宛士春，楊立常

(1.青海大學(xué)，青海 西寧 810003；2.國(guó)家電網(wǎng)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(jiǎn)介

固體荷載升位蓄能電站(以下簡(jiǎn)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(chǔ)存能量并用降低其空間位置高度釋放出的動(dòng)能來發(fā)電的大型蓄能電站，而且在大型電網(wǎng)中可與抽水蓄能電站一樣發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相的功能，以改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量。二者的主要區(qū)別是所使用的作為能量載體的物質(zhì)與形態(tài)的不同。由于抽水蓄能電站源于水力發(fā)電與泵站提水兩種技術(shù)的對(duì)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(guó)以及世界上大多數(shù)國(guó)家的稀缺性帶來的瓶頸效應(yīng)，使大型升位蓄能電站的開發(fā)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(xiàn)象和水的蒸發(fā)、滲漏問題給工程帶來的技術(shù)處理難題，對(duì)降低工程造價(jià)與減少能量損失、加大調(diào)峰力度與靈活性，及提高設(shè)備利用率等都提供了良好的前提條件。

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

不同類型的固荷蓄能電站在具體構(gòu)造上雖有區(qū)別,但其系統(tǒng)的總體構(gòu)成都與抽水蓄能電站的五大組成部分一一對(duì)應(yīng)。抽水蓄能電站是由上池水庫、下池水庫及機(jī)房、壓力管道和較大規(guī)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(jī)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(dòng)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(gòu)成與運(yùn)行過程基本相同。是消耗電網(wǎng)用電低谷時(shí)的電力，把固體荷載從下荷載庫提升到上荷載庫以實(shí)現(xiàn)蓄能，在用電高峰時(shí)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(zhuǎn)化成的動(dòng)能來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。與抽水蓄能電站相比，它的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)、開機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備利用率高，而且蓄能功率與發(fā)電功率不必相等，利用這一點(diǎn)可加大調(diào)峰的力度。即用較小的蓄能功率獲得較大的發(fā)電功率。它的好處是蓄能時(shí)對(duì)網(wǎng)電的沖擊小，而在發(fā)電時(shí)對(duì)網(wǎng)電的補(bǔ)益大。

2)熱力蓄能型固荷蓄能電站(簡(jiǎn)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(fā)電的熱力蓄能電站。它的特點(diǎn)是利用渦輪機(jī)的動(dòng)能直接把固體荷載從下荷載庫提升到上荷載庫來實(shí)現(xiàn)蓄能，在用電高峰時(shí)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(zhuǎn)化成的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。它除了具有地鐵式蓄能電站的優(yōu)點(diǎn)外還具有不消耗網(wǎng)電的好處。而且它的蓄能過程與發(fā)電過程是在完全獨(dú)立的情況下運(yùn)行的。因此，可以根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)供電需求狀況來設(shè)計(jì)和調(diào)整發(fā)電功率與蓄能功率的倍比系數(shù)，使其發(fā)電時(shí)的功率更好地符合電網(wǎng)的實(shí)時(shí)需要。這種蓄能電站又可分為兩個(gè)類型：對(duì)于渦輪機(jī)只有蓄能一種功能的可稱為純熱力蓄能電站，對(duì)渦輪機(jī)除蓄能外還具備發(fā)電直接上網(wǎng)功能的可成為混合熱力蓄能電站。

3)風(fēng)力蓄能型固荷蓄能電站。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是對(duì)電網(wǎng)沖擊最大的兩種發(fā)電站，如果把風(fēng)力發(fā)電站改建為蓄能電站的話，那就不僅減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊,還提高了電網(wǎng)的抗沖擊能力。其特點(diǎn)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(fā)一次電，然后再重復(fù)蓄能和發(fā)電的運(yùn)行過程。

1.2.2 按所處地形地貌特點(diǎn)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(diǎn)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(qū)的固荷蓄能電站，其特點(diǎn)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(yùn)行特點(diǎn)是第一工序先發(fā)電。

