一种工业规模固体蓄能电站方案的研究与探讨

温业盛，李开云，王玉龙，王习琼，曾开智，施春虎

（云南电网有限责任公司临沧供电局 , 临沧 677000 ）

摘要：由于化石燃料的大规模使用，空气中的二氧化碳含量持续上升，全球温度缓慢上升，国家提出了双碳目标，持续推进产业结构和能源结构调整，大力发展可再生能源，可再生能源的大面积接入，给电网的储能提出了严峻的挑战。本文提出了一种新的储能方式-火车搬运金属储能，对提高电网安全稳定运行水平具有一定的工程实践价值。

关键词：储能电站；火车搬运 ；金属储能

0 前言

由于化石燃料的大规模使用，空气中的二氧化碳含量持续增加，全球气候变暖，我们迫切需要改变能源结构，增加清洁能源占比。在清洁能源中，风能和光伏都是很好的能源，但风能受天气影响，光伏受日出日落影响，两者均无法根据负荷实时调节发电出力，新能源必须有自己的储能方式来大规模储存电能^[1-2]。

以保证出力3GW的风电场来说，如果说往后一周，因天气原因无风，每天24小时,一周7天计算,则需要储能电源提供504GWh电量。

1 目前储能技术分析

压缩空气储能作为前期投入较小及不受安装地方限制的储能方式^[3]，有较高的安全系数，使用空气作为工作介质^[4]，需要大量的压缩空气罐或密闭性能好的大空间洞穴，前者占用的空间大，后者可遇而不可求，加上较低的转换效率使得应用规模受限。

化学电池储能作为应用最广泛的小规模储能方式^[5]，使用便利性性及性能都很优秀，但高昂的电池成本及有限的循环次数限制了它的大规模使用^[6]。

抽水蓄能电站作为最成熟的大规模储能方式受到推崇^[7]，但不是哪里都有这么大的上下水库可供使用，在条件受限的地方仍需想其它的方法。

飞轮储能技术主要结构和运行方法已经基本明确^[8]，主要正处于广泛的实验阶段，小型样机已经研制成功并有应用于实际的例子，正向发展大型机的趋势发展，但是却有非常多的难点，转子的设计、磁轴承、功率电子电路、安全及保护特性、机械备份轴承等方面均存在技术问题。

超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。但超级电容器使用中,外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响,运行环境要求高,不便于各个场地进行安装。

2 解决方案

在海拔高差超过1000米的几个地方建设梯级堆场，用于堆放固体工作介质，几个堆场之间用4线重载铁路连接。当电网有功过剩时，动车组消耗电能将下堆场的固体工作介质搬运至上堆场，当电网有功不足时，动车组将固体工作介质从上堆场搬运至下堆场，利用高差电制动再生发电，将电能反馈回电网。

以每节200吨的动车组为例，16节车厢以1m/s的速度下降高度，就有31MW的势能发生转换。

2.1堆场部分

在不同的海拔高度建设梯级堆场，用于堆放工作介质。堆场安装半封闭厂房，出入口供火车进出，房顶安装太阳能光伏场。

工作介质的堆放分两种方式，例如用钢作为工作介质。一是将钢熔铸成特定形状的钢锭，封装在一个20尺集装箱里面，钢锭的重量将达到218吨，装运时用行吊吊运至动车组上，卸运时用行吊吊运至堆场上，这种方式堆场的空间不能充分利用。二是将钢熔铸成钢珠的形状，装运时同大秦线装运煤炭的流程一样，动车组经过时不停车，火车上方的料斗在火车经过时将钢珠下放至车厢里，卸运时打开车厢底部卸货孔，钢珠经轨道空隙进入传送带传送至堆场，这种方式堆场的空间可以得到比较充分的利用。

2.2铁路部分

沿坡度相对合适的地方建设6线重载电气化铁路，每相2线，分别接入牵引站Dyn11牵引变25kV侧的ABC三相，用于储能或发电，使负荷三相平衡，2线即可一上一下，亦可同上同下。

火车使用6轴重载动车组，每节车厢都有6个电机，8节车厢编一组，可好几组串接使用。

2.3工作介质部分

火车搬运金属储能的工作介质应以高密度固体物质为主，可以节省堆场的堆放空间及火车车厢的占用空间。综合考虑工作介质的成本、密度、储备功能，应以钢为主，辅以铜、锌、镍、钨等密度大于7g/cm³的材料。在常用工作介质困难情况下，亦可采用集装箱就地装运砂土的方式。

