欢迎来到中国矿山建设第一门户网站！
Chris Grieco,重力发电公司副总裁；Gary Brierley，布莱尔丽公司总裁；Lok Home，罗宾斯公司总裁
熊清香翻译 周晓敏校对
Deep Shaft Sinking for Grid-Scale Energy Storage By Chris Grieco, Executive Vice President, Gravity Power, LLC., Gary Brierley, President, Brierley Associates, LLC., and Lok Home, President, Robbins Company
随着全球一些地区经济的显著增长，对额外发电能力的需求也在显著增长。许多地区也试图依靠风能和太阳能来取代化石(煤)和核能来发电，但这会引起电网电能品质的可靠性问题，因为这些可再生能源是高度依赖于自然的，有很强的间断性。这些可再生能源发电的起伏变化还必须通过循环燃煤发电厂、汽轮机等这些或者并且是能提供有可靠储能设备的发电系统来补偿。
现今，抽水蓄能发电（PSH）在全球电网储能技术中占主导地位，在所有已安装电网储量中，它占99%以上份额。PSH是一种低成本发电方式，其原理就是将水提高到一定高度，储存势能，然后利用涡轮机将水送回到原来水位时，能量转变成电能，并储存在电网中。但不幸的是，因为选址、审批，还有建设等相关问题，美国近十几年，再也没有建新的PSH发电站。
加利福尼亚州的Gravity Power，LLC公司正在研发一种集清洁的、快速调节峰值电量并且可再生的重力电源模块于一身的系统。Gravity Power公司正在研发重力发电模块，是一种能充分利用场地，没有冗长的建设过程与昂贵成本，技术成熟的全新的抽水蓄能方式。
重力发电模块，简称GPM，是一种创新的，地面模块化的抽水蓄能发电技术，能够带来传统蓄水发电的可观收益，而不用受传统发电的选址、审批、成本之扰，还能缩短上市时间。每一个GPM都需要两个充满水的深井，其中一个是当重力活塞（储能器），在井筒内垂直移动时储存能量用的。较小的井筒是活塞往返活动用的，并且每一个活塞（储能器）都和地面的法式涡轮泵机相连。该系统是用干净的水一次性注满，并且密封的。当活塞储能器落下，就会使水通过涡轮泵以产生电力。该储能模块利用的夜间从电网中送出的比较便宜的电力来驱动涡轮泵，将井中的水扬起。每一个GPM就能储存几百兆瓦的电力，而这些GPM集群所发的电，可以与燃气发电站所发的峰值电量相媲美，并且发电成本也要更低。GPM也可以发几千兆瓦的可再生电能。如图1所示的GPM概念图。
图1 重力发电模块
GPM系统的优点有：模块化，使用现有技术；无需新的工厂，土地需求低；无排放；选址灵活；当地既有材料和劳动力，每兆瓦电的成本低；维护成本低；寿命长；高效率（高达80%）；从建设到收益时间段。下面就GPM模块设计与建设的一些问题做一些讨论。
GPM模块中最令人感兴趣的一方面就是，不论是在井筒的选址还是井筒深度、尺寸的选择上都有很强的灵活性。尽管可以选用任意尺寸的井筒来蓄能，但是当选用井筒直径约20英尺，深度2000英尺时，储存容量是足够的，也与当前的凿井技术相符合。土木工程项目中很少要求井筒深度这么高，其他矿井的平均凿井水平也没有要求这么深井筒。由于采矿公司是出了名的保守，凿井所用的机械单一，所以导致目前没有成熟的技术来做储能池凿井。因此，最大的一个问题就是：如何低成本的进行GPM项目建设？
目前最可行的一个办法就是找到一个废弃的，无经济产出的，并且与抽水蓄电井差不多的这样的一个矿井。一个现成的矿井不但方便施工，也大大的降低了建井的前期投资。做一条通往井底的通道，能够使得凿井施工方案多样化，这样一来也可以在同一地点建其他几个井。还有一个有趣的现象就是一旦项目开工，可以在任何地点建几百个井，来提供现金流动，以支撑这一项目可以继续下去。
创建GPM模块所需的理想地质条件包括以下内容：
上部表土地层较浅，以减少井壁建设的成本；
品质良好，渗透性低、中等强度的岩石，这样就可以免去不稳定、压力大或膨胀性岩层等问题所带来的井壁建设的费用；
岩层中无有害气体、石油和其他的潜在危险。
