大力发展非化石能源、推动绿色用能模式等措施，是实现中国“双碳”目标的关键^[1]。中国能源革命中长期战略目标明确提出，到2030年，非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%，到2050年实现非化石能源消费超过一半^[2]。现阶段，具备规模化开发的可再生清洁能源主要有水能、风能和太阳能。水能开发较早，技术最为成熟，是优质绿色能源。目前，中国常规水电新增开工规模总体放缓，已从快速集中发展进入适度有序阶段^[3-5]。风能、太阳能发展空间巨大，从全球发展趋势来看，增速很快^[6]。2020年12月，中国在气候雄心峰会上宣布，到2030年，中国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上。众所周知，风能和太阳能受自然因素影响很大，突出问题是发电的随机性和间歇性，大规模接入电网后将在电力平衡、电量消纳、稳定控制等方面带来诸多问题，特别是其比重提高后，对电力系统快速灵活调节提出高要求和新挑战^[7-10]。要保障各类波动性电源接入后，电力系统安全稳定运行，存储能量是最有效的解决措施，也是不能忽视的。因此，储能技术已成为当今能源研究最热门的课题之一^[11-15]。

储能涉及领域非常广泛，依据能量的存储方式，大致可分为物理储能、化学储能、电磁储能和储热等。化学储能主要有各种电池类的电化学储能、氢储能等。电化学储能可满足多样化的场景需求，但需面对安全风险、环境污染、运营成本等难以回避的问题；氢储能适用于大规模储能和长周期能量调节，但目前仍处于示范应用阶段。电磁储能，如超导电磁、超级电容器等，能量密度较低且成本高。储热技术在电供暖、电供热、工业供热、太阳能光热储能系统等特定应用领域有较好的市场价值。物理储能主要有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等，相比其他储能方式，具有对环境影响小、安全度高等显著优点。现阶段，压缩空气储能、飞轮储能不太具备大规模商业化应用的条件，因此，抽水蓄能是应用最广泛的大容量储能技术^[16-19]。2021年7月15日，国家发展改革委、国家能源局发文明确“抽水蓄能和新型储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备”^[20]。抽水蓄能电站具备调峰填谷、调频调相、事故备用等功能，目前全球范围内绝大部分的能量存储都是通过抽水蓄能的方式实现的。客观地说，尽管抽水蓄能建设周期较长且成本较高，但其在存储容量规模、技术成熟度、使用寿命等诸多方面都具有明显的技术优势。近年来，中国抽水蓄能产业高速发展，在应用水头、单机容量及机组研制技术等方面均处于世界一流水平，抽水蓄能电站已成为中国电网储能的主体^[21-25]。当然，开发抽水蓄能电站需要有适宜的地理条件和水资源，一定程度上限制了抽水蓄能技术的应用^[26-27]。

近年来，基于抽水蓄能基本原理，国外有一些重力储能新型技术的研究报道^[28-30]。重力储能即通过输运提升重物，从而把富裕电能转换、存储为重物的势能。为降低抽水蓄能电站的高度、方便工程布置，有学者提出改进方案，即活塞式重力储能技术^[31-36]。该技术保留抽水蓄能机组，水体不直接蓄能，而是利用重物活塞储能。此外，苏格兰创业公司Gravitricity、瑞士能源库公司Energy Vault和奥地利研究机构国际应用系统分析研究所（IIASA）报道的重力储能发电方案不涉及水体，而是把储能介质换成固体重物，如沙子、岩石、混凝土块等类似加重材料^[37-46]。目前，国内相关的学术研究资料还很少，主要为依托山体储能发电的研究报道^[47-52]，以及一些重力储能发电方面的公开专利^[53-60]。重力储能电站选址灵活，可以利用荒地、山地等空闲空间，避开农业、生态用地，在一定程度上能够摆脱对地理条件的限制，具有重要价值；但作为一种具有潜力的绿色储能方式，重力储能发电还处于探索、发展阶段。因此，有必要开展广泛的科学论证和技术分析。

在追踪、剖析国外重力储能发电发展现状的基础上，本文类比抽水蓄能技术，提出重力储能发电的初步构想方案；通过分析重力储能发电合理的净高差和重物运行规模，对单机容量、发电效率等核心指标开展可行性探讨和理论测算；通过引入“重力轮机”“上仓”与“下仓”等概念，探讨重物势能转化为旋转机械能、上下仓布置形式及重物输送系统等关键科学问题，并重点阐述相关核心技术及探索方向，初步提出重力储能发电研究构想。希望通过研讨，引起对重力储能发电技术的关注，推动各学科交叉合作，开展系统研究，为未来中国重力储能发电发展提供理论基础与技术支撑。

