蓄熱式重力壓縮儲能裝置及發電系統研究

中圖分類號：TM91 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0043-05

Abstract:Withtherapiddevelopmentof renewableenergy，thedemandforvarious typesof energystorage technologiesin thepowergridcontinuestogrow.Gravityenergystorageisenvironmentallfriendlyandeconomicalandhasreceivedwidespread atentioninthepowerfieldinrecentyears.Inthispaper，agravitycompressdairenergystoragedeviceandpowergeneration systembasedonaregenerativegravityblockaredesigned.Theenergystorage deviceincludesashaft，agravitycolumn，a piston，etc.，andthepowergenerationsystemincludesaverticalelevatorandagenerator.Bydividingthegravityplungerinto multiplegravitycolumnsarangedlayerbylayer，thegravitycolumnsarelimitedthroughalimitmechanism，andthegravity actingonthegasstoragechamberischanged toachievepressureadjustment.Thereisnoneedtoadjusttheadjustingvalveof theairexpansionunittoadjusttheincominggasflowandpresure，achievingenergy-savingefect.Atthesametime，the compressedgasandthegasintroducedintotheairexpansionunitduring theexpansion process passthroughtheheatstorage materialandatechangeuringthecompresionandexpansionrocesisalizedtroughtheheatstoagematealhre isnoneedtoarangeadditionalheatexchangeunits，which improvestheflexibilityofsystemdesignandhaspracticalvalue.

Keyords:regenerative gravitycompresion energystorage device;power generationsystem;thermalstoragematerial;heat exchange; renewable energy

儲能能夠為電網運行提供調峰、調頻、備用、黑啟動和需求響應支撐等多種服務，是提升電網運行可靠性、靈活性、經濟性的重要技術措施之一。加快各種新型儲能技術的產業化發展與應用，對于構建“清潔低碳、安全高效\"的現代能源產業體系，推進我國電力行業供給側改革，推動電力高效、安全生產和供給具有重要的現實意義和戰略價值。

但建設抽水蓄能電站需要苛刻的地理條件，需要大量的水和較好的建壩建庫條件，受自然條件限制較多，初始投資巨大，影響面廣；化學電池能量密度低，成本高，壽命有限，在便攜式電子設備中應用廣泛，但難以滿足國家骨干電網所需的超大容量儲能需求；超大規模電容具有超大功率放電、循環效率高的優勢，但能量密度低，需交直流變換，可以配合電池應用在汽車上，難以滿足工業民用儲能需求。

隨著可再生能源的不斷發展，電網對各種儲能技術的需求日益增長。目前，已有的儲能技術中，抽水蓄能電站是大容量蓄能方式，能量循環效率可達 75% ，

重力儲能是一種新型儲能技術，屬于物理儲能，具有環保性、經濟性、選址靈活等特點，逐步在儲能技術領域中得到深入應用。重力儲能系統主要借助山體斜坡、地下豎井、人工建筑物等提升或者拉升重物實現能量的存儲。但目前研制的重力壓縮儲能裝置在應用中還存在一些問題，具體為：一是儲能過程中壓縮空氣產生的熱能通常是通過設置熱交換單元進行熱量的存儲，但是熱交換單元的設置使得儲能系統復雜；二是在釋能時，通過向空氣膨脹機組中通入壓縮空氣進行做功，當空氣膨脹機組需要停機時，首先需要降低空氣膨脹機組入口處的壓力，一般是直接通過調節空氣膨脹機組的調節閥，使得壓縮空氣流量和壓力均降低，但是直接通過調節閥調節使氣體壓力降低，會造成能量損失。

基于上述問題，本文設計開發了一種新型蓄熱式重力壓縮儲能裝置及發電系統，通過蓄熱材料實現壓縮和膨脹過程的熱交換，無需另外布置熱交換單元，提升系統設計靈活性。另外，通過將重力柱塞分成多個層層設置的重力柱，通過限位機構實現對重力柱的限位，改變作用于儲氣腔的重力實現壓力的調節，無需通過調節空氣膨脹機組的調節閥調節進人的氣體流量和壓力，實現節能的效果。