一般来讲，很难找到满足上面所描述的所有条件，并且井筒深度达到2000英尺的地址。正如上面所提到的，能够找到废弃的井筒，将会省去一个新井筒建成后所需的通风、释放应力等这些过程。目前，Gravity Power，LLC公司正在就GPM的选址问题进行全球的调研活动。
岩层中的凿井技术主要有以下四种：
钻爆法凿井，箕斗提升排矸；
向下钻井，需要反循环系统清渣土；
反井钻进，需要将渣土运送至井底，然后通过副井将渣土提升至地面；
机械化井筒掘进，通过箕斗将渣土提升运出地面。
尽管以上四种技术都可用于GPM，然而对于建造多个深度达2000英尺的井筒而言，用钻爆法凿井不仅慢而且成本高。但是为了便利于后续的施工，钻爆法凿井可用来获得通达到该项目井底的通道。
向下钻井法在控制精度、井壁衬砌，还有在大直径和大深度的情况下运送渣土等方面都有难度。同样的，在如此大直径的情况下确保精度以及井壁衬砌的稳定性等方面，用反井法来凿井也存在难度。大直径的钻井机械在盲井的钻井方面已有应用和成功的实例，但是到目前为止，也没有完全的被业界所接受和发展。
如果可以通过运送渣土的副井，进入主井的底部，那么就可以用一个中等精度的凿井钻机先凿一个小直径的井筒，然后再用铰孔的机械---SRM将井筒的直径扩大，这将是一个不错的方案。反钻法凿井的偏差可以通过SRM来修正。用这种方式钻井，可以缩短施工周期，还能节省成本。该施工过程见图2。
图2 铰孔机械—SRM
还有一个有意思的想法就是可以用预制的混凝土管片做井筒的衬砌，这样的话不仅可以做到井壁隔绝水，管片还能给SRM机器一个向下的推进力。
可以预测，将来如果能够在没有井筒的地区建盲井的话，其经济效益也是十分可观的。如图3和图4所示，盲井凿井机械。
图3 渣土提升系统
图4 立式装载仓
下面，将着重讨论一下GPM模块井壁设计中需要考虑的问题。
一般的，井筒的水密性、垂直度、弧度是三个需要考虑的重要因素。一个典型的重力活塞大概500英尺长，由铁矿渣为骨料的混凝土做成。有趣的是，涡轮机受到的力主要是当活塞上下活动时，由水产生的压力。因此，可以精确的计算涡轮机，使得其在最大的效率下工作，抵抗压力。当重力活塞在井筒内壁上下活动时，在井筒生命周期内，成千上万次的压力循环也会促使井壁蠕变的发生。活塞密封器也要也要承受这种压力。应该研发一种系统，安装到密封器上，来周期性的测量蠕变问题，检查或更换活塞密封器。这项技术的开发和现代用于城市中地铁隧道建设的TBM盾构机很类似。
其他还需要考虑的问题有长期维护、活塞老化、水质净化、滑动密封设计等。最大的一个问题就是，活塞到底需不需要滑动密封器？初步计算表明，一英寸左右的缝，超过500英尺长度，能够提供足够的水头差，根本不需要滑动密封器。甚至有人讨论说，这么大距离上的摩擦力，足够把水给烧开。施工之前这些因素都要考虑进去。
将上述因素都考虑进去后，也许就无法精确地评估每一个设计在井筒施工中所表现出的现象。因此，需要做个试验。井筒中需要安装一个集压力、力、位移、温度和其他一切可以为后续改善井筒设计参数于一身的监测系统。
在场地选址没有确定下来之前，即在地层条件没有评估，当地建设情况没有参考的前提下，评估重力蓄电设施的建造成本和工期是不切实际的。此外，考虑始建几个井所需花费的成本和时间和在同一地点建几十个甚至上百个井所考虑的是完全不同的。还有，对于“敞开思路”的地下工程设计和设计人员来讲，机会是巨大的。尽管刚开始的几口井可能要按合同建造，但是不难想象，随着项目成熟，每一个井筒工地都将配备专用掘进机和专业的凿井技术人员队伍。
也许，重力蓄电项目最大的优点就是项目对环境的影响绝对的小。不仅90%的项目是建造在地下的，而且和项目开发商所拥有的资产近，地点也远离拥挤的都市。GPM建设也可以和太阳能或者风能发电设施结合起来，拥有完全可靠的储能设施。最后，水需求量完全自给自足的，不需要额外的评估计划研究或者审批。有一点环境问题需要强调的，就是就是凿井时要控制好地下水。
重力储能蓄电的构想是一个创想，属于它的时代已经到来了。随着时间的推移，这种设备将会成为可靠电网整体的一部分。传统的抽水蓄能是一项成熟技术，新的抽水蓄能电站因为其成本比较昂贵几乎不可能被审批或者新建。与整个电网建设相比，GPM建造的花费并不量大，只占一小部分，但为为整个系统提供可靠的、性价比高的储能，这一点来看完全值得的，事实上，对于新能源发电来说也是绝对需要的。那么问题来了，谁能够成为第一个意识到GPM潜能的并且推进这一装置的人呢？
您当前所在位置：