综述：可靠的引力能量储存技术：对当前技术水平、发展趋势以及在沙漠地区应用前景的全面综述

《Journal of Energy Storage》：Solid gravitational energy storage technology: A comprehensive review of current status, development trends, and application prospects in desert regions

SGES技术因高地理适应性和环保性成为沙漠可再生能源基地的重要储能方案，但相关研究尚缺乏系统性总结。本文通过文献计量分析及多系统对比，筛选出塔式、井式、地下式和直线电机式四种适沙漠应用的技术方案，并针对结构可靠性、基础稳定性、防风沙等挑战提出链传动、复合地基强化、协同控制等优化路径，最终构建了从关键技术验证到电网融合的研究路线图。

　　

徐瑞宗|黄欣|谢良福|金国龙

同济大学岩土工程系，上海，200092，中国

摘要

固体重力储能（SGES）技术因其高度的地理适应性和环境友好性而在新能源领域受到了广泛关注。它被视为未来低碳转型中一种有前景的储能解决方案。随着基于沙漠的可再生能源基地的逐步发展，对储能设施的需求变得迫切。在这方面，SGES在适应极端沙漠环境方面显示出巨大潜力。本研究通过文献计量分析发现，尽管关于SGES的一般性研究正在迅速增长，但专门针对其在沙漠场景中应用的研究仍处于起步阶段，并缺乏系统的总结。本文系统地回顾了现有的SGES技术，通过比较它们在极端环境条件下的性能，确定了四种适合沙漠应用的系统：塔式（T-SGES）、竖井式（S-SGES）、地下式（U-SGES）和线性电动机式（LEM-SGES）。研究进一步指出，这些系统在沙漠环境中面临多重技术挑战，包括结构可靠性、基础稳定性以及抗风和抗沙能力。因此，提出了针对性的优化措施，如链条传动、复合基础加固和协同控制。最后，本文概述了一个研究路线图，从关键技术验证和集群协同运行到弱电网集成。本研究旨在推进SGES在集成沙漠风能-太阳能-储能系统中的工程应用，并为沙漠储能的未来发展提供参考。

引言

随着光伏、风能和水能等可再生能源技术的快速发展，储能系统已成为能源系统灵活调度和稳定运行的关键支持[1]。国际能源署预测，到2050年，可再生能源发电量将超过80%。然而，这些能源的间歇性和波动性对电网平衡能力构成了严峻挑战[2]。以光伏和风能为代表的清洁能源受到气象条件和昼夜模式的强烈制约。这导致在发电高峰期出现区域电力过剩，甚至可能引发负电价现象。相反，在非高峰期，供应量则无法满足需求。例如，法国电力传输系统运营商RTE在2024年上半年报告了大约233小时的负电价[3]；芬兰在2024年也经历了约700小时的负电价[4]。这种供需波动不仅削弱了电网稳定性，还凸显了大规模储能技术在能源调节中的战略价值。

由于太阳能资源丰富和地理条件开阔，沙漠和戈壁地区已成为全球光伏和风能发展的战略枢纽。据估计，撒哈拉沙漠的太阳能理论潜力足以满足全球数十倍的能源需求[5]。此外，中国西北部沙漠地区的风能和太阳能装机容量预计将持续扩大[6]。然而，这些地区普遍面临电网建设滞后和可再生能源发电量大幅波动的问题。储能设施的不足直接降低了清洁能源的利用率。例如，智利阿塔卡马沙漠的一个光伏电站因缺乏配套的储能系统而被迫削减发电[2]。在远离沙漠的可再生能源负荷中心建设固体重力储能（SGES）设施涉及高昂的输电线路成本和土地占用。以计划中的北非沙漠光伏输电项目到欧洲为例，跨地中海的高压电缆成本高达每公里数百万美元，远距离输电损耗超过15%[7]。相比之下，在沙漠源头部署储能设施可以显著降低全生命周期的运营和维护成本。

