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。
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。
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。
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。
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。
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）
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。
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）
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。
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）
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。
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）
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。
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。
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。
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？
（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。）
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。
责编：Jenny Liao
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