研發固體荷載升位蓄能電站的理論分析

宛士春，楊立常

(1.青海大學，青海 西寧 810003；2.國家電網有限公司華中分部，湖北 武漢 430077)

1 固體荷載升位蓄能電站簡介

固體荷載升位蓄能電站(以下簡稱固荷蓄能電站)與抽水蓄能電站，都是用提升能量載體的空間位置高度來儲存能量并用降低其空間位置高度釋放出的動能來發電的大型蓄能電站，而且在大型電網中可與抽水蓄能電站一樣發揮調峰、調頻、調相的功能，以改善電網的供電質量。二者的主要區別是所使用的作為能量載體的物質與形態的不同。由于抽水蓄能電站源于水力發電與泵站提水兩種技術的對接，它以水作為能量的載體；而固荷蓄能電站則使用人工制造的固體荷載作為能量的載體。其重大意義在于它克服了抽水蓄能電站可行站址在我國以及世界上大多數國家的稀缺性帶來的瓶頸效應，使大型升位蓄能電站的開發具有了廣闊的前景。除此之外，它還避免了由水工程因水蝕、水擊現象和水的蒸發、滲漏問題給工程帶來的技術處理難題，對降低工程造價與減少能量損失、加大調峰力度與靈活性，及提高設備利用率等都提供了良好的前提條件。

1.1 系統的結構組成

不同類型的固荷蓄能電站在具體構造上雖有區別,但其系統的總體構成都與抽水蓄能電站的五大組成部分一一對應。抽水蓄能電站是由上池水庫、下池水庫及機房、壓力管道和較大規模的水體五大部分組成；固荷蓄能電站則由上荷載庫、下荷載庫、機房、荷載通道與一定量的固體荷載五大部分組成。

1.2 固荷蓄能電站的分類

1.2.1 按蓄能所用的動力可劃分為三種

1)電力蓄能型固荷蓄能電站，也可稱為地鐵式蓄能電站。它與上池水庫沒有天然來水的純抽水蓄能電站的構成與運行過程基本相同。是消耗電網用電低谷時的電力，把固體荷載從下荷載庫提升到上荷載庫以實現蓄能，在用電高峰時把固體荷載從上荷載庫放回下荷載庫，利用荷載在下降過程中位能轉化成的動能來驅動發電機發電。與抽水蓄能電站相比，它的優點是運行平穩、開機時間長、設備利用率高，而且蓄能功率與發電功率不必相等，利用這一點可加大調峰的力度。即用較小的蓄能功率獲得較大的發電功率。它的好處是蓄能時對網電的沖擊小，而在發電時對網電的補益大。

2)熱力蓄能型固荷蓄能電站(簡稱熱力蓄能電站)。不管使用何種燃料(煤、油、氣、核)，熱電廠可以改建成既可蓄能又可發電的熱力蓄能電站。它的特點是利用渦輪機的動能直接把固體荷載從下荷載庫提升到上荷載庫來實現蓄能，在用電高峰時把固體荷載放回到下荷載庫，利用固體荷載下降過程中位能轉化成的動能驅動發電機發電。它除了具有地鐵式蓄能電站的優點外還具有不消耗網電的好處。而且它的蓄能過程與發電過程是在完全獨立的情況下運行的。因此，可以根據電網運行中的動態供電需求狀況來設計和調整發電功率與蓄能功率的倍比系數，使其發電時的功率更好地符合電網的實時需要。這種蓄能電站又可分為兩個類型：對于渦輪機只有蓄能一種功能的可稱為純熱力蓄能電站，對渦輪機除蓄能外還具備發電直接上網功能的可成為混合熱力蓄能電站。

3)風力蓄能型固荷蓄能電站。風力發電和光伏發電是對電網沖擊最大的兩種發電站，如果把風力發電站改建為蓄能電站的話，那就不僅減少了對電網的沖擊,還提高了電網的抗沖擊能力。其特點是上荷載庫在地面修建，下荷載庫在地下深處，荷載通道為豎井式的。建成后即可先發一次電，然后再重復蓄能和發電的運行過程。

1.2.2 按所處地形地貌特點可劃分為三種

1)山前型固荷蓄能電站。無論是電力蓄能型還是熱力蓄能型的固荷蓄能電站，凡選址在較大的山體附近的都是山前型固荷蓄能電站，其特點是上荷載庫位于山頂上，而下荷載庫位于山腳下。其荷載通道又有斜坡式和豎井式兩種。

