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利用重力储存能量,可行吗?

2021-05-06 Bill Schweber 阅读:
储能方案有很多种,包括电化学电池、超级电容器储能、飞轮储能、电解制氢储能、可逆盐态储能(reversible salt state),以及压缩空气和抽水储能。但这些储能方式都很难达到电网级储能量。许多现有的大型电网储能设施都利用水库进行储能......

工程师都知道大型能源系统包含三个主要部分:能源产生、存储和传输。每个部分都有其独一无二的特性,这些特性常常会重叠并相互影响。然而,能源储存还迫切需要一些可行的解决方案,尤其是当间歇再生的能源(例如风能和太阳能)无法立即使用时,就需要将它们存储起来,以免浪费。IS1ednc

储能方案有很多种,包括电化学电池、超级电容器储能、飞轮储能、电解制氢储能、可逆盐态储能(reversible salt state),以及压缩空气和抽水储能。在这些储能方式中,没有哪一种是最好的,每种技术都因为不同原因而各有利弊,原因包括尺寸、规模(存储几千瓦跟存储千兆瓦甚至兆瓦都是不同的)、可用空间和安全问题等等。长话短说:这些储能方式都很难达到电网级储能量。IS1ednc

许多现有的大型电网储能设施都利用水库进行储能,存储能量时将水抽到高处,需要时再利用水流下的势能发电。这个原理很简单,但是这样的方案需要两个足够大的大型水库,且水库之间必须有足够的垂直距离。IS1ednc

还有一些替代方案处于制作原型和试运行等阶段。一些是纯机械,不使用水的;一些是使用水的,但与传统的双水库技术又不同。IS1ednc

瑞士Energy Vault公司提供了一种全机械系统,通过自动化地堆叠和拆卸总重量达35吨(一吨是1,000公斤,约2,200磅)的砌块进行储能,整个系统使用六个起重机臂,安装在一个空旷区域(图1)。这种复杂的系统使用先进的算法来决定在哪里堆叠、堆叠什么、以及最佳的堆叠顺序。系统必须解决的问题包括:在砌块和起重机移动时风的影响、摆锤效应、缆绳拉伸,以及如何通过调整砌块的“空投”顺序来保持恒定输出。Energy Vault公司称该系统是模块化的,存储容量范围为20~80MWh,4~8MW放电能够持续8~16小时。Energy Vault正在瑞士Ticino州搭建一个110米高的大型展示系统。IS1ednc

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图1:Energy Vault的储能系统使用了六个起重机,可自动进行砌块的堆叠和拆卸。(图片来源:Energy Vault)IS1ednc

与Energy Vault露天堆砌重物的方案相比,Gravitricity的系统将500到5,000吨的单个重物悬挂在各自的竖井中(图2)。每个重物都有一个绞盘,用来拉起或释放重物,释放重物时即可为发电机供能。该公司称每个系统可产生1~20MW的峰值功率,并持续输出15分钟至8小时。他们目前正在苏格兰建造和测试一个使用25吨重物、输出250kW额定功率的展示系统。IS1ednc

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图2:Gravitricity的储能系统可悬挂500至5,000吨单个重物,每个竖井中只有一个重物。(图片来源:Gravitricity)IS1ednc

New Energy Let’s Go的方案则使用重物和水。他们的系统是将一块巨大的岩石放置在可移动的活塞上,由电动泵和液压系统将水压入岩石下方并使岩石上升而存储能量(图3)。需要释放能量时,岩石下的水通过高压输送进涡轮机和发电机。这个系统的储能容量据称在1至10GWh之间。IS1ednc

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图3:New Energy Let’s Go的储能系统使用重物和水,并将重物放置在可移动活塞上。(图片来源:New Energy Let’s Go)IS1ednc

Gravity Power提供的方案也使用水。在该系统中,一个大型活塞被悬吊在装满水的竖井中,活塞采用滑动密封设计来防止漏水,另外还有一个回水管连接到地面的水泵涡轮机(图4)。当系统开始工作时,竖井中会立刻蓄满水,随后密封,工作过程中不需要另外加水。需要存储能量时,电动机/发电机泵将水通过回水管压进竖井,使活塞向上移动。发电时,活塞下降,将竖井中的水从回水管压回,并通过涡轮驱动电动机/发电机。Gravity Power公司表示每个竖井的存储能量可达数百MWh。目前巴伐利亚州Weilheim市正在建设一个兆瓦级的展示工厂。IS1ednc

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图4:Gravity Power的储能方法是利用大型活塞在一个闭环中的运动,闭环由一个充满水的竖井和一个回水管组成。(图片来源:Gravity Power)IS1ednc

这些设计中的一个重要考量是它们要能够瞬间将输出拉满。在许多电网应用中,当源和负载都无法预测时,这是非常有用的。IS1ednc

这些方法都需要从外形尺寸、选址、复杂性、成本、可靠性和容量,以及主观或客观存在的安全问题等各个方面,做出一些取舍。找出其中最好的一种方案会很有意思,这取决于很多因素,包括地点、功率水平、当地成本、能源需求和替代方案等,但也有可能它们都会成功。IS1ednc

没有任何数据支撑,单凭“直觉”,我对多个起重机的方案持怀疑态度,因为它看起来太复杂,又暴露在室外,并且需要最复杂的管理和算法。不过话又说回来,我在预测USB端口时就马失前蹄,我当时认为:“谁需要这个啊?我们已经有足够的输入/输出转换方案了。”然而很明显USB现在已经得到了广泛使用。IS1ednc

对于这些电网级储能方案,你认为它们能够投入大规模应用吗?这些方案是否可以有效替代电池储能电站(Battery Farm)、水库、压缩空气,以及其他在用或计划中的方案?IS1ednc

(本文授权编译自EDN美国版,原文参考链接:Using gravity for energy storage: viable idea or impractical?,由Jenny Liao编译。)IS1ednc

本文为《电子技术设计》2021年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里IS1ednc

责编:Jenny LiaoIS1ednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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