可再生能源在全球能源结构中的占比正在迅速增加[1]。过去十年中，其比例增长了7个百分点以上[2]，2023年达到了全球能源消耗的14.7%（620艾焦，EJ）[3]。预计到2030年，新增的可再生能源装机容量将从666吉瓦增长到近935吉瓦，其中太阳能光伏发电将占新安装容量的80%，风能也将发挥重要作用，这符合欧盟的气候目标[4][5]。然而，这两种能源都具有间歇性，导致发电量波动且可预测性降低[6]。如果当前趋势持续下去，到2050年可再生能源将成为全球能源供应的支柱[7]。
这种不确定性对电网稳定性构成了挑战，需要采取措施来平衡供需不平衡[8]。一种常见的方法是部署备用发电厂，这些电厂通常依赖天然气[9]。然而，这些设施的容量利用率较低（即其发电量仅为最大潜力的很小一部分），导致经济效率低下且对环境不利[10]。此外，对进口化石燃料的依赖引发了能源安全的担忧，尤其是在缺乏国内资源的地区[11]。
更有效的策略是整合储能技术，这些技术可以在发电高峰期储存多余的能量，并在需求低谷时释放出来，从而确保电网稳定[12]。当储能设施与间歇性可再生能源共同部署时，其优势更加明显，因为这样可以减少输电损耗、提高电网韧性并降低基础设施成本[13]。鉴于可再生能源的持续扩张，开发可扩展且高效的储能解决方案对于未来能源系统的稳定性和可持续性至关重要[14]。
目前，储能容量正在增加[15]。然而，在未来几年内，所需的储能容量将远超现有水平[16]。大规模储能部署的主要障碍是高昂的资本成本和合适的选址困难[17]。在投资成本相对较低的技术中，抽水蓄能（PSH）电站是最具成本效益的选择之一[18]。从资本支出、效率和使用寿命来看，它们几乎无与伦比（见表1）。
与此同时，许多研究致力于提高抽水蓄能（PS）装置的运行灵活性。最新的系统级评估将传统的固定速度泵-涡轮机与更灵活的配置（如变速和三元/四元组合）进行了比较，结果表明更高的灵活性可以减少净负荷波动、水位变化以及启停循环带来的相关排放。不过，这可能会带来投资成本、泵容量选择和抽水操作过程中的液压风险等权衡[41]。这些发现表明，“灵活性”不是一个单一属性，而是性能、成本和运行安全之间的多标准平衡，这在评估下一代PSH概念时非常重要[41]。
此外，单元级研究显示，在稳定状态和瞬态过程之间，系统的稳定性和效率可能存在显著差异，部分负荷运行可能导致比满负荷状态更高的液压损失和波动。这些发现强调了在将实验室验证结果应用于实际部署时，需要制定稳健的控制策略和明确的运行范围[42]。
在进行跨技术比较时，经常使用平准化储能成本（LCOS），但该成本高度依赖于年循环次数、往返效率及资本支出（CAPEX）等假设。因此，在解释成本竞争力时，一致的条件至关重要[43][44]。然而，对于正在开发中的新兴技术来说，这些参数往往难以确定。
为了提升基于水力的储能潜力——这种技术目前仍然是最具优势且应用最广泛的长期储能方式——本研究介绍了一种新颖的专利概念：带有浮动上层水库的模块化抽水蓄能电站（MPSH 1r）[45]。这一创新技术使得在以前被认为不适合部署的地方（如开放水域、缺乏地形坡度或所有可行PSH站点已被开发完毕但储能仍严重不足的区域）也能应用PSH。凭借其模块化、可扩展的设计，MPSH 1r具有数十吉瓦时的储能潜力，非常适合与间歇性海上可再生能源大规模集成。与其他最近提出的浮动或海底系统不同，MPSH 1r采用自支撑的浮动结构，简化了部署流程，减少了场地限制，并提高了对各种水环境的适应性[42]。此外，通过结合出色的材料利用和坚固的结构设计，该系统能够实现非常长的使用寿命，同时保持相对较低的单位成本，从而在广泛的适用地点具备很强的竞争力（如图1所示）。如表2所总结的，与其他替代方案相比，MPSH 1r在多个关键参数上都具有明显优势。在抽水蓄能领域，这一方法具有高度创新性，代表了现有研究方向的显著突破。
近期研究广泛探讨了抽水蓄能在各种应用中的潜力，从大规模项目到创新的小型城市解决方案。特别是将抽水蓄能技术与现有基础设施（如废弃矿山、水库和高层建筑）相结合，已被证明是一种提高储能容量同时降低环境和经济成本的有效方式。
杨等人[47]研究了在中国利用废弃矿山进行抽水蓄能的可能性，尽管存在监管和选址挑战，但仍发现了经济和环境效益。雷恩等人[48]进一步展示了将这种储能技术与风能和太阳能结合使用的效率和成本效益。科拉斯等人[49]研究了将废弃煤矿转化为地下储水设施的可行性，强调了储水设施稳定性、水力过程以及循环抽水操作的技术限制。
在城市环境中，布鲁曼德尼亚等人[50]开发了一个模型，评估了微型抽水蓄能（MPS）系统在城市地区的可行性，发现它们在超过50米高的建筑中具有经济可行性，尤其是与模块化水箱和分布式可再生能源结合使用时。埃马努伊尔等人[51]探讨了供水水库作为分布式储能的潜力。沃克和杜凯特[52]比较了基于建筑的抽水蓄能与重力储能系统，发现后者具有更低的运营成本和更高的效率。巴亚齐特等人[53]利用地理信息系统（GIS）技术识别了将多功能大坝改造成抽水蓄能电站的合适地点，通过空间分析和能源需求预测优化了选址过程。
最近的研究还探索了超越传统抽水蓄能的创新海上储能概念。哈恩等人[54]发现，在特定条件下，海底储能（StEnSea）在成本上可能与压缩空气储能（CAES）和抽水蓄能具有竞争力。克拉尔等人[55][56]提出了浮力储能（BE）概念——一种结合海上风能的浮动式抽水蓄能方案，强调了其可扩展性和灵活性。布哈吉亚尔和桑特[57]提出了一种高效的水力-气动系统，适用于大规模海上应用。斯洛库姆等人[58]展示了海洋可再生能源储能（ORES）系统，该系统利用海底静水压力进行储能，为海上风电提供了有前景的解决方案。皮姆等人[59]研究了水下压缩空气储能的能源袋原型系统，证明了其在成本效益方面的潜力。
总体而言，这些研究为模块化抽水蓄能（MPSH）系统的发展奠定了坚实基础。通过借鉴废弃矿山储能、城市微型抽水蓄能、基于GIS的优化以及海上储能创新的成果，本研究旨在进一步推动新型PSH配置的实用性和商业化应用。
本研究旨在通过扩展可行的储能解决方案来提升抽水蓄能技术的潜力。它介绍并实验验证了带有浮动上层水库的模块化抽水蓄能电站（MPSH 1r）概念，该系统利用周围水体作为下层水库，旨在实现大规模储能，并突破了传统的选址限制。实验采用了一个保守的实验室平台，重点关注在非对称水力负荷条件下充放电过程中的平衡控制问题，通过阀门调节水流实现。实验结果显示，在不同运行条件下，系统能够实现受控的水资源转移和在3°安全范围内的可靠倾斜控制。为了将这些发现置于更广泛的背景下，本文还包括了技术经济分析和基于平准化储能成本的比较。