2)平原式固荷蓄能電站。建在平原地區的固荷蓄能電站，其特點是上荷載庫建在地面上，下荷載庫建在地下深處，荷載通道為豎井式的。其運行特點是第一工序先發電。

3)坑口型固荷蓄能電站。其特點是坐落在大型煤礦采空區的坑口附近，上荷載庫位于地面上，下荷載庫位于地下深處，是利用采空礦層的回填構筑的，其荷載通道則是利用采礦時的升降井改造而成。至于蓄能采用何種能源，可視當地具體條件而定。其運行特點也是第一工序先發電。

1.2.3 按固體荷載的形狀分為兩種

1)箱型荷載。其特點是結構比較復雜，要做成如地鐵車廂一樣的形體，下面裝有兩排車輪，以便行駛在鋼鐵的軌道上，而且每一個荷載都具有發電裝置。其連接和傳動方式亦與地鐵車廂一樣，只不過是實心的，內部充填密度盡可能大的鋼筋混凝土，以盡量提高單位體積的能量載荷值，這是基于減小荷載庫所需容積的考慮。此種荷載適用于電力蓄能型的固荷蓄能電站，即地鐵式蓄能電站。因現行的地鐵列車在下坡運行時已實現了發電的功能，所以研發地鐵式蓄能電站的難度是較低的。

2)圓柱形荷載。此種荷載適用于熱力蓄能型固荷蓄能電站。其特點是結構簡單、噸位較大，可建成瞬間提供強大功率的蓄能電站，對發展軍工企業和加強國防建設具有重要作用，如艦載機在航母上的電力彈射起飛就需要瞬間提供強大功率的電源。它的制作是用強度、剛度與柔韌性足夠的鋼鐵外殼，內部填充高密度砂石料澆筑的鋼筋混凝土，構成噸位較大的圓柱形固體荷載。在荷載的兩個端面的中心位置應設置堅固的外凸中軸，以作為傳動系統的抓手。運用此種荷載需要設計建造一個囊括上下載荷通道以及上下荷載庫的長達千米乃至數千米的超大型的機械傳動系統，要求這個傳動系統不僅能夠安全平穩地運行，而且要求在運行中其能量損失必須控制在一個較小的范圍之內。

1.3 固荷蓄能電站的功能

固荷蓄能電站與抽水蓄能電站在大型電網中起著同樣的調峰、調頻和調相的作用；同樣也可以平衡太陽能發電、風力發電、潮汐發電等不定時發電給電網帶來的沖擊，并能配合核電站運行中延長核燃料棒的燃燒時間以提高其利用率而收到提高核電廠的經濟效益和減少核廢料處理的工作量。此外，其還有若干優于抽水蓄能電站的特點，將在下面詳細地加以論述。

2 兩種大型升位蓄能電站的對比分析

因固荷蓄能電站與抽水蓄能電站都是應用升位蓄能和降位發電的原理，故它們在大規模儲電行業中都占有十分重要的地位。但從兩種升位蓄能電站，因使用能量載體不同而引起在構建與運行過程中出現不同特點的對比分析中，可以得到固荷蓄能電站優于抽水蓄能電站的七個方面的特性，也即七大優勢。

2.1 可行站址的易得性

抽水蓄能電站必須在足夠大的山體附近，需有一條來水量較大的天然河流提供給其下池水庫以足夠的水源，而且在山上、山下水平距離不太遠的范圍內還要具有適合修建水庫的地形、地質條件。但我國是一個山多水少的國家，抽水蓄能電站的可行站址是極為稀缺的，這就極大地限制了抽水蓄能電站的發展空間。而固荷蓄能電站，無論是在山區、平原，無論有無水源，都可以不受限制的興建。這就使大型升位蓄能電站在我國和世界上許多國家都具備了廣闊的發展前景。

2.2 避免了有水工程的復雜性及其負面影響

抽水蓄能電站為了避免和減少水擊、水蝕以及水的蒸發、滲漏所帶來的損失，在設備制造與工程施工中需要采取一系列技術措施，不僅提高了工程的造價，而且無法避免因上池水庫水體蒸發滲漏所帶來的能量損失。尤其對上池水庫蓄水時間較長的周調節和季調節電站來說，能量損失不是一個很小的數目，而固荷蓄能電站則完全排除了這些不利因素的影響。

2.3 固體荷載密度遠大于水

人造固體荷載的密度在鋼鐵材料用量達到容積的30%的情況下密度可以達到5，而水的密度僅為1。所以固體荷載單位體積攜帶的能量是水的5倍，因而裝機容量相同的固荷蓄能電站的上下荷載庫的容積與抽水蓄能電站的上下池水庫的容枳相比就小很多了。