1蓄熱式重力壓縮儲能裝置

1.1 結構設計

蓄熱式重力壓縮空氣儲能裝置主要由豎井、重力柱、活塞、殼體、蓄熱材料、通氣孔、進氣通道、出氣通路、容納槽、隔離網、杠桿、活塞、連通腔、壓力缸、密封件、儲氣腔、曲柄、空氣壓縮機、空氣膨脹機、密封腔和支座組成。蓄熱式重力壓縮空氣儲能裝置結構的詳細介紹如下。

1)豎井：豎井底部設置杠桿和壓力缸。

2)重力柱：重力塊插接在豎井中，并具有一定的靈活性；重力塊為殼體結構，內部填充高性能蓄熱材料；殼體外壁與豎井側壁之間采用密封件連接；豎井側壁在豎直方向上設置有多個限位機構；每個限位機構都與重力柱一一對應。

3)儲氣腔：殼體、密封件和豎井之間形成的空間為儲氣腔。

4)殼體：殼體頂部設置2個通氣孔，每個通氣孔處都有一個閥門，閥門分別連接有進氣通道和出氣通道。其中，進氣通道和出氣通道分別連接空氣壓縮機組和空氣膨脹機組。

5)隔離網：在殼體的通氣孔處均設置有隔離網，隔離網的主要作用是阻擋蓄熱材料，防止其溢出。

6壓力缸：壓力缸內填充黏性壓力液，黏性壓力液的主要作用是對活塞和壓力缸之間的起到密封效果。

1.2 工作原理

蓄熱式重力壓縮儲能裝置基本工作原理：通過在儲氣腔處設置壓力缸、活塞和杠桿，通氣的同時，儲氣腔中壓縮空氣自身的壓力能夠作用于活塞，活塞向下移動時能夠拉動杠桿的一端向下移動，另一端抬升，抬升的一端對重力壓塊施加向上的輔助力，便于重力壓塊的啟動，并且對杠桿施加的力為儲氣腔中壓縮空氣自身的壓力，實現重力壓塊啟動時，壓縮空氣壓力的合理利用，同時壓縮后的氣體和膨脹過程中通入空氣膨脹機組中的氣體進入蓄熱材料，通過蓄熱材料實現壓縮和膨脹過程的熱交換，無需另外布置熱交換單元，系統設計更加簡單和靈活。

儲能時，通過電動機帶動空氣壓縮機組對氣體壓縮做功，將常溫常壓空氣壓縮后得到高溫高壓空氣，高溫高壓空氣通入豎井中活動插接的重力塊中，通過重力塊中的蓄熱材料將熱量存儲后得到低溫高壓氣體，低溫高壓氣體通入重力塊、重力塊與豎井之間連接的密封件和豎井位于密封件下方的空間之間形成的儲氣腔中；釋能時，儲氣腔中的壓縮氣體進入重力塊中，吸收蓄熱材料中存儲的熱量，得到的高溫高壓氣體通過出氣通道進入所述空氣膨脹機組中進行做功，帶動發電機發電。

1.3 運行方法

1將重力柱活動插接于豎井中，在豎井側壁在豎直方向上設置多個與重力柱一一對應的限位機構，最底層的重力柱、最底層重力柱與豎井之間連接的密封膜、豎井位于密封膜下方的空間之間圍成儲氣腔。

2)在初始狀態時，黏性壓力液的壓力與密封腔中的可壓縮氣體對活塞向上的壓力基本平衡，使得杠桿處于水平狀態。

3)重力儲能包括3個階段：第一階段，重物下落加速過程：在重物下落初始階段，重物在重力作用下開始加速，此階段下落高度為 h_1° 第二階段，重物勻速下落發電過程：加速至額定速度后，重物纜繩連接發電機達到額定功率，功率平衡，重物勻速下落，勻速下落高度為 h_2° 第三階段，重物降速直至停正過程，待垂直式儲能系統中重物下落接近底部，重物進入減速階段。

在下落重物滑落至開始降速位置時，此時纜鏈恰好連接緊固待提升重物與下落重物，提升重物開始提升，下落重物開始減速，發電機停止發電，最終下落重物停止，減速滑行距離 L₃ ，左側重物提升高度為 h₄ ，滑行提升距離 L₄ ，若采用鋼纜直接連接，則 L₃=L₄ ，若采用齒輪等變速連接，則 L₃≠L₄