3)坑口型固荷蓄能電站。其特點(diǎn)是坐落在大型煤礦采空區(qū)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(gòu)筑的，其荷載通道則是利用采礦時(shí)的升降井改造而成。至于蓄能采用何種能源，可視當(dāng)?shù)鼐唧w條件而定。其運(yùn)行特點(diǎn)也是第一工序先發(fā)電。

1.2.3 按固體荷載的形狀分為兩種

1)箱型荷載。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(gè)荷載都具有發(fā)電裝置。其連接和傳動(dòng)方式亦與地鐵車廂一樣，只不過是實(shí)心的，內(nèi)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(xiàn)行的地鐵列車在下坡運(yùn)行時(shí)已實(shí)現(xiàn)了發(fā)電的功能，所以研發(fā)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噸位較大，可建成瞬間提供強(qiáng)大功率的蓄能電站，對(duì)發(fā)展軍工企業(yè)和加強(qiáng)國(guó)防建設(shè)具有重要作用，如艦載機(jī)在航母上的電力彈射起飛就需要瞬間提供強(qiáng)大功率的電源。它的制作是用強(qiáng)度、剛度與柔韌性足夠的鋼鐵外殼，內(nèi)部填充高密度砂石料澆筑的鋼筋混凝土，構(gòu)成噸位較大的圓柱形固體荷載。在荷載的兩個(gè)端面的中心位置應(yīng)設(shè)置堅(jiān)固的外凸中軸，以作為傳動(dòng)系統(tǒng)的抓手。運(yùn)用此種荷載需要設(shè)計(jì)建造一個(gè)囊括上下載荷通道以及上下荷載庫的長(zhǎng)達(dá)千米乃至數(shù)千米的超大型的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，要求這個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)不僅能夠安全平穩(wěn)地運(yùn)行，而且要求在運(yùn)行中其能量損失必須控制在一個(gè)較小的范圍之內(nèi)。

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(wǎng)中起著同樣的調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)相的作用；同樣也可以平衡太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電等不定時(shí)發(fā)電給電網(wǎng)帶來的沖擊，并能配合核電站運(yùn)行中延長(zhǎng)核燃料棒的燃燒時(shí)間以提高其利用率而收到提高核電廠的經(jīng)濟(jì)效益和減少核廢料處理的工作量。此外，其還有若干優(yōu)于抽水蓄能電站的特點(diǎn)，將在下面詳細(xì)地加以論述。

2 兩種大型升位蓄能電站的對(duì)比分析

因固荷蓄能電站與抽水蓄能電站都是應(yīng)用升位蓄能和降位發(fā)電的原理，故它們?cè)诖笠?guī)模儲(chǔ)電行業(yè)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(gòu)建與運(yùn)行過程中出現(xiàn)不同特點(diǎn)的對(duì)比分析中，可以得到固荷蓄能電站優(yōu)于抽水蓄能電站的七個(gè)方面的特性，也即七大優(yōu)勢(shì)。

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(yuǎn)的范圍內(nèi)還要具有適合修建水庫的地形、地質(zhì)條件。但我國(guó)是一個(gè)山多水少的國(guó)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(fā)展空間。而固荷蓄能電站，無論是在山區(qū)、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(guó)和世界上許多國(guó)家都具備了廣闊的發(fā)展前景。

2.2 避免了有水工程的復(fù)雜性及其負(fù)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(fā)、滲漏所帶來的損失，在設(shè)備制造與工程施工中需要采取一系列技術(shù)措施，不僅提高了工程的造價(jià)，而且無法避免因上池水庫水體蒸發(fā)滲漏所帶來的能量損失。尤其對(duì)上池水庫蓄水時(shí)間較長(zhǎng)的周調(diào)節(jié)和季調(diào)節(jié)電站來說，能量損失不是一個(gè)很小的數(shù)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(yuǎn)大于水

人造固體荷載的密度在鋼鐵材料用量達(dá)到容積的30%的情況下密度可以達(dá)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(jī)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(duì)網(wǎng)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(wǎng)電來實(shí)現(xiàn)蓄能的，在它們的運(yùn)行過程中，不僅不消耗網(wǎng)電，還對(duì)電網(wǎng)起到了擴(kuò)容的作用。

