智慧能源在储能领域的应用

人类社会活动和经济发展离不开能源。18世纪60年代进入工业革命以来，以煤炭、石油、天然气等化石能源为主的世界能源消费格局逐步形成。化石能源在利用的过程中会产生温室气体CO2以及S02、粉尘等，污染生态环境。特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，严重威胁人类社会的发展。1972年，在斯德哥尔摩举行的联合国人类环境研讨会上首次提出了“可持续发展”的概念，并逐步成为国际社会共识。为了实现可环保绿色的可持续发展，世界各国高度重视可再生能源开发利用。

我国地域辽阔，资源丰富，太阳能、地热能、风能、潮汐能等可再生能源具备大规模开发利用的物质基础。21世纪初，我国将开发利用可再生能源作为能源战略的重要组成部分，提出了明确的可再生能源发展目标，制定了鼓励可再生能源发展的法律和政策[1]。在政策的大力推动下，可再生能源得到迅速发展，在我国能源结构中的比例逐年稳步上升。由于可再生能源的不稳定和不连续性以及电网峰谷差，可再生能源的消纳矛盾开始凸显出来[1]。据权威机构统计，2016年我国弃风和弃光电量分别达到497亿千瓦时和74亿千瓦时，较2015年分别增加了46.6%和85%。与此同时，解决电网峰谷差的矛盾已成为国家能源局电力改革的重要方向。目前，全国每年谷电余电量高达3万亿度，平均利用率只有35%左右，严重影响着国家电网的安全和发电企业的经济效益。

为了避免可再生能源利用对电网的冲击以及平衡电网峰谷差，储能系统提供了有效的解决方案。在“互联网+”、“中国智造2025”等政策推动下，智慧能源作为储能系统的“软实力”，其重要性也日益凸显。

01储能技术的概况

能源的转换利用和输送具有即时性和波动性，常常存在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾。可再生能源不稳定和不连续的固有特性决定了大规模开发利用可再生能源离不开发展储能技术。储能技术可解决能量供求在时间上和空间上不匹配的矛盾，因而是提高能源利用率的有效手段[2]。目前，在市场上占据主导地位的储能技术大致分为4类：（一）抽水储能；（2）储热；（3）电化学储能；（4）机械储能。从各储能技术类型市场发育程度来看，抽水蓄能技术发展最为成熟，据美国能源部全球储能数据库2016年8月16日的更新数据显示，全球累计运行的抽水蓄能项目装机161.23GW，规模最大。储热技术近十年发展很快，全球储热累计总装机为3.05GW，装机规模排行第二[3]。我国太阳能热发电产业尚处于起步阶段，尚未形成产业规模。2015年，我国国家能源局颁发《关于组织太阳能热发电示范项目建设的通知》，积极引导支持太阳能热发电产业发展。随着风力发电、太阳光伏的迅速发展，电化学储能目前是全球发展最为迅速，增速最快的技术。

1.1抽水蓄能

抽水蓄能是发展最早和最成熟的储能技术。19世纪70年代，世界上第一座抽水蓄能电站在瑞士开始建设和成功投运。抽水蓄能电站设备具有储能规模大、转换效率高、、运行方式灵活、负荷调节响应快速等特点，因而得到了快速发展和广泛应用。据统计，至2009年底我国投产的抽水蓄能电站共22座，总容量11545MW。抽水蓄能电站的建设地理选址条件非常严格，以及受到新兴储能技术的市场冲击，近十年来抽水蓄能装机增长逐渐趋缓。

1.2储热

储热的具体原理是将利用其他形式能量转换为热能并将热量传递给蓄热器内的蓄热介质，蓄热介质在保温良好的条件下将热能储存起来，当需要利用时再通过换热把所储存的热量提取出来输送给热负荷。储热，根据蓄热介质的状态可以分为显热储能和相变储能。相变材料储热具有较大的储能密度，因而发展潜力更大。由于材料成本的限制，目前储热市场仍然以显热储能为主。随着新型储热材料的研发应用和配套设备制造工艺的提升，储热技术应用的成本逐年下降，越来越多商业化工程应用得到推广。

1.3电化学蓄能

电化学储能的应用场景比较广泛，主要包括3类：（1）可再生能源发电并网；（2）分布式微网；（3）用户侧。据统计,截至2016年底全球投运电化学储能项目的累计装机规模达1769.9MW,同比增长56%，而且呈加速发展之势。截至2016年底,我国投运的电化学储能项目的累计装机规模达243MW,同比增长72%；2016年新增投运规模101.4MW,同比增长299%，发展潜力大。据预测,到2020我国电化学储能累计装机规模将达2GW,约为2015年底累计装机量的15倍[4]。

