固体重力储能系统往返效率的理论评估与多方案对比分析

《Journal of Intelligent Construction》：Theoretical Evaluation of Round-Trip Efficiency of Solid Gravity Energy Storage Systems

为解决固体重力储能(SGES)技术缺乏系统性能效对比研究的问题，研究人员开展了不同SGES系统往返效率的理论评估研究。通过建立物理模型推导理论方程，分析关键影响因素，揭示MGES（山地重力储能）、UCES（地下洞穴储能）和SBES（建筑结构储能）三大类技术的效率特性（最高可达90%以上），为规模化应用提供理论依据。

　　

随着风电、光伏等间歇性可再生能源装机容量的快速提升，电网对大规模储能技术的需求日益迫切。抽水蓄能(PSH)作为当前主流技术受地理条件限制严重，而新兴的固体重力储能(SGES)技术通过提升/下降固体质量块实现势能与电能的转换，具有环境适应性广、成本低、安全性高等优势。然而，面对MGES（山地重力储能）、UCES（地下洞穴储能）和SBES（建筑结构储能）等不同技术路线，业界缺乏系统性的效率对比评估，制约了技术选型和优化方向。

为填补这一空白，发表于《Journal of Intelligent Construction》的研究首次建立了三类SGES技术的统一理论框架。研究团队通过简化物理模型推导出往返效率(round-trip efficiency)的计算方程，并对关键参数进行敏感性分析。结果表明，在典型工况下，除活塞式储能(PES)受水力机械效率限制（η₃≈75%）外，其他SGES技术理论效率均可达90%以上，其中塔吊储能(TES)和固定轴储能(FES)因滑轮组摩擦损耗显著，需重点优化传动系统；而矿车储能(MES)的效率与斜坡角度呈正相关，15°以上坡度可实现高效运行。

关键技术方法包括：

1. 1.
   基于能量守恒定律建立充电效率(η₁)和放电效率(η₂)的通用计算公式η₃=η₁·η₂；
2. 2.
   针对6种子系统（TES/WES/MES/SES/FES/PES）分别构建物理模型，量化钢丝绳势能变化(E₂)、滑轮摩擦损耗(E₃)等关键能量损失项；
3. 3.
   采用单因素敏感性分析，评估摩擦系数(μ_b)、传动效率(e_chain/e_cable)等参数对效率的影响幅度。

2.1 SBES（建筑结构储能）

• •
  TES（塔吊储能）：四滑轮系统模型中，钢丝绳自重(E_2t=8ρ_sπr_s²hg(H-h/2))和滑轮摩擦(E_3t=(16+√2)μ_b(m+M)gh)是主要损耗。敏感性分析显示，滑轮摩擦系数每增加0.01，效率下降6.2%；质量块超过8吨后效率提升趋缓。
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  WES（仓库储能）：导轨摩擦损耗(E_2w=μ_2wmgl)占主导，链传动效率每提升1%可带来1.7%的效率增益。

2.2 MGES（山地重力储能）

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  MES（矿车储能）：斜坡倾角β与效率正相关，链传动效率每提高1%可提升效率2.4%，而滚动摩擦系数μ₂每增加0.01会导致效率降低1.7%。
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  SES（缆车储能）：缆绳传动效率(e_cable)是唯一影响因素，效率模型简化为η₃=e_cable²e₁e₂。

2.3 UCES（地下洞穴储能）

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  FES（固定轴储能）：单滑轮系统摩擦损耗(E_3s=√2μ_bmgh)对效率影响显著，摩擦系数每增加0.01效率下降约2%。
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  PES（活塞储能）：水泵效率(e₃)和水力发电机效率(e₄)是核心限制因素，活塞阻力每增加10⁶N效率仅降低0.75%。

研究结论表明，SGES技术通过简单的势能-电能转换机制可实现高效储能，但实际效率受传动系统精度、地理适应性及设备维护水平制约。SBES适合模块化分布式场景但容量有限，MGES在陡坡地形中优势明显，UCES则依赖地质条件且对结构强度要求高。该研究为不同应用场景下技术选型提供了量化依据，推动重力储能向标准化、高效化方向发展。未来需重点优化传动部件耐磨性、提升水力机械效率，并通过示范工程验证理论模型的实用性。