1.   重力储能发电现状分析

重力储能发电的基本原理与抽水蓄能技术类似，储能和发电的基本过程为：利用富裕电力提升重物，存储势能；在需要时通过释放重物的势能，经转换带动发电机发电。根据国外目前相关资料报道，主要有活塞式重力储能、悬挂式重力储能、混凝土砌块储能塔和山地重力储能4种重力储能发电技术。

美国加州Gravity Power公司^[31]提出的活塞式重力储能基于抽水蓄能机组，利用竖井内的重物活塞替代水体进行储能，如图1所示。电力富裕时，由水泵水轮机抽水加压，提升重物活塞，存储能量，即水体不直接蓄能；发电时，重物活塞下落，其势能传递给水流，由水泵水轮机转换为机械能带动发电机工作。由于重物的密度比水大，在相同高差条件下可以提高发电水头，增大能量密度；也就是说，与相同势能的抽水蓄能电站相比，活塞式重力储能发电技术可降低建设高度，减少对地理条件和水资源的依赖，便于电站选址和布置。该技术方案保留了抽水蓄能机组核心设备，抽水、发电的水泵水轮机技术成熟，效率较高，具有独特优势。但重物活塞和竖井有些技术问题需要探讨，如：技术经济可行的尺寸规模，二者之间的密封方案等，有待关注后续研究进展。目前来看，活塞式重力储能的容量有限，可能适合一些小型、短时的储能。

图  1  活塞式重力储能^[31]

Fig.  1  Piston gravity energy storage^[31]

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Gravitricity公司^[37-40]应用悬挂式重力储能技术，计划在爱丁堡利斯港建造一座250 kW的重力储能先导电厂，存储当地多余的电力能源。工程主要拟利用废弃钻井平台和矿井，采用500～5 000 t重的钻机作为重物，通过在150～1 500 m长的钻井中重复吊起与放下钻机，实现电能的存储与释放。电能富裕时，通过电动绞盘将钻机拉到废弃矿井上方，把电能存储为重物势能；需要发电时，通过让钻机落下驱动发电机发电，如图2所示。

图  2  Gravitricity公司重力储能电厂^[37]

Fig.  2  Gravity power plant by Gravitricity ^[37]

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Gravitricity公司认为，先进的绞车和控制系统可使其具有足够的灵活性，能在1 s之内快速响应，满足电网调峰需求。Thomas等^[41]介绍了利用悬挂重物进行储能和发电的技术方案，并探讨了应用该项技术对废弃深矿井进行改造的潜力。由于一台机组只用一个重物循环工作，相应的储能总量、持续发电时间都很受限制。

Energy Vault公司^[42-44]提出以混凝土砌块储能塔为基础的重力储能发电方案，如图3所示。

图  3  Energy Vault公司混凝土砌块储能塔^[42,44]

Fig.  3  Energy storage tower with concrete block by Energy Vault^[42,44]

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据称，该项目可运行长达30～40 a，成本将是现有电网规模电池储能解决方案成本的一半。电力充裕时，起重机将混凝土砌块从地上吊起，像积木一样往高处堆放，将能量转化为混凝土砌块塔的势能，也就是储能阶段；需要发电时，将混凝土砌块依次落下，释放重物势能，并转化为电能。混凝土砌块塔看起来是比较简单的储能方式，但主要存在以下问题：由于循环上下起吊重块，整个“塔”不是固定的，属于一种变动结构，其稳定性、可靠性、安全性等需要仔细设计；考虑到自身结构特征，单个混凝土储能塔的规模可能不大且储能容量受限。另外，从塔底到塔顶位置各个混凝土砌块存储的势能不同，关于如何设计吊运、堆放及能量转换，以及能否实现预想效果等问题，没有相关技术报道。Energy Vault公司表示，已与印度塔塔电力公司达成协议，部署容量为35 MW·h的储能系统，可在2.9 s内让系统发出电力，峰值功率4 MW，值得进一步关注后续开发进展。