电化学储能具有多种技术路线，包括锂离子电池、钠硫电池、铅酸电池、液流电池等。截止2017年，中国电化学储能格局中锂电池占有其中60%的市场份额，铅酸电池占35%，液流电池占4%。

（二）电化学储能比例分布

02智慧能源的研究现状

深圳市爱能森科技有限公司希望以爱能森核心储能技术为主，尽量利用现有清洁能源供暖技术的优势，同时解决其存在的部分问题，开发出一种投资少、供暖成本低、适用范围广、零碳排、零污染、安全稳定、启动反应迅速的清洁能源供暖技术，储能技术基本原理如下图所示。

“大数据云计算”、“互联网+”在能源领域具有广阔前景，并逐步形成智慧能源的发展趋势。随着科学技术的进步，能源网络与物联网之间信息设施的连接与深度融合，能源系统运行状态的数字化感知以及数据化管控已经开始得到了应用。一个完整的智慧能源系统至少应当包含感知层和管理层。归根到底，智慧能源的研究主要还是在于传统能源网络在感知层和管理层的开发、整合和提升。

感知层包含感知对象、感知单元和传感网络。感知层与人体结构中皮肤和五官的作用类似，主要功能是识别物体、采集信息，以及信息传递。它首先通过传感器、摄像头等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、蓝牙、以太网等传输技术传递数据[5]。

管理层是智慧能源系统的“顶层设计”，对感知层采集的数据信息进行计算、处理和知识挖掘，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。机器是不会“说话”的，管理层同时也扮演着连接人与机器对话的“桥梁”的角色，是实现人机交互的平台，而这个平台体现的形式是多种多样的。

03智慧能源在储能的利用

储能技术作为提高能源利用率的有效手段，不仅能够解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，而且可以通过“峰谷电价”杠杆降低能源利用成本。在实际应用中为了适应能源供求随机性和波动性的特点，最大化能源利用效益，智慧能源方案在储能系统中主要解决以下3个问题：（一）什么情况开始储存能量；（2）储存多少能量；（3）如何合理利用储存的能量。

以冰蓄冷中央空调为例，简单阐述一下智慧能源在储能领域的应用。冰蓄冷中央空调是利用夜间电网谷电制冰储存在蓄冰装置中，白天融冰将所储存冷量释放出来。冰蓄冷中央空调是属于储热技术的衍生产品，是未来中央空调的发展的趋势。冰蓄冷系统是20世纪70年代出现的新型储能系统，具备良好的节能潜力，但一直没有大范围商业推广。其中，能源智能管理的缺失正是限制冰蓄冷技术发展的主要短板之一。进入21世纪，万物可联，随着智慧能源的推广应用，冰蓄冷技术重新焕发蓬勃生机。

为了最大化节能效益，冰蓄冷系统具有多种运行工况。峰平谷电价时段、外界大气气候条件、负荷需求变化是影响智慧能源决策运行工况切换的3个主要因素。根据预设的峰平谷时段以及感知元件探测物理世界的变化因素，如大气温度、湿度、蓄冰液位、冷冻水给水回水温度等，智慧能源系统模拟负荷需求的变化曲线，然后下达执行指令远程控制设备的启停、阀门的开闭，从而实现运行工况的切换。为了更直观的体现智慧能源系统的工作原理，接下来以制冰工况的切换为例进行简述。从节能效益来说，冰蓄冷系统在谷电时段进行储能的运行成本是最低的。但在实际上，这只是智慧能源系统在进行工况切换决策的众多条件之一，此处不再赘述。

04应用前景

2016年，我国弃风和弃光电量分别达到497亿千瓦时和74亿千瓦时，较2015年分别增加了46.6%和85%[6]。缓解可再生清洁能源消纳矛盾已经刻不容缓。为了平衡能源的供给和需求，目前很多光伏电站和风力电站都配套了储能模块。2018年我国通过审批的20个光热电站全部要求配置储能系统。近年来，我国“多能互补”示范工程在多个省市开工建设，风能、太阳能、空气能、地热能等多种可再生能源因地制宜与储能系统耦合利用，其技术核心就是“储能”+“智慧能源”。随着可再生能源在我国能源结构中的比例逐年稳步上升，储能大规模普及，智慧能源系统将会迎来发展的春天。

05结语

实现能源的数据化管理是21世纪的能源革命的趋势。智慧能源作为能源革命其中重要的一环，相关技术的研究和工程应用已经引起行业的重视。随着“互联网+”、物联网的大规模普及，智慧能源势必引领21世纪能源革命的潮流。