2.5 提高能量轉(zhuǎn)換系數(shù)的潛力更大

能量轉(zhuǎn)換系數(shù)是衡量蓄能電站經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)。抽水蓄能電站在運(yùn)行過程中能量轉(zhuǎn)換次數(shù)為5次，具體過程如下：首先是由發(fā)電廠的渦輪機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后再通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能帶動(dòng)水泵，再由水泵轉(zhuǎn)化為壓能將水體提升到上池水庫以位能的形式儲(chǔ)存起來；發(fā)電時(shí)上池水庫放水，水體的位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，最后又由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。而熱力蓄能電站是直接把渦輪機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為固體荷載的位能，減少了2次能量的轉(zhuǎn)化過程，能量轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)減少了40%，故其提高能量轉(zhuǎn)換效率的潛力應(yīng)大于抽水蓄能電站，地鐵式蓄能電站的能量轉(zhuǎn)換次數(shù)雖與抽水蓄能電站同為5次，但它避免了因水體蒸發(fā)、滲漏帶來的能量損失，故其能量轉(zhuǎn)換效率仍優(yōu)于抽水蓄能電站。

2.6 蓄能工序與發(fā)電工序的獨(dú)立性強(qiáng)

對(duì)抽水蓄能電站來說,由于壓力管道的雙向使用和機(jī)械設(shè)備都有可逆運(yùn)行的特質(zhì)，使得其蓄能工序與發(fā)電工序運(yùn)行的時(shí)間與發(fā)揮的功率在設(shè)備制造和施工中已被確定為必須相等，所以在運(yùn)行中不存在運(yùn)行時(shí)間和功率的變化與調(diào)整的可能性。但固荷蓄能電站的蓄能工序與發(fā)電工序是相互獨(dú)立的，甚至兩種工序可以同時(shí)進(jìn)行，這就給規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)度帶來非常大的靈活性。對(duì)地鐵式蓄能電站來說，可以用延長(zhǎng)蓄能時(shí)間的辦法來降低對(duì)網(wǎng)電功率的占有而不影響其調(diào)峰效果；對(duì)熱力蓄能電站來說，就可以根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)計(jì)其發(fā)電功率與蓄能功率的倍比系數(shù)，以恰如其分地強(qiáng)化其調(diào)峰的功能。

下面對(duì)兩種類型的熱力蓄能電站的運(yùn)行情況加以具體分析。首先對(duì)純熱力蓄能電站(即渦輪機(jī)只蓄能不發(fā)電)進(jìn)行分析：

如確定每天開機(jī)時(shí)間為20 h，調(diào)峰發(fā)電時(shí)間為4 h，則蓄能時(shí)間為20 h，發(fā)電功率可達(dá)蓄能功率的5倍；對(duì)混合熱力蓄能電站(即渦輪機(jī)具備蓄能與發(fā)電雙功能的)來說，如果每天開機(jī)時(shí)間仍為20 h，則發(fā)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(jī)雙向功能的實(shí)現(xiàn)可能需要付出更大的代價(jià)，但它帶來的好處是由渦輪機(jī)直接發(fā)電上網(wǎng)的這部分電能沒有能量轉(zhuǎn)換的損失，其能量轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.0。

2.7 開機(jī)時(shí)間長(zhǎng),設(shè)備利用率高

抽水蓄能電站開機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)的是日調(diào)節(jié)電站，但其總的開機(jī)時(shí)間是調(diào)峰發(fā)電時(shí)間的兩倍多一點(diǎn)，每天也不過就是10 h左右。對(duì)于周調(diào)節(jié)電站和季調(diào)節(jié)電站來說，其設(shè)備利用率就更低了。對(duì)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(shè)備利用率都是較高的。

3 研發(fā)固荷蓄能電站的必要性與可行性分析

3.1 研發(fā)固荷蓄能電站的必要性

3.1.1 升位蓄能電站在大型儲(chǔ)電行業(yè)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(jù)2017年百度提供的資料：全球各種儲(chǔ)能技術(shù)裝備的裝機(jī)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(chǔ)能裝機(jī)的總合。從以上的資料分析可以看出升位儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能形式相比具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

