摘" 要：在“以大代小”政策鼓勵下，老舊風(fēng)機逐步迎來退役高峰。采用老舊風(fēng)機改建重力儲能系統(tǒng)，可同時解決老舊風(fēng)機退役問題和風(fēng)電儲能需求缺口，具備良好的經(jīng)濟社會生態(tài)效益。以1.5 MW老舊風(fēng)機為例，分析風(fēng)機塔筒改建重力儲能系統(tǒng)的容量潛力，探討儲能系統(tǒng)的功率和運行時長選擇，改建后的儲能系統(tǒng)容量可達6.67 kWh，系統(tǒng)功率可選范圍為20 kW至2 MW，相應(yīng)儲能時長為20 min至10 s。闡明老舊風(fēng)機改建重力儲能相比其他短時儲能形式的建設(shè)成本優(yōu)勢，并討論運行成本和收益情況，為新能源和儲能技術(shù)的發(fā)展提供新思路和新模式。

關(guān)鍵詞：老舊風(fēng)機;重力儲能;潛力分析;經(jīng)濟性分析;改建

中圖分類號：TK83" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0034-05

Abstract： Encouraged by the policy of \"replacing small ones with large ones\"， old wind turbines are gradually ushering in their retirement peak. Using old wind turbines to rebuild gravity energy storage systems can simultaneously solve the problem of decommissioning old wind turbines and the gap in wind power energy storage demand， and has good economic， social and ecological benefits. Taking an old 1.5 MW wind turbine as an example， the capacity potential of the wind turbine tower to be rebuilt into a gravity energy storage system is analyzed， and the power and operating time selection of the energy storage system are discussed. The capacity of the renovated energy storage system can reach 6.67 kWh， and the system power can be selectable. The range is 20 kW to 2 MW， and the corresponding energy storage time is 20 minutes to 10 seconds. The construction cost advantages of retrofitting gravity energy storage with old wind turbines compared with other short-term energy storage forms are clarified， and the operating costs and benefits are discussed， providing new ideas and models for the development of new energy and energy storage technologies.

Keywords： old wind turbine; gravity energy storage; potential analysis; economic analysis; renovation

風(fēng)電機組設(shè)計使用壽命約為20年[1]，實際運行中10年以上的老舊風(fēng)電機組存在發(fā)電效率低、安全性差、穩(wěn)定性弱等問題[2]，顯著影響風(fēng)電項目經(jīng)濟效益。此外，部分早期機型的部件已經(jīng)停產(chǎn)，存在運維困難和成本偏高問題。我國“三北”地區(qū)風(fēng)資源優(yōu)越，但受到早期風(fēng)電機組技術(shù)制約，MW級以下機組較多，目前面臨嚴(yán)峻的退役問題?！笆奈濉逼陂g我國近1 GW老舊風(fēng)電機組面臨退役，多為0.5～1 MW機型;“十五五”期間，我國老舊風(fēng)電機組迎來第一次退役高峰，預(yù)計容量超過40 GW，多為1～2 MW機型[3]。對于老舊風(fēng)電機組，一般采用改造升級或延壽方式來保障風(fēng)電場的運行效益[4]，在“以大代小”適量增容的政策鼓勵下，風(fēng)機改造升級也迎來熱潮。然而，目前退役風(fēng)機的處理方式多采用直接拆除[5]，或通過部件翻新、材料回收等進行初級回收利用[6]，造成資源能源、時間經(jīng)濟的嚴(yán)重浪費。

近年來，在政策支持、產(chǎn)業(yè)需求和技術(shù)進步的推動下，新能源配套儲能已經(jīng)成為新能源項目的剛需。截至2023年底，我國累計發(fā)電裝機容量約2 920 GW，其中風(fēng)電裝機容量約441.34 GW[7]，若風(fēng)電全部按照10%功率、2 h時長的常見政策要求配置儲能，則儲能需求達44 GW/88 GWh。截至2023年底全國儲能總規(guī)模為86.5 GW[8]，但其中可用于服務(wù)風(fēng)電的儲能資源有限，儲能缺口和發(fā)展?jié)摿Χ挤浅＞薮蟆２捎美吓f風(fēng)機改建儲能設(shè)施，可同時解決老舊風(fēng)機退役問題和風(fēng)電儲能需求缺口，在提質(zhì)增效、節(jié)約資源和生態(tài)環(huán)保方面實現(xiàn)多贏。