IIASA研究所^[45-46]提出的山地重力储能（MGES），主要利用陡峭山区的地势，通过砂石的势能储能，如图4所示。电力富裕时，应用类似于滑雪缆车的电动系统将装满砂石的容器提升到山顶存放；用电高峰时，依靠重力将砂石从上顶运回地面，通过释放砂石势能发电。该研究所认为，山地重力储能系统是一种比锂电池储能系统持续时间更长、规模更大的储能方式。山地重力储能看似简单、易行，但所应用的缆车系统效率不易提高，储能发电系统的综合效益可能不理想，相关技术方案还有待发展。

图  4  山地重力储能^[46]

Fig.  4  Mountain gravity energy storage^[46]

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2.   重力储能发电技术探讨

类比抽水蓄能技术，本文构想的重力储能发电方案见图5。把流体“水”替换成固体“重物”，上下“库”改换为上下“仓”，“抽水蓄能机组”变为“重力储能机组”。当电网低谷、电力过剩时，由输送系统（吊车、传送设备等），把下仓重物提升至位置较高的上仓，将富余电能转化为重物的势能存储待用；用电高峰及电力供给不足时，重物依次落下，把上仓重物势能转换为机械能及电能，即通过“电能→机械能→重物势能→机械能→电能”，实现电量存储和循环利用。

图  5  重力储能发电构想方案

Fig.  5  Conceptual scheme of gravity energy storage

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2.1   重力发电理论容量

参与电力系统调节的储能电站需具备一定装机规模，容量太小应用场景必然受限；另外，储能、发电等效率是储能技术的核心指标，综合效率低就失去商业开发的价值。因此，要研究、发展重力储能发电技术，首先需要探明在一定技术经济条件下的理论发电容量及能量转换效率的可能水平。类比水力发电出力基本公式，本文从理论上探讨重力发电的规模及效率问题。

抽水蓄能电站发电工况也即水力发电过程，是先由水轮机（多采用抽水、发电双向的水泵水轮机）将水能（动能和势能）转换为旋转机械能，水轮机出力公式为：

式中：P为水轮机的出力，kW； $ Q $ 为流量，m³/s，水的密度取1000 kg/m³，故将水流体积流量 $ Q $ 换成质量流量 $ {m_{\rm{w}}} $ 计算时，对应的单位为t/s；H为水头，m； $ \eta $ 为水轮机的效率，水泵水轮机发电工况的效率一般略低于常规水轮机，最高效率约为93%。

本文构想方案的重力发电机组包括重力轮机和发电机。类似地，重力发电时，为利用成熟的发电机技术，需先把重物势能转换为旋转机械能。设重物质量为 $ {M_g} $ ，从上仓下落，运行至下仓，利用的净高差为 $ \Delta Z = {Z_1} - {Z_2} $ ，则此过程中释放的能量为：

考虑输送系统的便利性、高效性，重物宜为规格相同的标准件。设计重物依次间隔落下，净高差相等。同时，设计末端重物脱离工作、回到下仓的同时，首部重物离开上仓，投入工作，即保持势能转化的连续性。设每个重物投入工作的间隔时间为 $ t $ ，引入质量流量参数 $ {m_g} = {{{M_g}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{M_g}} t}} \right. } t} $ ，可以导出重力轮机出力 $ {P_g} $ 的公式为：

式中， $ {\eta _g} $ 定义为重力轮机的效率， $ {m_g} $ 、 $ {P_g} $ 的单位分别为t/s、kW。

对比抽水蓄能与重力轮机的出力公式，分析如下：

1）目前，抽水蓄能最大的单机容量在美国巴斯县抽水蓄能电站，为500 MW，发电设计水头329 m，引用流量约200 m³/s。当前，大中型抽水蓄能机组水头都比较高，单机发电引用流量一般为每秒几十立方米，对应的质量流量为每秒几十吨。重物容重比水大，如：一般混凝土密度约为2400 kg/m³，配钢筋、石块等材料后，可达水容重的2.5倍左右；若单个标准重物按1 m³设计，重量约2.5 t。考虑每秒输送几个标准重物发电，即每秒投入十多吨重物运行在理论上可行，技术上应能够实现。初略推算，认为重物质量流量达不到抽水蓄能机组引用流量的量级。

2）大型抽水蓄能电站水头集中在200～800 m，浙江长龙山抽水蓄能电站最大发电水头756 m，目前为中国第一、世界第二。综合考虑存放重物的上下仓布置形式、结构设计、工程建设及场地布置，结合起吊设备、输送系统等因素，初步构想：重力储能电站技术可行的、经济合理的净高差 $ \Delta Z $ ，一般情况下可按100 m左右设计，也就是说，重力储能发电的应用高差小于抽水蓄能电站的发电水头。

