馮 穎，宋永紅，陳張彬，朱恩廷，蔡永波

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.珀挺機(jī)械工業(yè)(廈門)有限公司，福建 廈門 361008 )

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)背景下，中國(guó)能源正在轉(zhuǎn)型，能源結(jié)構(gòu)將以可再生能源為主力。而可再生能源具有天然的隨機(jī)性、間歇性與波動(dòng)性，在新型電力系統(tǒng)中，往往存在著供應(yīng)和需求的時(shí)間性和地域性差異。大規(guī)模儲(chǔ)能是解決可再生能源儲(chǔ)存利用的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)置儲(chǔ)能電站是提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性、提高能源利用率的有效途徑。

按照儲(chǔ)能方式的不同，儲(chǔ)能可以劃分為機(jī)械類、電氣類、電化學(xué)、熱儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能。其中機(jī)械類儲(chǔ)能包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能等。

抽水蓄能是裝機(jī)規(guī)模最大的儲(chǔ)能技術(shù)[1]，目前發(fā)展最為成熟，成本最低。通常，除抽水蓄能外的其他儲(chǔ)能統(tǒng)稱為新型儲(chǔ)能技術(shù)。隨著鋰離子電池技術(shù)日趨成熟，電化學(xué)已成為應(yīng)用范圍最為廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)。以飛輪、壓縮空氣為代表的機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)也攻克了各方面的技術(shù)瓶頸，正在加快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。機(jī)械儲(chǔ)能中的重力儲(chǔ)能有較多的技術(shù)方向，均處于技術(shù)研發(fā)階段。

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能是重力儲(chǔ)能的研究方向之一，是通過(guò)帶式輸送機(jī)輸送散狀固體物料方式實(shí)現(xiàn)電能-重力勢(shì)能-電能相互轉(zhuǎn)化，以豐富機(jī)械儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)方式，為儲(chǔ)能技術(shù)廣闊應(yīng)用提供新技術(shù)。

1 技術(shù)原理和系統(tǒng)構(gòu)成

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)是一種新型的儲(chǔ)能技術(shù)，借鑒了抽水儲(chǔ)能技術(shù)理念，同樣利用自然地形高差條件，不同在于采用上、下料場(chǎng)和連接料場(chǎng)的雙向運(yùn)行的帶式輸送機(jī)組成封閉系統(tǒng)，并循環(huán)往復(fù)地在上、下料場(chǎng)之間搬運(yùn)固體散狀物料，進(jìn)行電能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和發(fā)電功能，屬于機(jī)械儲(chǔ)能的重力儲(chǔ)能分類。

這種新型物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)不受水資源條件限制、也不受高寒、高海拔等環(huán)境因素的限制，選址范圍較廣。

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)利用自然落差大于300 m、自然坡度10°～30°左右的帶狀坡地，如圖1 所示，在上、下料場(chǎng)之間通過(guò)雙向運(yùn)行的帶式輸送機(jī)搬運(yùn)固體散狀物料，來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和發(fā)電功能。

圖1 物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)通過(guò)主帶式輸送機(jī)，從下方低海拔處的下料場(chǎng)向上運(yùn)輸至上方高海拔處的上料場(chǎng)。在這個(gè)過(guò)程中，如圖2 所示，系統(tǒng)從電網(wǎng)取電，通過(guò)主帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸，將物料從下料場(chǎng)搬運(yùn)到上料場(chǎng)儲(chǔ)存，此時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能Ep=MgH，并儲(chǔ)存起來(lái)。發(fā)電工況時(shí)，物料通過(guò)主帶式輸送機(jī)，從上料場(chǎng)下運(yùn)至下料場(chǎng)。在這個(gè)過(guò)程中，主輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，輸送給電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

圖2 儲(chǔ)能和發(fā)電工況示意圖

單元制物料搬運(yùn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定發(fā)電功率一般為10 MW 到26 MW，根據(jù)需求和項(xiàng)目地理?xiàng)l件可以適當(dāng)調(diào)整。

2 運(yùn)行方式

目前，我國(guó)各地普遍按日劃分峰、平、谷時(shí)段，即將一天24 h 劃分為用電高峰、用電平段、用電低谷三個(gè)時(shí)段，執(zhí)行峰谷分時(shí)電價(jià)。各地比較普遍的分時(shí)段劃分情況為：峰、平、谷時(shí)段每個(gè)時(shí)段均為8 h。

2021 年7 月26 日，國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)改價(jià)格〔2021〕1093 號(hào)《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知》[2]，通知要求完善峰谷電價(jià)機(jī)制、建立尖峰電價(jià)機(jī)制，健全季節(jié)性電價(jià)機(jī)制。 “合理確定峰谷電價(jià)價(jià)差，上年或當(dāng)年預(yù)計(jì)最大系統(tǒng)峰谷差率超過(guò)40%的地方，峰谷電價(jià)價(jià)差原則上不低于4∶1；其他地方原則上不低于3∶1”。