3.1.2 可行站址的稀缺性是我國(guó)發(fā)展抽水蓄能電站的強(qiáng)力制約

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

3.1.3 研發(fā)固荷蓄能電站是提高我國(guó)供電質(zhì)量的迫切需要

大規(guī)模地快速推進(jìn)抽水蓄能電站的建設(shè)，以提高我國(guó)電網(wǎng)的供電質(zhì)量，是我國(guó)發(fā)展電力工業(yè)的一項(xiàng)重要政策，也是我國(guó)制定發(fā)展抽水蓄能電站的中長(zhǎng)期規(guī)劃的主要的指導(dǎo)精神。但由于我國(guó)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(jīng)處于十分稀缺的狀態(tài)。按照提高供電質(zhì)量的要求，抽水蓄能電站的裝機(jī)容量占電網(wǎng)總裝機(jī)容量之比應(yīng)達(dá)到10%，才是比較理想的狀態(tài)。目前一般工業(yè)國(guó)家的占比在5%～10%的水平。其中日本2006年已達(dá)10%以上，而我國(guó)截止2008年才達(dá)到1.35%，顯然這是低水平的。《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》提出2015年抽水蓄能電站裝機(jī)容量為3 000萬kW，2020年底要達(dá)到7 000萬kW，約占全國(guó)總裝機(jī)容量的4.4%，2030年目標(biāo)規(guī)劃為1.1億kW，占比約達(dá)5%，2050年目標(biāo)規(guī)劃為1.6億kW，占比約達(dá)5.3%。從執(zhí)行層面來看，“十二五”的開工規(guī)模為2 305萬kW，只能完成規(guī)劃目標(biāo)的60%，按照這樣的執(zhí)行情況預(yù)測(cè)2030年與2050年規(guī)劃目標(biāo)的執(zhí)行情況是很不樂觀的，最多只能完成規(guī)劃目標(biāo)的一半左右。盡管規(guī)劃目標(biāo)的占比與10%的理想占比目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)，但對(duì)執(zhí)行情況的預(yù)測(cè)還要再打50%的折扣。說明單靠發(fā)展抽水蓄能電站這單一形式的升位蓄能電站，對(duì)于未來幾十年內(nèi)國(guó)家建設(shè)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)電事業(yè)的需求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)得不到滿足的。因此，必須盡快地全面展開對(duì)另一種升位蓄能電站即固荷蓄能電站的研發(fā)工作。

3.2 研發(fā)固荷蓄能電站的可行性論證

經(jīng)過以上對(duì)固荷蓄能電站的介紹，已對(duì)固荷蓄能電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、分類及工作原理、運(yùn)行過程有了一個(gè)全面的了解；并通過與抽水蓄能電站的對(duì)比分析，說明了它具有許多超出抽水蓄能電站的優(yōu)越之處。而構(gòu)建固荷蓄能電站所應(yīng)用的工程技術(shù)門類也沒有超出抽水蓄能電站、熱電廠以及現(xiàn)代地鐵工程所需要的己經(jīng)發(fā)展成熟的科學(xué)技術(shù)的范圍，即發(fā)配電、土木建筑、機(jī)械工程與材料科學(xué)四大門類。

下面分兩個(gè)層次來分析研發(fā)固荷蓄能電站的主要困難與解決之道。

3.2.1 研發(fā)地鐵式蓄能電站主要難點(diǎn)與解決之道

對(duì)于地鐵式蓄能電站來說，其研發(fā)的難度是相對(duì)較低的。在當(dāng)前地鐵運(yùn)行中已實(shí)現(xiàn)了在下坡運(yùn)行中的發(fā)電功能，在此基礎(chǔ)上研發(fā)地鐵式蓄能電站應(yīng)該只是一個(gè)量變的問題，即如何解決工程目標(biāo)變成蓄能發(fā)電后其運(yùn)行軌道變得更陡、運(yùn)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(duì)材料強(qiáng)度、剛度、柔韌性要求，及改進(jìn)總體設(shè)計(jì)新的要求和在新的運(yùn)行狀態(tài)下如何保障平穩(wěn)安全運(yùn)行的問題。如果我們能夠組成一個(gè)含有機(jī)械、電力、建筑與材料四大學(xué)科頂尖人才的科研團(tuán)隊(duì)并與有關(guān)單位開展密切協(xié)作，在獲得必要的經(jīng)費(fèi)支持的條件下，估計(jì)在5年左右的時(shí)間里就能完成此項(xiàng)研發(fā)任務(wù)。

