近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種固體重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，可用于在高層城市建筑中儲(chǔ)存可再生能源電力。

該重力儲(chǔ)能系統(tǒng)旨在與安裝在南、東、西墻上的光伏外墻以及小型屋頂風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和鋰離子 (Li-ion) 電池結(jié)合運(yùn)行。

在擬議的配置中，重力系統(tǒng)作為主要儲(chǔ)能單元，而電池僅在電力供應(yīng)嚴(yán)重過(guò)?；蚨倘钡臅r(shí)段用于快速響應(yīng)儲(chǔ)能。該系統(tǒng)利用光伏幕墻和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電力，在充電階段提升豎井內(nèi)的重物。然后在放電階段釋放這些儲(chǔ)存的勢(shì)能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

該系統(tǒng)由電動(dòng)發(fā)電機(jī)組、提升繩索、傳動(dòng)齒輪以及鋼塊或混凝土塊組成，其功能與城市建筑中的傳統(tǒng)電梯類似，運(yùn)行速度也基本相同。

該研究的主要作者穆罕默德·A· 哈桑(Muhammed A. Hassan ) 介紹道：“這種設(shè)計(jì)在技術(shù)上是可行的，并且最近也得到了商業(yè)驗(yàn)證。具體來(lái)說(shuō)，早在2022年，英國(guó)重力儲(chǔ)能初創(chuàng)企業(yè)Gravitricity 公司已在英國(guó)愛(ài)丁堡利斯港展示了一個(gè) 15 米高、250 千瓦的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含兩個(gè) 25 噸重的懸掛重物和兩臺(tái)連接到電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)。該公司還于 2021 年啟動(dòng)了兩個(gè)容量分別為 4 兆瓦和 8 兆瓦商業(yè)項(xiàng)目?！毖芯咳藛T針對(duì)625種通用建筑設(shè)計(jì)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了建模，考慮了立面面積與體積的比值、長(zhǎng)寬比以及高與占地面積的比值等因素。他們還采用了多目標(biāo)遺傳算法（MOGA）來(lái)評(píng)估平準(zhǔn)化電力成本（LCOE）以及每棟建筑對(duì)電網(wǎng)電力的依賴程度。

Gravitricity在英國(guó)利斯港250 千瓦重力儲(chǔ)能演示項(xiàng)目

分析表明，該混合系統(tǒng)的平準(zhǔn)化電力成本（LCOE）可在0.051美元/kWh至0.111美元/kWh之間實(shí)現(xiàn)，電網(wǎng)電力成本可在0.195美元/kWh至0.888美元/kWh之間實(shí)現(xiàn)。這些結(jié)果與加拿大及其他可再生能源資源匱乏地區(qū)的類似建筑一體化可再生能源系統(tǒng)的結(jié)果一致。

研究人員解釋說(shuō)：“建筑面積較大的高層建筑往往能實(shí)現(xiàn)較低的平準(zhǔn)化電力成本，但電網(wǎng)電力成本也較高。”他們指出，隨著建筑物能源使用強(qiáng)度的提高，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量必須增加。

建模結(jié)果顯示，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)9至17年的回收期，大多數(shù)情況下折現(xiàn)回收期在25年以下。

研究人員表示：“這證實(shí)了其長(zhǎng)期財(cái)務(wù)可行性。”然而，他也強(qiáng)調(diào)，行業(yè)共識(shí)在幾個(gè)方面仍然至關(guān)重要，包括運(yùn)營(yíng)復(fù)雜性、前期成本，以及需要通過(guò)多年的實(shí)際運(yùn)行來(lái)證明其全天候可靠性。

他補(bǔ)充道：“雖然機(jī)械原理已得到驗(yàn)證，但挑戰(zhàn)在于工程規(guī)?；⒋_保具有競(jìng)爭(zhēng)力的資本成本，以及與電網(wǎng)或工業(yè)環(huán)境的集成。因此，市場(chǎng)應(yīng)用仍然取決于能否證明這些系統(tǒng)在其預(yù)期使用壽命內(nèi)優(yōu)于電池、化學(xué)能源和其他重力能源，尤其是對(duì)于需要持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至全天供電且容量不衰減的應(yīng)用?！彼^續(xù)說(shuō)道：“獨(dú)立分析表明，就在中國(guó)以外發(fā)達(dá)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)可靠、主流部署而言，商業(yè)成熟度可能要到2020年代末，這還要取決于現(xiàn)有已經(jīng)商行的旗艦項(xiàng)目幾年的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。目前，地上重力儲(chǔ)能已在初步規(guī)模上得到商業(yè)驗(yàn)證，但尚未實(shí)現(xiàn)批量折扣式的大規(guī)模應(yīng)用。未來(lái)三年持續(xù)的合同和可靠性表現(xiàn)應(yīng)該會(huì)使其達(dá)到完全的商業(yè)成熟度?！?/p>

該系統(tǒng)是在《應(yīng)用科學(xué)》雜志上發(fā)表的“利用固體重力儲(chǔ)存的混合可再生能源系統(tǒng)構(gòu)建幾何感知生命周期優(yōu)化”中介紹的。