根據(jù)通知要求，各省正逐步出臺(tái)配套政策。大多數(shù)省份峰段電價(jià)以平段電價(jià)為基礎(chǔ)上浮50%，谷段電價(jià)以平段電價(jià)為基礎(chǔ)下浮50%；尖峰電價(jià)在高峰時(shí)段電價(jià)基礎(chǔ)上上浮10%～25%。

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)的工程應(yīng)用可按以下運(yùn)行方式：每日低谷時(shí)段從電網(wǎng)取電進(jìn)行儲(chǔ)能運(yùn)行，每日高峰時(shí)段發(fā)電運(yùn)行回饋電網(wǎng)。

3 儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率

儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在能量損失，儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率體現(xiàn)了從電網(wǎng)取電的利用程度，反映了儲(chǔ)能搬運(yùn)系統(tǒng)的能量損失情況，是儲(chǔ)能系統(tǒng)中衡量電量轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)一種儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)，如圖3 所示。

圖3 能量轉(zhuǎn)化圖

物料儲(chǔ)能搬運(yùn)系統(tǒng)的上、下料場(chǎng)均需要有輔助的料場(chǎng)設(shè)備，將物料從料場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)到主帶式輸送機(jī)上，或從主輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到料場(chǎng)，以及將物料在料場(chǎng)進(jìn)行堆料和取料，整個(gè)料場(chǎng)搬運(yùn)的工藝過(guò)程均會(huì)消耗能量，降低轉(zhuǎn)化效率。

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率是指完成一次充放電循環(huán)后，主帶式輸送機(jī)實(shí)際發(fā)電功率與系統(tǒng)充電消耗功率的比值。

主帶式輸送機(jī)實(shí)際發(fā)電功率是指主輸送機(jī)發(fā)電功率扣除下運(yùn)發(fā)電工況時(shí)輔助系統(tǒng)設(shè)備消耗功率后的凈輸出功率；系統(tǒng)充電消耗功率是指上運(yùn)儲(chǔ)能運(yùn)行(充電)工況下主輸送機(jī)和全部輔助系統(tǒng)設(shè)備消耗功率總和。

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率計(jì)算式如下：

式中：ηs為系統(tǒng)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率；PD為下運(yùn)主輸送機(jī)發(fā)電功率，kW；PDC為下運(yùn)輔助系統(tǒng)耗電功率，kW；PU為上運(yùn)主輸送機(jī)耗電功率，kW；PUC為上運(yùn)輔助系統(tǒng)耗電功率，kW；T1為下運(yùn)發(fā)電總運(yùn)行時(shí)間，h；T2為上運(yùn)儲(chǔ)能總運(yùn)行時(shí)間，h。

上式可知，物料搬運(yùn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率主要由主帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)化效率和輔機(jī)消耗功率決定。提高主帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)化效率、降低輔助系統(tǒng)設(shè)備的能量消耗將提高整個(gè)系統(tǒng)的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化率。

在整個(gè)物料儲(chǔ)能搬運(yùn)系統(tǒng)中，電能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能Ep=MgH，并儲(chǔ)存起來(lái)，其中g(shù)為重力加速度是一個(gè)定值。在搬運(yùn)物料的質(zhì)量M和提升高度H對(duì)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率均具有重要影響。在當(dāng)前的工業(yè)水平和技術(shù)條件下，M的增加會(huì)更加顯著地增加投資。而質(zhì)量M一定時(shí)，增大提升高度H將大大提高儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率。主帶式輸送機(jī)的膠帶采用扯斷強(qiáng)度ST10000 的膠帶時(shí)，上、下料場(chǎng)高差極限約為400 m。當(dāng)提升高度H超出400 m 時(shí)，可采用2 條主帶式輸送機(jī)接力運(yùn)輸?shù)姆绞?，提升高度H可加大到800 m 左右，這將大大提高儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率。

當(dāng)?shù)貏?shì)海拔總高度差較大時(shí)，采用2 條主輸送機(jī)接力運(yùn)輸時(shí)(二段接力)，以及采用3 條主輸送機(jī)接力運(yùn)輸時(shí)(三段接力)，儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率曲線圖如圖4 所示。

圖4 提升高度H對(duì)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率的影響曲線

由圖4 可知，隨提升高度H增加，儲(chǔ)能搬運(yùn)系統(tǒng)的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率增加較為顯著。無(wú)論采用二段接力運(yùn)輸，還是采用三段接力運(yùn)輸，由于料場(chǎng)系統(tǒng)是不變的，即料場(chǎng)功率損耗的絕對(duì)值是固定，因此，儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率將越來(lái)越趨近于主帶式輸送機(jī)設(shè)備本體的轉(zhuǎn)化效率。