連接齒輪比和應配置待提升重物的重量 m₂ 的具體方法為在理想狀態下，忽略傳動損耗，考慮下落重物滑落至底并直至速度減為0，動能守恒滿足公式(1)

式中： m₁ 為下落重物的質量， m₂ 為提升重物的質量，g 為重力加速度， h₃ 為下落重物減速階段下落高度，若重物滑落至斜坡底部才開始減速，則 h₃ 為 0，h₄ 為提升重物升高高度， v_n 為下落重物勻速滑落階段速度。

重物a與重物 b 的傳動齒輪比 為

i_ab=L₃/L₄ ，

式中： L₃ 為下落重物在降速滑動過程中的滑動距離， L₄ 為提升重物 b 的上升滑動距離。

若要求提升重物恰好上升至重物存儲位置，則h₄=h，h 為存放重物總高度；考慮實際存在傳動和摩擦能量損耗， m₂ 應略小于計算值。

防回落裝置包括沿運行軌跡放置的單向齒，當提升重物運動到所需高度時，在單向齒的作用下提升重物固定在坡面的某一位置。

4)移動過程中通過曲柄拉動杠桿的一端向下移動，杠桿的另一端向上抬升，抬升的過程中對重力柱施加向上的輔助力，重力柱向上移動至最高限位，重力柱向上移動過程中杠桿靠近重力柱的一端也向上移動至一定位置后停止，保持傾斜的狀態。

5)放氣過程中，空氣膨脹機組需要停機時，需要首先降低人口壓力，控制豎井頂部第一個限位機構啟動，通過第一個限位機構對第一個重力柱限位，使得第一個重力柱與其他重力柱脫開并停正下移，作用在儲氣腔上的重力柱塞的質量降低，儲氣腔壓力對應降低至新平衡狀態時，未受限的其他重力柱繼續下移；下移一定距離后，控制第二層的限位機構啟動，限位機構使第二層的重力柱與其他重力柱脫開并停正下移，儲氣腔壓力對應降低至新平衡狀態時，其他重力柱繼續下移，依次類推，直至最后一層重力柱落在豎井底端側壁上的支撐裝置上。

6)充氣過程中，當空氣壓縮機組啟動時，排氣壓力由低逐漸升至最高壓力，在此過程中，當儲氣腔中壓力略大于最后一層重力柱的重力時，最后一層重力柱向上移動，儲氣腔中壓力逐漸增大，直至與倒數第二層重力柱塞接觸并結合，儲氣腔壓力升至略大于最后一層和倒數第二層重力柱的重力，倒數第二層限位機構解除限位；以此類推，直至所有重力柱聯合為一體，解除所有限位機構的限位。

7)電動機帶動空氣壓縮機組對氣體壓縮做功，將常溫常壓空氣壓縮后得到高溫高壓空氣，高溫高壓空氣通入重力柱中通過蓄熱材料后將熱量存儲在蓄熱材料中得到低溫高壓氣體；低溫高壓氣體通入儲氣腔中，儲氣腔中的壓縮空氣通過連通腔進入到壓力缸中，對活塞施加向下的壓力，使得活塞在壓力缸中向下移動。

2蓄熱式重力壓縮儲能發電系統

本文所設計的蓄熱式重力壓縮儲能發電系統方案，借鑒了抽水蓄能技術的基本原理，采用了一種創新的方式：將流體水替換為固體重力柱。該技術方案的核心思想是利用重物的儲能和釋放來實現電能的存儲和循環利用。

在系統運行過程中，當電網處于低谷時或電力供應過剩時，通過輸送系統（如吊車、傳送設備等），將下倉的重物提升至較高的位置，從而將多余的電能轉化為重物的勢能，以待后續使用。而當電力需求高峰到來或電力供給不足時，重物將會依次落下，利用其勢能轉換為機械能和電能。這一過程可以描述為一個能量轉換的鏈條：電能 $$ 機械能 $$ 重物勢能 $$ 機械能 $$ 電能。蓄熱式重力壓縮儲能發電系統方案設計如圖1所示。

2.1重力發電理論容量

重力進行發電時，應用發電技術將重物勢能轉化

為機械能，設重物質量為 M_g ，從上倉下落，運行至下倉，利用高度差值 ΔH=H₁-H₂ ，在此過程中，釋放的能量如式(2)