3）由于水泵水轮机水力设计成熟，效率较高，而重力轮机仅为技术构想，最高效率按照80%预估。直接应用成熟的发电机技术，发电机的效率应该相当。因此，重力储能发电的总效率预计比抽水蓄能机组低。

通过上述理论、技术上的大致对比，表明重力储能电站单机容量量级低于抽水蓄能，估计最大单机容量10 MW可行，二者发电工况对比见表1。

目前，仅从现有技术条件考虑，提供重力储能电站单机量级大致可能的水平。考虑到重力储能受选址条件的限制小，也就是说，重力储能发电单机容量不大，但“总量”空间较大。

2.2   技术构想及关键问题

重力储能发电原理简单，如果不考虑效率指标、调节性能等，仅为小型重物发电是容易实现的。但要实现规模化、产业化开发重力储能电站，可以预见面临的技术难题还很多，目前，还没有看到商业运行的工程案例。结合现有技术条件水平，对重力储能发电提出技术构想和关键问题。

1）重力轮机

研制重物势能转化为机械能的设备是重力储能发电的核心技术。开发电网储能级别的重力储能电站需要一定的容量规模，如：持续每秒投运数吨以上的重物，且势能转化为机械能过程中保持较高效率（80%以上）。因此，如何稳定、高效运行是需要解决的关键技术和难题。

本文提出重力轮机的技术构想，源于两个方面的考虑：一方面，重物势能首先转化为机械能，且宜为旋转机械能，以方便利用成熟的发电机技术设备；另一方面，作为储能电站需要响应快、调节灵敏。因此，结合机械原理，借鉴水泵水轮机，提出重力轮机概念应是一个可行的思路。可进一步考虑：可否采用齿轮传动、皮带轮传动、钢缆传动等，实现持续把重物势能转换为旋转机械能。另外，应考虑上仓重物投入运行时间间隔可控，也即可根据需要，灵活调节发电出力；与上仓投运相对应，重物脱离重力轮机，运回下仓，需要控制平稳、有序，该调控过程需要结合重力轮机的方案设计统一研究。上述各方面涉及机械工程应用领域，还需要进一步细化方案、攻关技术。

此外，还有与发电机的连接问题。设计重力轮机输出适宜转速的旋转机械能，这样可以方便利用现有的发电机设备。与水电站等发电站类似，二者可以通过轴系或其他传动方式连接，这方面技术成熟，不难实现。

2）上下仓布置形式

上下仓布置形式直接影响重力储能电站的土地占用、空间利用等情况，需重点研究、规划方案。重力储能电站上仓、下仓布置形式可以参考抽水蓄能电站的上库、下库分别布置在高、低位置，同时还需要研究其他布置方式。按照前述估算分析，对于10 MW机组需每秒投入十多吨重物，总体积约几立方米；若持续满额发电时间按1 h考虑，上下仓分别需要的理论存放空间约为一万多立方米。另外，仓内重物输送系统还需占用空间，实际需要空间必然更大。也就是说，重力储能电站上下仓分别高位、低位独立布置使得占地较大，可能在一些山地区域较适合。由于重物存放较为灵活，针对充分利用上下仓之间的空间的问题，Energy Vault公司设计的混凝土储能塔为上下仓一体形式，能够节省占地面积，但需要解决吊运准确、结构可靠等问题，可以作为进一步研究的参考方案。

重力储能电站选址灵活，设计经济合理的上下仓布置形式，需要结合实际情况，设计适宜地理条件的方案。另外，上下仓布置形式会影响重力轮机及输送系统的研发方向，可以统筹研讨、论证。

3）重物输送系统

若上下仓分别高位、低位独立布置，重物输送系统涉及下仓吊运至上仓，以及上仓和下仓内的输运。若上下仓设计为一体化，低位到高位吊运可统一归入仓内输送系统。

目前，单纯重物吊运技术成熟，各类起吊、传送设备可供选用，可以直接利用现有装备进行专门设计。储能电站需要在电力过剩或电网低负荷时，及时、高效存储合适的能量。抽水蓄能电站需要设计匹配的抽水能力，类似地，重力储能电站吊运设备的输送能力也需要匹配设计。目前，抽水蓄能电站多采用抽水/发电双向运行的可逆式机组，可减小工程布置规模，节省投资，降低成本，因此，重力储能电站能否采用该技术思路也可以参考借鉴。