4 工程應(yīng)用

4.1 單元發(fā)電機(jī)組模塊

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能電站按13 MW 級(jí)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)組容量設(shè)置單元制發(fā)電機(jī)組。工程應(yīng)用中，可根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際需求和可再生能源發(fā)電的實(shí)際情況，在單元制發(fā)電機(jī)組中進(jìn)行選擇和組合，構(gòu)建最優(yōu)化的物料搬運(yùn)儲(chǔ)能電站。

發(fā)電主帶式輸送機(jī)采用ST10000 的膠帶時(shí)，相應(yīng)的發(fā)電機(jī)組模塊化配套設(shè)置如圖5 所示。

圖5 物料搬運(yùn)儲(chǔ)能電站典型模塊

模塊1 單主機(jī)1×13 MW 級(jí)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)組單元，采用1 臺(tái)主帶式輸送機(jī)，提升高度H(上、下料場(chǎng)高差)400 m。1 臺(tái)主帶式輸送機(jī)雙向可逆運(yùn)行，每日低谷時(shí)段上運(yùn)儲(chǔ)能運(yùn)行8 h，每日高峰時(shí)段下運(yùn)發(fā)電運(yùn)行6.4 h，儲(chǔ)能容量83.2 MWh。

模塊2 雙主機(jī)2×13 MW 的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)組單元，在模塊1 的基礎(chǔ)上，采用2 臺(tái)主帶式輸送機(jī)接力運(yùn)輸?shù)姆绞?，總提升高?上、下料場(chǎng)高差)約800 m。每臺(tái)主輸送機(jī)均為雙向可逆運(yùn)行，每日低谷時(shí)段上運(yùn)儲(chǔ)能運(yùn)行8 h，每日高峰時(shí)段下運(yùn)發(fā)電運(yùn)行6.4 h，雙主機(jī)同時(shí)運(yùn)行，儲(chǔ)能容量166.4 MWh。

經(jīng)研究，單套發(fā)電功率為13 ～26 MW的物料搬運(yùn)儲(chǔ)能電站，其儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率達(dá)到59.0%～66.4%，度電成本為0.29 ～0.46 元。當(dāng)采用4×13 MW 配置時(shí)，儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化效率最高可達(dá)69.7%。

4.2 儲(chǔ)能電站應(yīng)用站址

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)選址條件受限較小。和抽水蓄能選址條件苛刻，壓縮空氣儲(chǔ)能需要依靠天然鹽穴儲(chǔ)氣才能降低成本相比，物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)只要求有高差的地理?xiàng)l件即可，對(duì)地質(zhì)和氣象條件沒(méi)有特殊的要求，基本上山區(qū)地形均可滿足，對(duì)高海拔、高寒、干旱的地理環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。同時(shí)，物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)行對(duì)周邊環(huán)境和小氣候基本無(wú)影響。

4.2.1 有高差的山區(qū)坡地

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)適應(yīng)于落差＞300 m，自然坡度約10°～20°左右的山區(qū)坡地，用地為帶狀且面積不大。我國(guó)地形類型復(fù)雜多樣，山區(qū)廣泛分布，面積廣大，山地眾多，能夠滿足物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)需要的適宜場(chǎng)地很容易獲得。

選址可因地制宜，合理利用地形和地質(zhì)條件，主帶式輸送機(jī)采用沿山脊布置或沿側(cè)坡布置的方式。

4.2.2 依托山區(qū)風(fēng)力和光伏發(fā)電站

各地利用山地大量建設(shè)山區(qū)風(fēng)力、光伏發(fā)電站，為物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)的選址應(yīng)用提供了良好的條件，本技術(shù)可依托風(fēng)力、光伏發(fā)電站選址建設(shè)。新能源配套建設(shè)儲(chǔ)能項(xiàng)目也是未來(lái)能源建設(shè)的趨勢(shì)之一。

4.2.3 利用廢棄礦坑

我國(guó)是世界第三大礦業(yè)大國(guó)，全國(guó)擁有各類型礦山約15 萬(wàn)多座，礦產(chǎn)種類包括煤炭、鉆石、鐵、銅、鎢、云母、高嶺土、湖鹽、巴林石、大理石等等。這些礦山隨著19 世紀(jì)和20 世紀(jì)工業(yè)時(shí)代的大量開采，以逐步進(jìn)入成熟期或衰退期，因資源枯竭而被廢棄的礦坑也越來(lái)越多。大多數(shù)礦坑經(jīng)過(guò)多年的挖掘，形成露天凹陷的大坑或深陷的盆地。