考慮輸送系統的靈活性、可靠性，采用標準件作為重物，設計重物依次間隔落下。設每個重物投入工作的時間間隔為 χ_t ，引入質量流量參數 ，能夠得出輪機出力 P_g 的公式如式（3）

P_g=9.81m_gΔZη_g

式中： η_g 為輪機效率； m_g 單位為 t/s;P_g 單位為 kW 。

2.2 關鍵問題

1)重物勢能持續轉換為旋轉機械能的問題。將重物勢能持續轉換為旋轉機械能是確保重力壓縮儲能發電系統穩定高效運行的關鍵問題之一。本文采用的技術方案為采用齒輪傳動、皮帶輪傳動、鋼纜傳動等。① 齒輪傳動系統能夠有效地將重物的下降運動轉換為旋轉運動，通過齒輪的嚙合傳遞動能，實現了從重物勢能到旋轉機械能的轉換。這種傳動方式具有傳動效率高、傳動比穩定的特點，能夠確保系統在運行過程中能夠高效地轉換能量。 ② 皮帶輪傳動系統通過皮帶的張緊和傳動輪的轉動，將重物的下降運動轉換為旋轉機械能。這種傳動方式具有結構簡單、運行平穩的特點，適用于一些需要較大傳動比的場合，能夠有效地將重物的勢能轉換為機械能。 ③ 通過鋼纜的拉伸和釋放，將重物的下降運動轉換為旋轉機械能。這種傳動方式具有承載能力強、傳動效率高的特點，適用于一些需要長距離傳動的場合。

2)重力輪機與發電機的連接問題。設計重力輪機以輸出適宜的轉速，以便與現有的發電機設備連接，是確保重力壓縮儲能發電系統高效運行的關鍵之一。重力輪機和發電機可以通過軸系或其他傳動方式相連接，這方面的技術已基本成熟，為此，本文采用的技術方案為傳送鏈/傳送帶機水平轉移技術。水平傳送鏈能夠與垂直提升系統接駁運行，從而減少了重物在接駁過程中的動能損耗，提高了系統的能量利用效率。然而，需要注意的是，水平傳送鏈的動力機械必須按照滿載設計，以確保其能夠穩定運行。這也隨之帶來了一個重要問題：如何降低水平傳送鏈的造價和能量損耗。為解決這一問題，采取的技術措施： ① 通過優化設計和選用合適的材料來降低水平傳送鏈的制造成本。采用輕量化材料、提高結構強度和穩定性，可以有效降低制造成本，并且減少能量損耗。 ② 采用先進的傳動技術和節能設備，如高效的傳動系統和節能電機，以減少系統的能量損耗。通過合理的動力匹配和控制策略，可以最大限度地提高系統的能量利用效率。 ③ 采用智能化的監控和控制系統，對傳送鏈的運行狀態進行實時監測和調節，以保障系統的穩定運行和節能減排。

3)發電電動機的選擇問題。重力儲能電機是實現電能與勢能轉換的重要部件，在正轉時以電動機模式運行，將電能轉換為勢能，而在反轉時則以發電機模式運行，將勢能轉換為電能。然而，傳統的重載驅動機構采用籠型異步電機配合減速裝置存在一系列問題，具體為： ① 隨著電機負載的增加，銅耗也隨之增大，導致功率因數和電機效率下降，因此在高負載情況下，系統的能量轉換效率會受到影響，降低了整個系統的性能和穩定性。 ② 傳統重載驅動機構需要減速裝置的配合，導致結構復雜且易于磨損，增加了系統的維護成本。減速裝置的存在也會增加能量轉換過程中的能量損耗，并且容易出現故障，影響系統的可靠性。 ③ 由于傳統驅動機構采用了較多的機械結構，系統整體效率較低。這些機械結構會帶來額外的能量損耗，并且增加了系統的復雜性，降低了系統的響應速度和靈活性。針對這些問題，可以考慮采用新型的電機技術來替代傳統的重載驅動機構。