在多種儲能技術(shù)中，重力儲能具有選址靈活、能量轉(zhuǎn)化效率高、儲能時間長、成本低等優(yōu)點[9]，近年來的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展迅速[10]。根據(jù)風(fēng)機的結(jié)構(gòu)組成，風(fēng)機塔筒高度和承重能力為其改建成重力儲能裝置提供了內(nèi)在的優(yōu)勢。本文介紹重力儲能的技術(shù)原理和特點，首次提出老舊風(fēng)機改建重力儲能的新路徑，并以1.5 MW老舊風(fēng)機為例，計算了其改建為重力儲能系統(tǒng)的容量潛力，確定系統(tǒng)功率和儲能時長的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及選取范圍，闡明系統(tǒng)運行成本與儲能收益方面的經(jīng)濟優(yōu)勢，為新能源與儲能技術(shù)的發(fā)展提供參考指導(dǎo)。

1" 重力儲能技術(shù)原理與特點

重力儲能按照介質(zhì)可以分為水介質(zhì)重力儲能和固體重物重力儲能[11]。水介質(zhì)重力儲能主要采用水通道、活塞等部件產(chǎn)生壓力、浮力變化，配合水泵和水輪機、電動發(fā)電機實現(xiàn)儲能過程，可被視為抽水蓄能的一種變化形式，但可以靈活應(yīng)用于海水、平地等更廣泛的場景。固體重物重力儲能則是目前重力儲能的研發(fā)應(yīng)用重點，按照結(jié)構(gòu)原理可分為基于構(gòu)筑物高度差、基于山體落差、基于地下豎井等3種形式[12-13]。固體重物一般采用密度較高的物質(zhì)，兼顧固體廢棄物的環(huán)保利用，包括砂石、金屬、水泥等，從而實現(xiàn)較高的儲能密度。固體重物重力儲能系統(tǒng)一般還包括吊車、纜車、起重機等部件，實現(xiàn)對重物的上下移動控制;電動發(fā)電機、齒輪箱、變速箱等設(shè)備，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電過程。不同形式重力儲能的特點[11-12]見表1。

固體重物型重力儲能系統(tǒng)的功率和容量與常見鋰電池儲能電站相當(dāng)，屬于中等容量的儲能形式，也可以通過建設(shè)多個系統(tǒng)集群，形成媲美抽水蓄能、壓縮空氣儲能的大容量儲能設(shè)施。在實際應(yīng)用中，可結(jié)合需求場景和地形特征選擇具體形式，山體落差和地下豎井可有效利用山體斜坡天然落差和廢棄礦井等現(xiàn)有設(shè)施條件，成為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的熱點;構(gòu)筑物形式通常需要新建專用的高塔設(shè)施，建設(shè)成本較高，而且對鋼鐵、水泥的需求也帶來碳排放問題。目前，固體重物型重力儲能無明顯的技術(shù)設(shè)備難題，優(yōu)化改進主要集中在電動/發(fā)電機技術(shù)、控制技術(shù)、天氣地形適應(yīng)技術(shù)等方面。

2" 風(fēng)機塔筒改建重力儲能的潛力分析

風(fēng)機塔筒具有“中空”的結(jié)構(gòu)特點，配合高度和承重方面的參數(shù)優(yōu)勢，可將重物放置于塔筒之中，利用纜繩、滑輪、電機的配合，使重物在上下移動過程中實現(xiàn)重力勢能和電能之間的有效轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)重力儲能效果，改建后的裝置如圖1所示。以典型的1.5 MW風(fēng)機為例[14-16]，關(guān)注風(fēng)機塔筒的高度、承重等性能，分析改建重力儲能的潛力。

2.1" 風(fēng)機塔筒參數(shù)

1.5 MW風(fēng)機的塔筒通常采用錐筒式變截面設(shè)計，總高度典型值為75 m。塔筒分為3段，每段塔筒之間通過對接法蘭采用螺栓連接，最上位置直徑取2.5 m，最下位置直徑取4.5 m。塔筒上方安裝機艙、輪轂與葉片，總質(zhì)量典型值取100 t，其中機艙（含發(fā)電機、變速箱等）質(zhì)量取60 t，輪轂與葉片質(zhì)量取40 t，機艙尺寸典型值取8 m×4 m×4 m。

2.2" 風(fēng)機塔筒參數(shù)

參考構(gòu)筑物和地下豎井形式的重力儲能，穩(wěn)定儲/釋能過程中的功率與容量計算公式如下

P=mgν ，" （1）

E=mgh ， （2）

式中：P為儲能功率，E為儲能系統(tǒng)容量，m為重物質(zhì)量，g為重力加速度，ν為重物設(shè)定移動速度，h為重物移動距離。

由公式（1）和（2）可知，重力儲能的功率和容量主要與重物質(zhì)量、移動高度和設(shè)定速度有關(guān)，其中設(shè)定速度取決于儲能時長的選擇，由下式計算