廢棄的礦坑不僅產(chǎn)生環(huán)境污染，還容易導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害，產(chǎn)生安全隱患。國(guó)土資發(fā)[2008]154 號(hào)《關(guān)于加強(qiáng)廢棄礦井治理工作的通知》，要求各地行政主管部門組織開展本地區(qū)廢棄礦井治理規(guī)劃的編制，推進(jìn)廢棄礦井治理工作，建立廢棄礦井治理的長(zhǎng)效機(jī)制，健全并落實(shí)礦山環(huán)境治理和生態(tài)恢復(fù)的責(zé)任機(jī)制。目前各地均有實(shí)施廢棄礦坑治理、地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)、廢棄礦坑整合利用等多種類型的廢棄礦井治理工程。

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)的上下料場(chǎng)可利用廢棄礦坑進(jìn)行堆料。從礦坑底部加載物料后延隧道輸送到主帶式輸送機(jī)上。這種廢棄的露天礦坑在開采石料、石灰石的半山或山頂比較常見(jiàn)。

5 與同類技術(shù)對(duì)比分析

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能作為一種利用重力勢(shì)能的全新儲(chǔ)能型式，與抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能均屬于機(jī)械儲(chǔ)能。目前應(yīng)用較多的電儲(chǔ)能方式主要集中在以抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能為代表的機(jī)械儲(chǔ)能和以鋰電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能。各類儲(chǔ)能均具有獨(dú)特屬性，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

1)物料搬運(yùn)儲(chǔ)能有較長(zhǎng)儲(chǔ)能放電時(shí)間4 ～6.4 h，和壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能相當(dāng)，適合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，高于電化學(xué)儲(chǔ)能的2 ～4 h。

2) 物料搬運(yùn)儲(chǔ)能電站的單體容量13 ～26 MW，較為適中，可靈活配置。而抽水蓄能電站裝機(jī)容量大，一般在100 MW 以上。

3)物料搬運(yùn)儲(chǔ)能壽命長(zhǎng)(超過(guò)30 a)，長(zhǎng)期儲(chǔ)能能力基本不變，不會(huì)衰減。電化學(xué)儲(chǔ)能壽命較短，為2 000 ～10 000 次充放電。

4)選址條件受限較小，對(duì)地質(zhì)和氣象條件沒(méi)有特殊要求。抽水蓄能選址條件苛刻，受水資源和氣象條件限制；壓縮空氣儲(chǔ)能受鹽穴和人工硐室選址條件的限制；而物料搬運(yùn)儲(chǔ)能基本上只要求有高差的地理?xiàng)l件即可，國(guó)內(nèi)山區(qū)地形均可滿足要求。

5)物料搬運(yùn)儲(chǔ)能安全性高，易維護(hù)。

6)作為儲(chǔ)能介質(zhì)的固體散料可就地取材，適應(yīng)性強(qiáng)；儲(chǔ)能介質(zhì)基本不會(huì)損耗，特別適合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。

7)建設(shè)周期短12 個(gè)月，和電化學(xué)儲(chǔ)能相當(dāng)，低于壓縮空氣儲(chǔ)能和抽水蓄能。同時(shí)其占地較少、對(duì)生態(tài)影響較小。

8)物料搬運(yùn)儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)化效率59%～66.4%和壓縮空氣儲(chǔ)能相當(dāng)，略低于抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能。

9)電化學(xué)儲(chǔ)能的初投資優(yōu)勢(shì)明顯，其單位功率成本遠(yuǎn)低于其他幾個(gè)儲(chǔ)能型式。由于電化學(xué)儲(chǔ)能壽命短，放電時(shí)間短，其度電成本依然略高于其他幾個(gè)儲(chǔ)能型式。物料搬運(yùn)儲(chǔ)能的度電成本0.29 ～0.46 元略高于抽水蓄能，低于電化學(xué)和壓縮空氣儲(chǔ)能。

6 結(jié)語(yǔ)

物料搬運(yùn)儲(chǔ)能技術(shù)作為一種全新的儲(chǔ)能技術(shù)，目前尚處于孵化和應(yīng)用試點(diǎn)落地階段，相對(duì)于其他主流的儲(chǔ)能型式，有其獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景，具備技術(shù)優(yōu)勢(shì)和規(guī)模化發(fā)展?jié)摿?，結(jié)合峰谷電價(jià)、電量套利空間及各項(xiàng)政策支持，在適宜的建設(shè)場(chǎng)景和商業(yè)模式下，具備盈利和技術(shù)升級(jí)空間。隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，該技術(shù)形成規(guī)模效應(yīng)后，其各項(xiàng)指標(biāo)和競(jìng)爭(zhēng)力有望得到逐步提高，并在新型儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景中占有一席之地。