当前主流的储能技术都存在应用限制。电化学储能面临原材料提取造成的生态破坏、循环寿命有限和碳排放高的问题[8]。氢储能受电解效率低、存储成本高和排放挑战的制约[9]。抽水蓄能（PHS）依赖于特定的地形和水源，且建设周期较长[10]。压缩空气储能（CAES）需要盐穴地质条件，而补充燃烧会导致碳排放，这与低碳目标相悖[11]。飞轮储能的能量密度低且成本高[12]。热储能效率低且热量损失大[13]。在沙漠地区，这些技术的地理适应性进一步受限。PHS缺乏必要的水源和高差[10]。CAES和飞轮储能依赖于稳定的地质条件[12]。电化学储能在高温下容易发生热失控[13]。氢气的低温高压储存和运输受到极端温度的影响[14]。热储能在高温环境下会有显著的热量损失[15]。因此，现有技术对地理和环境条件有严格的要求，需要在沙漠地区进行大幅改进才能应用。

相比之下，SGES技术无需消耗燃料，可以利用废弃矿山等现有设施进行改造[1]。它保持了低碳特性，同时表现出更好的环境适应性。这项技术不依赖于特殊的地质条件，应用范围更广[16]。此外，经济评估表明，在沙漠周边地区建设的储能项目的平准化电力成本（LCOE）可能显著低于其他地点[17]。这种本地化模式显著提高了沙漠可再生能源发展的经济可行性。然而，在沙漠地区部署SGES设施需要克服多种严峻的环境挑战。复杂的地形条件、频繁的强风、松散的沙层和极端的干旱气候可能严重限制SGES系统的建设和稳定运行。这些因素影响了其应用效果[18]。

这些因素共同构成了技术实施的现实障碍。基于在沙漠地区应用SGES技术的需求和挑战，本研究通过系统的文献计量和专利分析梳理了技术发展背景和研究热点。在此基础上，全面比较了各种SGES系统的技术特性，以选择适合极端沙漠环境的解决方案。针对选定的系统，深入分析了沙漠环境中面临的关键技术瓶颈，并提出了针对性的优化路径和解决方案。最后，从技术验证、系统集成和并网运行的角度，本文展望了该领域未来的研究方向。这旨在为SGES技术在沙漠地区的工程应用和发展提供参考。

章节片段

重力和沙漠储能文献的文献计量分析

本研究采用文献计量方法系统地回顾了固体重力储能（SGES）和沙漠储能领域的学术文献。分析的关键方面包括出版量趋势、研究热点以及主要国家的科学参与情况。尽管SGES仍是一个新兴领域，对沙漠储能的研究相对有限，但早期的探索性发现为技术选择奠定了基础

现有SGES系统及其在沙漠环境中的适用性分析

随着固体重力储能（SGES）技术从理论设计逐步转向实际工程应用，各种系统展现了不同的特点。为了评估该技术在沙漠地区的适用性，首先需要明确SGES相对于其他储能方法的优势，然后阐明各种SGES系统的工作原理和具体细节。因此，本节进行了比较

关于SGES技术在沙漠地区应用策略的讨论

第3章中的比较分析表明，固体重力储能（SGES）是沙漠部署的一个有前景的解决方案。通过对九种SGES配置的适应性评估，确定T-SGES、U-SGES、S-SGES和LEM-SGES是最合适的选项。然而，它们在沙漠地区的实际应用面临一系列技术挑战。因此，本节总结了这些挑战并提出了针对性的解决方案。

结论

本综述系统地将固体重力储能技术与沙漠环境中的应用挑战结合起来，通过文献计量方法识别了该领域的研究空白，并进一步提出了针对性的解决方案。

研究表明，过去3-5年中，SGES技术已成为国际研究热点，学术出版物和专利申请数量呈快速增长趋势。然而，其在沙漠场景中的应用仍处于

CRediT作者贡献声明

徐瑞宗：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据整理。黄欣：撰写——审阅与编辑、监督、形式分析、概念化。谢良福：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。金国龙：监督、资源协调、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本文得到了新疆维吾尔自治区自然科学基金青年拔尖人才—青年科技创新人才项目（项目编号：2024TSYCCX0001）和国家自然科学基金区域科学基金项目（项目编号：52368052）的支持。