ν= ， （3）

式中：tES為儲能時長。一般儲能時長和設(shè)定速度可在一定范圍內(nèi)靈活選擇，是重力儲能的優(yōu)勢之一。

此外，考慮到儲能的啟動過程對響應(yīng)時間有一定要求，重物存在一定的加速度。儲能勻加速啟動的最大瞬時功率由下式計算

Pmax=mν（g+a） ， （4）

式中：Pmax為最大瞬時功率;a為加速度，可由設(shè)定速度和響應(yīng)時間計算

a= ， （5）

式中：tRT為響應(yīng)時間。

2.3" 改進潛力分析

1.5 MW風(fēng)機改建重力儲能系統(tǒng)的方法，首先是拆除輪轂與葉片，保留機艙與塔筒，隨后將機艙中的發(fā)電機、變速箱進行改造，改為電動發(fā)電機和絞盤-纜繩-變速系統(tǒng)。預(yù)計改建之后的機艙尺寸保持不變，質(zhì)量將由原來的60 t增加至65 t左右。風(fēng)機在靜止?fàn)顟B(tài)下，塔筒可以承受機艙、輪轂與葉片的總質(zhì)量為100 t，將其改建重力儲能系統(tǒng)之后，仍富余35 t承重能力，可以用于配置固體重物。實際上，在1.5 MW風(fēng)機的設(shè)計建造中，充分考慮了各類極端工況，塔筒承重能力明顯超過靜止?fàn)顟B(tài)下的100 t[17]，但考慮到風(fēng)機改建重力儲能尚無工程應(yīng)用案例，從安全角度保守考慮，配置固體重物仍然按照35 t計算。35 t的固體重物可以采用直徑為2.5 m的圓柱體，便于放置在塔筒之中。若采用鐵塊作為固體重物，圓柱體長度約2.3 m，而采用石塊時，圓柱體長度約5 m。

風(fēng)機塔筒高度為75 m，考慮到重物本身尺寸和上下移動裕量，改建重力儲能系統(tǒng)的移動距離設(shè)定為70 m。由此計算可得，重力儲能系統(tǒng)的儲能容量E=35 000 kg×9.8 m/s2×70 m=6.67 kWh，假設(shè)儲能效率90%[10]，系統(tǒng)可以存儲電量約為6 kWh。選取儲能時長為70 s、設(shè)定速度為1 m/s時，儲能系統(tǒng)的功率P=35 000 kg×9.8 m/s2×1 m/s=343 kW;選取儲能時長為700 s、設(shè)定速度為0.1 m/s時，儲能系統(tǒng)的功率P=34.3 kW，此時電動發(fā)電機的功率和成本可以大幅減小，但重物低速運行時控制難度顯著增加，難以實現(xiàn)功率的平穩(wěn)輸出。因此，一般選擇10 s至10 min級的儲能時長較為合適，電動發(fā)電機的功率也可以結(jié)合原有1.5 MW風(fēng)機發(fā)電機的改造潛力予以綜合考慮。

綜上所述，一臺1.5 MW的老舊風(fēng)機可改建為6.67 kWh的重力儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)功率可以選擇20 kW至2 MW范圍，儲能時長相應(yīng)為20 min至10 s范圍，但綜合考慮改造、控制、安全、成本等因素，選擇范圍內(nèi)適中的功率和時長較為妥當(dāng)。

此外，儲能啟動過程中的響應(yīng)時間和瞬時功率也需要納入考量。對于儲能時長70 s、設(shè)定速度1 m/s的情況，給定儲能的響應(yīng)時間為1 s，則儲能啟動過程的最大功率Pmax=35 000 kg×1 m/s×（9.8 m/s2+1 m/s2）=378 kW。由此可知，電動發(fā)電機在儲能啟動過程中為電動機模式，功率需要達到378 kW以上才能同時滿足響應(yīng)時間需求和儲能功率需求。

3 風(fēng)機塔筒改建重力儲能的經(jīng)濟性分析

3.1 典型案例建設(shè)成本

一般老舊風(fēng)電場有多臺老舊風(fēng)機，可以改建為多個重力儲能子系統(tǒng)的陣列，子系統(tǒng)之間可以通過并聯(lián)或串聯(lián)運行，實現(xiàn)儲能功率放大或儲能時間延長。以10臺1.5 MW老舊風(fēng)機為例，每臺風(fēng)機選取儲能時長20 s，響應(yīng)時間1 s，則儲能功率為1.2 MW，啟動瞬時功率約為1.6 MW，可以對原有風(fēng)機發(fā)電機最大程度改造利用。若10臺儲能系統(tǒng)并聯(lián)同步使用，可以實現(xiàn)12 MW、20 s的儲能效果，支撐120 MW風(fēng)電場的調(diào)頻需求;若10臺儲能系統(tǒng)串聯(lián)接力使用，則可以實現(xiàn)1.2 MW、200 s的儲能效果，支撐12 MW風(fēng)電場的短時調(diào)峰和調(diào)頻需求。