為提升重力儲能系統的整體工作效率，采用低速大轉矩永磁同步電機替代傳統的重載驅動系統是一種重要發展方向。永磁同步電機結構簡單，靈活性優異，并且永磁同步電機的極對數可以很多，定子銅耗更小，功率因數和效率更高，能夠在較寬泛的負載范圍內維持良好的性能，因此在重載驅動領域發展前景廣闊。中國科學院電工研究所提出了重力儲能用兆瓦級永磁半直驅發電電動機的設計方案，方案中對不同轉速和轉矩情況下設備的效率進行了仿真分析。與傳統電動機相比，盡管永磁同步電機在重力儲能中有著諸多優勢，但考慮到成本較高，而且還需要經過全功率變流器并網。此外，在極端工況下運行還有失磁的現象。鑒于考慮這些問題，有研究人員提出了將電勵磁同步電機、雙饋異步電機和籠型異步電機應用于重力儲能的技術方案。這些方案在一定程度上彌補永磁同步電機的不足。例如，電勵磁同步電機能夠通過調節電勵磁系統來實現較寬的轉速范圍，提高了系統的穩定性和適應性。雙饋異步電機通過轉子回路的反饋，實現了對電力系統的動態響應，提高了系統的調節性能。而籠型異步電機則具有成熟的技術和較低的成本，適用于一些對成本和可靠性要求較高的應用場景。

本文在蓄熱式重力壓縮儲能發電項自中對永磁同步機、電勵磁同步機、雙饋異步電機和籠型異步電機用于重力儲能的適用性進行對比分析(表1），最終確定采用常規的電勵磁同步機作為發電電動機。

3結論

蓄熱式重力壓縮儲能裝置及發電系統為可再生能源發電領域帶來了一種高效、可持續的解決方案。通過將電力轉化為壓縮空氣，再利用壓縮空氣釋放能量以驅動發電機，系統實現了能量的有效儲存和利用。該系統具有高效率、低成本、環保等優點，能夠在電網負載低谷時儲存能量，在高峰時段釋放能量，有效平衡電力供需。同時，其蓄熱式設計可以通過捕獲廢熱來進一步提高系統效率，減少能源浪費。因此，蓄熱式重力壓縮儲能裝置及發電系統具有廣闊的應用前景，可以為能源轉型和可持續發展作出積極貢獻。

參考文獻：

[1]陳云良，劉旻，凡家異，等.重力儲能發電現狀、技術構想及關鍵問題[J].工程科學與技術，2022，54(1)：97-105.

[2]邱清泉，羅曉悅，林玉鑫，等.垂直式重力儲能系統的研究進展和關鍵技術[J].儲能科學與技術，2024，13(3)：934-945.

[3]劉榮峰，張敏，儲毅，等.新型儲能技術路線分析及展望[J].新能源科技，2023，4（3)：44-51.

（上接42頁）

將建立的模型庫導入平臺中，根據WEAVR的編輯交互程序，開發出交互操作系統。

5結論

通過將半實物仿真駕駛艙和虛擬仿真系統相結合，構建“實物仿真-混合現實”的訓練體系，可以實現駕駛艙內和飛機系統的動態排故演練操作，將在真實航空器中難以實現的故障訓練帶人課堂中，提高學生對航空器部件和故障類型的認知度，提升課堂教學質量，提高培訓效率，解決航空維修相關專業的教學培訓需求。通過虛擬仿真系統，構建虛實融合的實訓場景，可以利用真實航空器訓練所難以企及的豐富資源，開展豐富多樣化的教學課程，有效解決傳統培養模式中高成本、高風險的問題。同時，豐富多樣化的虛擬仿真教學環境，既能通過沉浸式教學方式激發學生的學習積極性，又能滿足高質量航空維修人員的培養模式。

參考文獻：

[1]劉超，田巨，薛建海.飛機維修類專業虛擬仿真實訓中心的建設[J].新疆職業大學學報，2022，30(1)：75-80.

[2]2025飛機維修行業發展現狀及市場規模、競爭格局分析[EB/OL].(2025-01-17).https://m.chinairn.com/hyzx/20250117/145235419.shtml.

[3]李勇，馬震宇，韓非非，等.航空發動機控制系統課程虛擬仿真實驗教學平臺建設建議與研究[J高教學刊，2022，8（1)：5-8.

[4]王洛鋒.基于虛擬仿真技術的外部繞機檢查系統設計研究[J].電腦知識與技術，2022，18(11)：126-128.

[5]錢文高，馬紅巖，秦慶霞.飛機虛擬維護訓練器的構建和應用[J].實驗室研究與探索，2023，42(2)：159-164.