,其高度110 m,单臂整体长度约80 m,单臂载重量30 t左。

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