老舊風(fēng)機改建重力儲能系統(tǒng)可節(jié)約機艙、塔筒的拆除費用，并減少新建構(gòu)筑物的建設(shè)支出，新增建設(shè)成本主要來自于新建重物裝置、新建纜繩系統(tǒng)、發(fā)電機改造、變速箱改造和運行控制系統(tǒng)等5部分，見表2。在老舊風(fēng)機拆除費用中，機艙和塔筒的拆除費用占據(jù)主要比例，而新建構(gòu)筑物重力儲能的建設(shè)成本一半左右來自于構(gòu)筑物建設(shè)。由表2可知，風(fēng)機改建重力儲能既節(jié)約了風(fēng)機的拆除費用，又節(jié)省了構(gòu)筑物建設(shè)費用，對發(fā)電機、變速箱的改造使用也降低了建設(shè)成本。另外，風(fēng)機改建重力儲能的建設(shè)成本僅為新建重力儲能的45%，也低于飛輪儲能、超級電容等短時儲能的建設(shè)成本[18]。

3.2 運行成本與儲能收益

風(fēng)機改建重力儲能的運行成本主要來自于效率損失和運維費用。在效率損失方面，重力儲能的效率較高（約90%[10]），相比壓縮空氣儲能（40%～70%[19]）、抽水蓄能（65%～80%[20]），重力儲能的電量損失成本較小。在運維費用方面，重力儲能的鋼纜普遍面臨定期維護更換的費用，塔筒安全也需要定期檢查維護，整體而言與飛輪儲能、超級電容相當(dāng)，在維護得當(dāng)?shù)那闆r下，重力儲能的壽命也可以媲美其他物理儲能形式。

風(fēng)機改建重力儲能的運行收益，主要來自于調(diào)峰調(diào)頻收益和充放電電價政策。值得注意的是，在已有風(fēng)電場中，部分老舊風(fēng)機改建重力儲能，為周圍“以大代小”改建風(fēng)機提供儲能服務(wù)時，具有距離和線路方面的先天優(yōu)勢，既可以節(jié)約線路鋪設(shè)成本，又可以降低線路損失，有效提升整體收益。

總體來看，風(fēng)機改建重力儲能的運行成本適中，運行收益在調(diào)頻政策保障和距離線路優(yōu)勢下，與飛輪儲能等短時儲能形式相當(dāng)或更優(yōu)。在建設(shè)成本較低的情況下，風(fēng)機改建重力儲能的投資回收期要顯著短于其他短時儲能形式。

4" 結(jié)束語

老舊風(fēng)機改建重力儲能可同時解決老舊風(fēng)機退役問題和風(fēng)電儲能需求缺口，是一種具備良好經(jīng)濟社會生態(tài)效益價值的創(chuàng)新路徑。本文提出了一種老舊風(fēng)機改建重力儲能的新路徑，以1.5 MW老舊風(fēng)機為例，通過分析風(fēng)機塔筒、機艙結(jié)構(gòu)及承重能力等相關(guān)參數(shù)可知，該風(fēng)機具備改建為6.67 kWh重力儲能系統(tǒng)的潛力，系統(tǒng)功率可選范圍為20 kW至2 MW，相應(yīng)儲能時長為20 min至10 s，需綜合考慮改造、控制、安全、成本等因素選擇適中的儲能功率和時長。多臺老舊風(fēng)機還可以改建為多個重力儲能子系統(tǒng)陣列，通過并聯(lián)或串聯(lián)運行，實現(xiàn)儲能功率放大或時間延長，支撐調(diào)頻需求或短時調(diào)峰需求。

由經(jīng)濟性分析可知，風(fēng)機改建重力儲能既節(jié)約了老舊風(fēng)機的拆除費用，又節(jié)省了重力儲能的構(gòu)筑物建設(shè)費用，對發(fā)電機、變速箱的改造使用也降低了整體建設(shè)成本。風(fēng)機改建重力儲能的建設(shè)成本低于常見短時儲能形式，運行成本和運行收益相當(dāng)或更優(yōu)，是一種技術(shù)可行、收益較好、節(jié)能環(huán)保、前景廣闊的新型技術(shù)路徑。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（52306050）;陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃（2022JQ-510）;青海省十大國家級科技創(chuàng)新平臺（2023-ZJ-J04）;“籌建多能互補綠色儲能全國重點實驗室”多能互補綠色儲能全國重點實驗室建設(shè)（一期）科技項目（KY-C-2023-CN07）;國家電投集團C類科技項目（KY-C-2023-CN03）;青海黃河公司2024年度員工自主創(chuàng)新項目（無編號）

第一作者簡介：楊倩鵬（1989-），男，博士，高級工程師。研究方向為物理儲能與氫能。

*通信作者：姚爾人（1989-），男，博士，副教授。研究方向為物理儲能與新能源發(fā)電。