3.2.2 研發(fā)熱力蓄能電站的主要難點(diǎn)及解決之道

對(duì)于另一類的固荷蓄能電站即熱力蓄能電站來說，其研發(fā)難度顯然是非常大的。但也不過是需要設(shè)計(jì)和建造一個(gè)史無前例的超大型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而功能獨(dú)特的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。以斜坡式通道為例，這個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該是長(zhǎng)達(dá)千米以上乃至數(shù)千米的全封閉式的，將下面的傳動(dòng)軌道與上面的傳動(dòng)支架連成一體且與山體牢固地結(jié)合在一起的含有高強(qiáng)度新材料制成的傳動(dòng)鏈條的龐大系統(tǒng)，由以下四大部分組成。

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

2)上荷載庫傳動(dòng)子系統(tǒng)。它的前端與荷載上升通道傳動(dòng)子系統(tǒng)相連接，以便在蓄能運(yùn)行中自動(dòng)接收固體荷載入庫。它的內(nèi)部應(yīng)設(shè)計(jì)成使固體荷載能沿著以適當(dāng)?shù)钠露扰c轉(zhuǎn)彎半徑的圓柱螺旋線作勻速下降運(yùn)動(dòng)的緩坡通道，通道的終點(diǎn)即該系統(tǒng)的后端。它的后端與荷載下降通道傳動(dòng)子系統(tǒng)相連接，以便把固體荷載平穩(wěn)地送入荷載下降通道子系統(tǒng)。之所以把此傳動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成此種形式，是為保障傳動(dòng)系統(tǒng)在不需要為荷載提供動(dòng)力的情況下，執(zhí)行自動(dòng)控制固體荷載在通道內(nèi)的安全運(yùn)行與自動(dòng)上載、下載功能。故要求圓柱螺旋線的設(shè)計(jì)下降坡度應(yīng)與固體荷載下降時(shí)的設(shè)計(jì)平均速度相適應(yīng)。

3)荷載下降通道傳動(dòng)子系統(tǒng)。它的上部與上荷載庫傳動(dòng)子系統(tǒng)的末端相連接，以便在發(fā)電時(shí)自動(dòng)接收上荷載庫傳動(dòng)子系統(tǒng)傳給它的固體荷載。它的底部與下荷載庫傳動(dòng)子系統(tǒng)相連接，以便把下降到底部的荷載送入下荷載庫傳動(dòng)子系統(tǒng)。中間與發(fā)電機(jī)的動(dòng)力主軸相鏈接，以便利用荷載在下降過程中產(chǎn)生的動(dòng)能來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

4)下荷載庫傳動(dòng)子系統(tǒng)。它的前端與荷載下降通道傳動(dòng)子系統(tǒng)相連接，以便在發(fā)電運(yùn)行中自動(dòng)接受固體荷載入庫。它的后端與荷載上升通道傳動(dòng)子系統(tǒng)相連接，以便在蓄能運(yùn)行中把荷載自動(dòng)送進(jìn)荷載上升通道傳動(dòng)子系統(tǒng)，其內(nèi)部構(gòu)造和運(yùn)行情況與上荷載庫傳動(dòng)子系統(tǒng)完全相同。