3 火车搬运金属储能方式优缺点比较分析

3.1 火车搬运金属储能方式的优点

1）储能规模大，可以达到工业级别的储能规模。以江苏金坛盐穴压缩空气储能及惠州抽水蓄能电站为例，江苏金坛盐穴压缩空气储能一期工程储能容量300MWh，惠州抽水蓄能电站能将2800万吨的水提升550米，约42GWh，火车搬运金属储能能将10亿吨或更多的金属提升2000米乃至4000米，约5.4TWh，储能容量大。

2）金属工作介质不受循环次数限制，一次投资，永久使用。

3）同抽水蓄能电站一样，工作介质还有其它用途。抽水蓄能电站的水还可起防洪抗旱的作用，火车搬运金属蓄能电站的金属亦可作为国家或企业的金属储备之用，金属矿石供应紧张时释放库存，充裕时补充库存。

4）储能系统出现故障时安全系数较高。火车搬运金属蓄能电站工作区段远离人口密集区，堆场内无可燃物，当储能系统发生故障，能量外泄，不易引起连锁能量外泄或起火爆炸等次生灾害。

3.2 火车搬运金属储能方式的缺点

1. 投资大，同抽水蓄能电站一样，前期需要投入大量投资，堆场的建设、铁路的建设、工作介质的储备都要投入大量的资金。

2. 选址受限，抽水蓄能电站选址需要容量大的上下水库，火车搬运金属储能电站需要占地面积大的上下堆场，还要有适合建设铁路的线路。

3. 易受极端天气影响。在遭遇极端天气时，火车将无法通行。

4. 响应速度慢，化学电池储能可以达到极快的响应速度，火车搬运金属储能由于搬运工作介质、火车进入工作区段都需要时间，无法快速响应。

5. 转换效率相对较低，由于工作介质是固体，存在固体的装卸损耗、滚动摩擦力与机械能相互转换损耗（或采用非接触永磁轨道）、动车组内电能多次转换的损耗。

6. 运行检修维护成本高，相对于其它储能方式，需要多维护堆场的行吊及长距离的铁路、接触网等，运维成本上升。

4 结论

综上所述，火车搬运金属储能电站有明显的优点及缺点，应因地制宜配合其它储能方式一起使用，化学电池储能、压缩空气储能、飞轮储能担负瞬时、短时负荷调节，抽水蓄能、超级电容器担负中时负荷调节，火车搬运金属储能担负长时负荷调节，以达到最佳的调节效果。

参考文献：

[1]宛士春,杨立常.研发固体荷载升位蓄能电站的理论分析[J].水电与新能源,2019,33(11):27-31.

[2]任刚,张鑫,候录江,李国宾,龙福海.蓄能电站500kV线路重合闸失败原因分析[J].水电站机电技术,2016,39(12):49-51.

[3]梁金亮.压缩空气储能发电调节系统在新能源项目中的应用[J].中国高新科技,2021(22):137-138.

[4]文贤馗,李翔,邓彤天,钟晶亮,王锁斌,刘石.先进压缩空气储能系统的余热回收和利用[J].中国电力,2022,55(02):28-34.

[5]张坤,彭勃,郭姣姣,王玉平.化学储能技术在大规模储能领域中的应用现状与前景分析[J].电力电容器与无功补偿,2016,37(02):54-59+66.

[6]杨裕生,彭科峰. 化学储能在可再生能源中大有可为[N]. 中国科学报,2017-08-30(001).

[7]唐健,周建中,胡志平,许颜贺.抽水蓄能电站水冷式通风空调系统运行优化与能效评价[J].水电能源科学,2022,40(03):208-210+207.

[8]刘文军,贾东强,曾昊旻,肖浩,朱晋,邱远军.飞轮储能系统的发展与工程应用现状[J].微特电机,2021,49(12):52-58.

作者简介：

温业盛（1982-），男，云南电网有限责任公司临沧供电局，从事继电保护检修作业，工程师，云南省临沧市临翔区南天路991号。（E-mail）598218662@qq.com；

李开云（1995-），男，云南电网有限责任公司临沧供电局，从事继电保护检修作业，助理工程师，云南省临沧市临翔区南天路991号。（E-mail）kaivoyun@163.com。

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