2.4 減少了對網電的消耗

固荷蓄能電站除地鐵式蓄能電站以外，均不是以消耗網電來實現蓄能的，在它們的運行過程中，不僅不消耗網電，還對電網起到了擴容的作用。

2.5 提高能量轉換系數的潛力更大

能量轉換系數是衡量蓄能電站經濟性的一個重要指標。抽水蓄能電站在運行過程中能量轉換次數為5次，具體過程如下：首先是由發電廠的渦輪機的動能轉化為電能，然后再通過電動機轉化為動能帶動水泵，再由水泵轉化為壓能將水體提升到上池水庫以位能的形式儲存起來；發電時上池水庫放水，水體的位能轉化為動能帶動發電機旋轉，最后又由動能轉化為電能。而熱力蓄能電站是直接把渦輪機的動能轉化為固體荷載的位能，減少了2次能量的轉化過程，能量轉化的環節減少了40%，故其提高能量轉換效率的潛力應大于抽水蓄能電站，地鐵式蓄能電站的能量轉換次數雖與抽水蓄能電站同為5次，但它避免了因水體蒸發、滲漏帶來的能量損失，故其能量轉換效率仍優于抽水蓄能電站。

2.6 蓄能工序與發電工序的獨立性強

對抽水蓄能電站來說,由于壓力管道的雙向使用和機械設備都有可逆運行的特質，使得其蓄能工序與發電工序運行的時間與發揮的功率在設備制造和施工中已被確定為必須相等，所以在運行中不存在運行時間和功率的變化與調整的可能性。但固荷蓄能電站的蓄能工序與發電工序是相互獨立的，甚至兩種工序可以同時進行，這就給規劃設計和運行調度帶來非常大的靈活性。對地鐵式蓄能電站來說，可以用延長蓄能時間的辦法來降低對網電功率的占有而不影響其調峰效果；對熱力蓄能電站來說，就可以根據實際需要來設計其發電功率與蓄能功率的倍比系數，以恰如其分地強化其調峰的功能。

下面對兩種類型的熱力蓄能電站的運行情況加以具體分析。首先對純熱力蓄能電站(即渦輪機只蓄能不發電)進行分析：

如確定每天開機時間為20 h，調峰發電時間為4 h，則蓄能時間為20 h，發電功率可達蓄能功率的5倍；對混合熱力蓄能電站(即渦輪機具備蓄能與發電雙功能的)來說，如果每天開機時間仍為20 h，則發電功率仍為蓄能功率的5倍，但所需要的固體荷載的重量與上下荷載庫的容積則可縮減20%左右。但渦輪機雙向功能的實現可能需要付出更大的代價，但它帶來的好處是由渦輪機直接發電上網的這部分電能沒有能量轉換的損失，其能量轉換系數為1.0。

2.7 開機時間長,設備利用率高

抽水蓄能電站開機時間最長的是日調節電站，但其總的開機時間是調峰發電時間的兩倍多一點，每天也不過就是10 h左右。對于周調節電站和季調節電站來說，其設備利用率就更低了。對固荷蓄能電站來說，無論是地鐵式蓄能電站還是熱力蓄能電站都可以全日制工作，設備利用率都是較高的。

3 研發固荷蓄能電站的必要性與可行性分析

3.1 研發固荷蓄能電站的必要性

3.1.1 升位蓄能電站在大型儲電行業中的重要地位

目前的升位蓄能電站只有抽水蓄能電站一種，即抽水蓄能是升位蓄能的唯一形式。但據2017年百度提供的資料：全球各種儲能技術裝備的裝機為148 GW，其中抽水蓄能占98%，鋰電池和飛輪各占0.6%，剩下的0.8%是其他多種形式儲能裝機的總合。從以上的資料分析可以看出升位儲能與其他儲能形式相比具有絕對的優勢。

3.1.2 可行站址的稀缺性是我國發展抽水蓄能電站的強力制約

由于我國多山少水的自然條件，適合于建設抽水蓄能電站的可行站址目前已處于十分稀缺的狀態，形成了進一步發展抽水蓄能電站不可逾越的障礙。故研發另一種形式的升位蓄能電站即固荷蓄能電站，就成為發展大型升位蓄能電站以促成大規模儲能事業迅速發展的唯一正確選擇。