通過以上分析,了解到這個(gè)異常龐大的總長(zhǎng)度不下數(shù)千米的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)其體量相當(dāng)之大，而4個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又必須滿足各自獨(dú)特的功能且相互連接處要做到自動(dòng)傳遞固體荷載平穩(wěn)過渡、天衣無縫。不僅如此，還要考慮整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行中的能量損失盡可能地小，這是研發(fā)工作的重要目標(biāo)之一。但是不管研發(fā)的難度有多大，所應(yīng)用的工程技術(shù)并沒有超出發(fā)配電工程、機(jī)械工程、土木工程與材料科學(xué)四大學(xué)科的范圍，與航天工程的難度與復(fù)雜性相比，與“天河取水”相比其難度要小多了。因?yàn)橐粋€(gè)是在空中應(yīng)用航天、導(dǎo)彈等新技術(shù)，在改變大氣環(huán)流上下功夫；一個(gè)是應(yīng)用常規(guī)技術(shù)在大地上做工程。但其研發(fā)工作的成果卻是可以推動(dòng)大規(guī)模儲(chǔ)能事業(yè)取得突破性發(fā)展和使國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的供電質(zhì)量得到徹底地改善，其對(duì)于提高整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的質(zhì)量和效益以及鞏固國(guó)防都將發(fā)揮不可估量的重要作用?！笆澜缟系氖?，難度越大成功率越高”，這是許多成功人士總結(jié)出來的一條經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于體量大的問題也不足為懼，因?yàn)轶w量與質(zhì)量最大的是嵌入山體的鋼鐵支架和運(yùn)行軌道，而這些都是傳動(dòng)系統(tǒng)的非運(yùn)動(dòng)組成部分，其質(zhì)量大小與機(jī)械傳動(dòng)效率無關(guān)。而傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部分則是用高強(qiáng)度新型材料制作的傳動(dòng)鏈條和在支架軸承上旋轉(zhuǎn)的定滑輪，質(zhì)量占比是很小的。

在傳動(dòng)中所造成的能量損失也應(yīng)該在可控的小范圍之內(nèi)?？傊M管研發(fā)工作量大、紛繁復(fù)雜，需要探索在許多相互關(guān)聯(lián)的未知情境下某些事物呈現(xiàn)的特征及其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，其難度可想而知。如果能組建強(qiáng)有力的科研團(tuán)隊(duì)并與相關(guān)單位密切協(xié)作再加上科學(xué)運(yùn)作，估計(jì)在10年左右也能完成這一艱巨的研發(fā)任務(wù)。

3.3 關(guān)于加快研發(fā)工作的具體設(shè)想

如何加快研發(fā)進(jìn)度，在研發(fā)過程中要具體做兩大類工作：一是從模型設(shè)計(jì)、模型制作到模型試驗(yàn)的整體物理模型實(shí)驗(yàn)(也稱比例模型實(shí)驗(yàn))的序列化的工作；二是一系列可以分別進(jìn)行的如有關(guān)材料強(qiáng)度、剛度、柔韌性、抗高溫、抗疲勞等的專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作。只要事先把研究項(xiàng)目的內(nèi)容與技術(shù)關(guān)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(jìn)行，并在實(shí)驗(yàn)過程中互通情報(bào)、相互借鑒，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)式發(fā)展。這樣就能以空間換取時(shí)間，加快研發(fā)工作的進(jìn)度。

4 結(jié) 語

本文是作者20年來探索研發(fā)大型固體荷載升位蓄能電站的全部思想成果，它始于對(duì)抽水蓄能電站升位蓄能原理的認(rèn)識(shí)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(duì)發(fā)展大型升位蓄能電站造成的“瓶頸效應(yīng)”。在長(zhǎng)期思考這個(gè)問題的過程中思想產(chǎn)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(tài)水體荷載，研發(fā)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(fā)展空間；第二次飛躍是研發(fā)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(yōu)越之處；第三次飛躍是研發(fā)坑口型熱力蓄能電站，它結(jié)合大型煤礦采空層的回填構(gòu)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(shí)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(qū)也能修建固荷蓄能電站的先例，導(dǎo)致風(fēng)力蓄能電站的研發(fā)，再加上對(duì)各種固荷蓄能電站構(gòu)成與運(yùn)行特點(diǎn)的分析、與抽水蓄能電站的比較分析和研發(fā)工作必要性與可行性的分析，構(gòu)成了有關(guān)研發(fā)固體荷載升位蓄能電站的全部思想體系。