按照目前技术水平，单纯仓内输送并不困难，每秒运输十多吨重物的系统设计（如轨道、滑道等）应该可以实现；但运输能耗情况、能达到的水平，值得仔细考察。输送能耗是影响系统综合效率的主要因素，直接关系重力储能发电的商业价值。如何实现高效输送，尽量减少耗电，还需要开展系统深入的研究。

重物输送系统可以借鉴工业、工程领域相关设计思路和应用技术，开展广泛的技术研讨，探寻安全、高效、切实可行的方案。

4）重物

重力储能电站的重物数量较大，涉及以下主要问题需要探讨、论证：一是，重物材料及来源。综合考虑各因素，认为采用混凝土为主材较为合适。专门为重力储能电站大量新加工混凝土不经济，也不环保。应该尽量利用已有废弃材料或就地取材，如建筑垃圾、砂石等，以降低对环境的不利影响，还能大幅降低成本。另外，在风力发电站附近，将现场处理、加工废弃的风机作为重物，也是一种可选择的方式。二是，从方便重物输送系统设计、提高效率的角度，重物采用规格相同的标准件较为合理，同时加工也最为方便，有利于降低重物成本。三是，重物的结构强度。在能量存储、转化的整个输送过程中，重物处于运动状态，结构可靠性将直接影响机组运行和电力生产安全。另外，重物可循环使用，保证足够的结构强度，可减小磨损、延长寿命，降低重物维护费用。

2.3   重力储能发电的优势

与其他储能技术相比，重力储能发电具备下述显著优势：

1）纯物理储能、安全性高、环境友好。在重物输送、势能储存、机械能发电等工作流程中，不涉及化学反应，运行安全可靠。重力储能发电清洁低碳，对自然环境影响小。当然，需注意：严格控制重物加工过程对环境的影响，解决好加工工艺及材料问题，比如，尽量利用建筑垃圾等再生材料，或者就地取材，符合可持续、绿色发展理念。

2）强环境适应性，可以根据需要灵活布置，适宜“分布式”储能。重物的存储、输送及发电过程没有特殊条件和要求，因此，重力储能电站基本无选址、天气等外部条件限制，应用很灵活。除了用电负荷集中的区域，在风能、太阳能及核能等发电站附近也可以配置重力储能电站，可以实现按电力系统的需求在电网侧、电源侧灵活布局。抽水蓄能站点规划需要有适宜的地理条件和水资源为基础，充分利用重力储能电站布置便利的优势可以形成互补，以支撑大规模分布式、波动性电源的接入，保障电网运行稳定、安全，也有利于提升电力系统的整体效益。

3）储能发电循环寿命长、成本低。重物以混凝土或当地材料为主材，或者利用其他再生材料，能循环使用数十年，运行过程中重物损耗小。若取材利用合适，重物成本可以大大降低。可以预见，技术发展成熟后，重力储能发电的成本有望处于相对较低的水平。

4）储能时间长且无自放电问题。重力储能电站上下仓扩展相对容易，重物势能储存期间不会有损失，具备长时间储能的便利条件和先天优势。

综上可知，重力储能发电有潜力成为电力系统“理想”的新型储能方式，有较好的研发价值，应用前景广阔。

3.   结　论

绿色、环保、安全是实现储能技术可持续发展的前提条件，布置灵活、场景适应性强有利于响应电力系统需求、提升产业价值。按照目前电力系统储能发展趋势，抽水蓄能电站将持续保持较高的占比。从长远来看，规模化储能技术必将向多元化方向发展，以满足不同应用场景的需要。重力储能发电具备环境友好、布置灵活、安全度高、寿命长、无自放电等显著优势，国外有相关资料和开发的报道，但国内缺少专门的研讨。

本文类比抽水蓄能发电技术，系统探讨、剖析重力储能发电技术，推导了重力发电的出力公式。通过科学构想和技术分析，推算重力储能发电净高差约为100 m，单机容量最大能达到10 MW级别；提出通过“分布式”规划站点实现灵活的规模化储能，以适应电力系统的发展需求；提出重力轮机、上下仓布置形式、重物输送系统、重物的合理选用等技术构想及关键问题，供后续研究参考。重力储能发电研发价值突出，应用前景广阔，未来有望与其他储能技术形成互补，以支撑新能源体系长远发展。

重力储能发电还处于探索阶段，短时间内还难以实现技术成熟，达到规模化商业开发的水平。本文对相关技术的探讨还比较初略，有待进一步深入、细化，追踪国外重力储能发电研究及开发的动态，推动中国相关领域开展系统研究。