3.1.3 研發固荷蓄能電站是提高我國供電質量的迫切需要

大規模地快速推進抽水蓄能電站的建設，以提高我國電網的供電質量，是我國發展電力工業的一項重要政策，也是我國制定發展抽水蓄能電站的中長期規劃的主要的指導精神。但由于我國山多、水少狀況，能建立大中型抽水蓄能電站的可行站址已經處于十分稀缺的狀態。按照提高供電質量的要求，抽水蓄能電站的裝機容量占電網總裝機容量之比應達到10%，才是比較理想的狀態。目前一般工業國家的占比在5%～10%的水平。其中日本2006年已達10%以上，而我國截止2008年才達到1.35%，顯然這是低水平的。《能源發展“十二五”規劃》提出2015年抽水蓄能電站裝機容量為3 000萬kW，2020年底要達到7 000萬kW，約占全國總裝機容量的4.4%，2030年目標規劃為1.1億kW，占比約達5%，2050年目標規劃為1.6億kW，占比約達5.3%。從執行層面來看，“十二五”的開工規模為2 305萬kW，只能完成規劃目標的60%，按照這樣的執行情況預測2030年與2050年規劃目標的執行情況是很不樂觀的，最多只能完成規劃目標的一半左右。盡管規劃目標的占比與10%的理想占比目標相差甚遠，但對執行情況的預測還要再打50%的折扣。說明單靠發展抽水蓄能電站這單一形式的升位蓄能電站，對于未來幾十年內國家建設對大規模儲電事業的需求是遠遠得不到滿足的。因此，必須盡快地全面展開對另一種升位蓄能電站即固荷蓄能電站的研發工作。

3.2 研發固荷蓄能電站的可行性論證

經過以上對固荷蓄能電站的介紹，已對固荷蓄能電站的系統結構組成、分類及工作原理、運行過程有了一個全面的了解；并通過與抽水蓄能電站的對比分析，說明了它具有許多超出抽水蓄能電站的優越之處。而構建固荷蓄能電站所應用的工程技術門類也沒有超出抽水蓄能電站、熱電廠以及現代地鐵工程所需要的己經發展成熟的科學技術的范圍，即發配電、土木建筑、機械工程與材料科學四大門類。

下面分兩個層次來分析研發固荷蓄能電站的主要困難與解決之道。

3.2.1 研發地鐵式蓄能電站主要難點與解決之道

對于地鐵式蓄能電站來說，其研發的難度是相對較低的。在當前地鐵運行中已實現了在下坡運行中的發電功能，在此基礎上研發地鐵式蓄能電站應該只是一個量變的問題，即如何解決工程目標變成蓄能發電后其運行軌道變得更陡、運行速度變得更快、荷載重量變得更大的量變問題所帶來的對材料強度、剛度、柔韌性要求，及改進總體設計新的要求和在新的運行狀態下如何保障平穩安全運行的問題。如果我們能夠組成一個含有機械、電力、建筑與材料四大學科頂尖人才的科研團隊并與有關單位開展密切協作，在獲得必要的經費支持的條件下，估計在5年左右的時間里就能完成此項研發任務。

3.2.2 研發熱力蓄能電站的主要難點及解決之道

對于另一類的固荷蓄能電站即熱力蓄能電站來說，其研發難度顯然是非常大的。但也不過是需要設計和建造一個史無前例的超大型的結構復雜而功能獨特的機械傳動系統。以斜坡式通道為例，這個傳動系統應該是長達千米以上乃至數千米的全封閉式的，將下面的傳動軌道與上面的傳動支架連成一體且與山體牢固地結合在一起的含有高強度新材料制成的傳動鏈條的龐大系統，由以下四大部分組成。

1)荷載上升通道傳動子系統。它的底部與下荷載庫傳動子系統相連接，以便在蓄能工序開始時自動接受來自下荷載庫的固體荷載。其頂部與上荷載庫的傳動子系統相連接，以便把升到頂部的荷載自動傳遞給上荷載庫的傳動系統。它中間要與機房中渦輪機的傳動主軸相連接，以便接受渦輪機的動能以提升固體荷載。

2)上荷載庫傳動子系統。它的前端與荷載上升通道傳動子系統相連接，以便在蓄能運行中自動接收固體荷載入庫。它的內部應設計成使固體荷載能沿著以適當的坡度與轉彎半徑的圓柱螺旋線作勻速下降運動的緩坡通道，通道的終點即該系統的后端。它的后端與荷載下降通道傳動子系統相連接，以便把固體荷載平穩地送入荷載下降通道子系統。之所以把此傳動子系統設計成此種形式，是為保障傳動系統在不需要為荷載提供動力的情況下，執行自動控制固體荷載在通道內的安全運行與自動上載、下載功能。故要求圓柱螺旋線的設計下降坡度應與固體荷載下降時的設計平均速度相適應。

3)荷載下降通道傳動子系統。它的上部與上荷載庫傳動子系統的末端相連接，以便在發電時自動接收上荷載庫傳動子系統傳給它的固體荷載。它的底部與下荷載庫傳動子系統相連接，以便把下降到底部的荷載送入下荷載庫傳動子系統。中間與發電機的動力主軸相鏈接，以便利用荷載在下降過程中產生的動能來驅動發電機發電。

4)下荷載庫傳動子系統。它的前端與荷載下降通道傳動子系統相連接，以便在發電運行中自動接受固體荷載入庫。它的后端與荷載上升通道傳動子系統相連接，以便在蓄能運行中把荷載自動送進荷載上升通道傳動子系統，其內部構造和運行情況與上荷載庫傳動子系統完全相同。

通過以上分析,了解到這個異常龐大的總長度不下數千米的機械傳動系統其體量相當之大，而4個子系統的結構設計又必須滿足各自獨特的功能且相互連接處要做到自動傳遞固體荷載平穩過渡、天衣無縫。不僅如此，還要考慮整個傳動系統在運行中的能量損失盡可能地小，這是研發工作的重要目標之一。但是不管研發的難度有多大，所應用的工程技術并沒有超出發配電工程、機械工程、土木工程與材料科學四大學科的范圍，與航天工程的難度與復雜性相比，與“天河取水”相比其難度要小多了。因為一個是在空中應用航天、導彈等新技術，在改變大氣環流上下功夫；一個是應用常規技術在大地上做工程。但其研發工作的成果卻是可以推動大規模儲能事業取得突破性發展和使國內電網的供電質量得到徹底地改善，其對于提高整個國民經濟的質量和效益以及鞏固國防都將發揮不可估量的重要作用。“世界上的事，難度越大成功率越高”，這是許多成功人士總結出來的一條經驗。對于體量大的問題也不足為懼，因為體量與質量最大的是嵌入山體的鋼鐵支架和運行軌道，而這些都是傳動系統的非運動組成部分，其質量大小與機械傳動效率無關。而傳動系統的運動部分則是用高強度新型材料制作的傳動鏈條和在支架軸承上旋轉的定滑輪，質量占比是很小的。

在傳動中所造成的能量損失也應該在可控的小范圍之內。總之，盡管研發工作量大、紛繁復雜，需要探索在許多相互關聯的未知情境下某些事物呈現的特征及其運動變化規律，其難度可想而知。如果能組建強有力的科研團隊并與相關單位密切協作再加上科學運作，估計在10年左右也能完成這一艱巨的研發任務。

3.3 關于加快研發工作的具體設想

如何加快研發進度，在研發過程中要具體做兩大類工作：一是從模型設計、模型制作到模型試驗的整體物理模型實驗(也稱比例模型實驗)的序列化的工作；二是一系列可以分別進行的如有關材料強度、剛度、柔韌性、抗高溫、抗疲勞等的專項實驗工作。只要事先把研究項目的內容與技術關鍵問題吃透，這兩方面的研究工作可以通過分工合作來同步進行，并在實驗過程中互通情報、相互借鑒，實現滾動式發展。這樣就能以空間換取時間，加快研發工作的進度。

4 結 語

本文是作者20年來探索研發大型固體荷載升位蓄能電站的全部思想成果，它始于對抽水蓄能電站升位蓄能原理的認識與拓廣，目的是為了克服由于抽水蓄能電站可行站址稀缺對發展大型升位蓄能電站造成的“瓶頸效應”。在長期思考這個問題的過程中思想產生了幾次飛躍：第一次飛躍是以人造固體荷載取代抽水蓄能電站唯一能用的液態水體荷載，研發耗電蓄能型固荷蓄能電站即地鐵式蓄能電站，使大型升位蓄能電站具備了廣闊的發展空間；第二次飛躍是研發非耗電蓄能型的熱力蓄能電站，它與耗電蓄能型的地鐵式蓄能電站相比具有更多的優越之處；第三次飛躍是研發坑口型熱力蓄能電站，它結合大型煤礦采空層的回填構筑處于地下的下荷載庫，并利用煤礦原來的升降井改建成荷載的通道，不僅大幅度地減少了開挖工程量，而且同時解決了采空層回填的問題，收到一舉兩得的效果。此外，開啟了在平原地區也能修建固荷蓄能電站的先例，導致風力蓄能電站的研發，再加上對各種固荷蓄能電站構成與運行特點的分析、與抽水蓄能電站的比較分析和研發工作必要性與可行性的分析，構成了有關研發固體荷載升位蓄能電站的全部思想體系。