隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改革的推進(jìn)，風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等再生能源的利用比例逐年穩(wěn)步上升。在這過(guò)程中，有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題限制可再生能源的進(jìn)一步發(fā)展。其一，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源利用具有不穩(wěn)定和不連續(xù)的特點(diǎn)；其二，我國(guó)電網(wǎng)峰谷差進(jìn)一步拉大。隨著技術(shù)的進(jìn)步，儲(chǔ)能已經(jīng)成為突破可再生能源利用不穩(wěn)定和不連續(xù)瓶頸和平衡電網(wǎng)峰谷差的最佳解決方案。與此同時(shí)，依靠“互聯(lián)網(wǎng)+”、“萬(wàn)物互聯(lián)”領(lǐng)域的技術(shù)積累，以及在“中國(guó)智造2025”、“多能互補(bǔ)”、“光熱電站”示范工程等政策推動(dòng)下，智慧能源作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的“軟實(shí)力”，其重要性也日益凸顯。

引言

人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開(kāi)能源。18世紀(jì)60年代進(jìn)入工業(yè)革命以來(lái)，以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主的世界能源消費(fèi)格局逐步形成。化石能源在利用的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫室氣體CO2以及S02、粉塵等，污染生態(tài)環(huán)境。特別是溫室氣體排放導(dǎo)致日益嚴(yán)峻的全球氣候變化，嚴(yán)重威脅人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展。1972年，在斯德哥爾摩舉行的聯(lián)合國(guó)人類(lèi)環(huán)境研討會(huì)上首次提出了“可持續(xù)發(fā)展”的概念，并逐步成為國(guó)際社會(huì)共識(shí)。為了實(shí)現(xiàn)可環(huán)保綠色的可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)高度重視可再生能源開(kāi)發(fā)利用。

我國(guó)地域遼闊，資源豐富，太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源具備大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的物質(zhì)基礎(chǔ)。21世紀(jì)初，我國(guó)將開(kāi)發(fā)利用可再生能源作為能源戰(zhàn)略的重要組成部分，提出了明確的可再生能源發(fā)展目標(biāo)，制定了鼓勵(lì)可再生能源發(fā)展的法律和政策[1]。在政策的大力推動(dòng)下，可再生能源得到迅速發(fā)展，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的比例逐年穩(wěn)步上升。由于可再生能源的不穩(wěn)定和不連續(xù)性以及電網(wǎng)峰谷差，可再生能源的消納矛盾開(kāi)始凸顯出來(lái)[1]。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)棄風(fēng)和棄光電量分別達(dá)到497億千瓦時(shí)和74億千瓦時(shí)，較2015年分別增加了46.6%和85%。與此同時(shí)，解決電網(wǎng)峰谷差的矛盾已成為國(guó)家能源局電力改革的重要方向。目前，全國(guó)每年谷電余電量高達(dá)3萬(wàn)億度，平均利用率只有35%左右，嚴(yán)重影響著國(guó)家電網(wǎng)的安全和發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

為了避免可再生能源利用對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及平衡電網(wǎng)峰谷差，儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了有效的解決方案。在“互聯(lián)網(wǎng)+”、“中國(guó)智造2025”等政策推動(dòng)下，智慧能源作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的“軟實(shí)力”，其重要性也日益凸顯。

01 儲(chǔ)能技術(shù)的概況

能源的轉(zhuǎn)換利用和輸送具有即時(shí)性和波動(dòng)性，常常存在供求之間在時(shí)間上和空間上不匹配的矛盾。可再生能源不穩(wěn)定和不連續(xù)的固有特性決定了大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用可再生能源離不開(kāi)發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)。儲(chǔ)能技術(shù)可解決能量供求在時(shí)間上和空間上不匹配的矛盾，因而是提高能源利用率的有效手段[2]。目前，在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位的儲(chǔ)能技術(shù)大致分為4類(lèi)：（一）抽水儲(chǔ)能；（2）儲(chǔ)熱；（3）電化學(xué)儲(chǔ)能；（4）機(jī)械儲(chǔ)能。從各儲(chǔ)能技術(shù)類(lèi)型市場(chǎng)發(fā)育程度來(lái)看，抽水蓄能技術(shù)發(fā)展最為成熟，據(jù)美國(guó)能源部全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫(kù)2016年8月16日的更新數(shù)據(jù)顯示，全球累計(jì)運(yùn)行的抽水蓄能項(xiàng)目裝機(jī)161.23GW，規(guī)模最大。儲(chǔ)熱技術(shù)近十年發(fā)展很快，全球儲(chǔ)熱累計(jì)總裝機(jī)為3.05GW，裝機(jī)規(guī)模排行第二[3]。我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，尚未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。2015年，我國(guó)國(guó)家能源局頒發(fā)《關(guān)于組織太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目建設(shè)的通知》，積極引導(dǎo)支持太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)光伏的迅速發(fā)展，電化學(xué)儲(chǔ)能目前是全球發(fā)展最為迅速，增速最快的技術(shù)。

圖（一） 全球儲(chǔ)能比例分布


1.1 抽水蓄能

抽水蓄能是發(fā)展最早和最成熟的儲(chǔ)能技術(shù)。19世紀(jì)70年代，世界上第一座抽水蓄能電站在瑞士開(kāi)始建設(shè)和成功投運(yùn)。抽水蓄能電站設(shè)備具有儲(chǔ)能規(guī)模大、轉(zhuǎn)換效率高、、運(yùn)行方式靈活、負(fù)荷調(diào)節(jié)響應(yīng)快速等特點(diǎn)，因而得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2009年底我國(guó)投產(chǎn)的抽水蓄能電站共22座，總?cè)萘?1545MW。抽水蓄能電站的建設(shè)地理選址條件非常嚴(yán)格，以及受到新興儲(chǔ)能技術(shù)的市場(chǎng)沖擊，近十年來(lái)抽水蓄能裝機(jī)增長(zhǎng)逐漸趨緩。

1.2 儲(chǔ)熱

儲(chǔ)熱的具體原理是將利用其他形式能量轉(zhuǎn)換為熱能并將熱量傳遞給蓄熱器內(nèi)的蓄熱介質(zhì)，蓄熱介質(zhì)在保溫良好的條件下將熱能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)需要利用時(shí)再通過(guò)換熱把所儲(chǔ)存的熱量提取出來(lái)輸送給熱負(fù)荷。儲(chǔ)熱，根據(jù)蓄熱介質(zhì)的狀態(tài)可以分為顯熱儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能。相變材料儲(chǔ)熱具有較大的儲(chǔ)能密度，因而發(fā)展?jié)摿Ω?。由于材料成本的限制，目前?chǔ)熱市場(chǎng)仍然以顯熱儲(chǔ)能為主。隨著新型儲(chǔ)熱材料的研發(fā)應(yīng)用和配套設(shè)備制造工藝的提升，儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用的成本逐年下降，越來(lái)越多商業(yè)化工程應(yīng)用得到推廣。

1.3 電化學(xué)蓄能

電化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景比較廣泛，主要包括3類(lèi)：（1）可再生能源發(fā)電并網(wǎng)；（2）分布式微網(wǎng)；（3）用戶(hù)側(cè)。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2016年底全球投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)1769.9MW,同比增長(zhǎng)56%，而且呈加速發(fā)展之勢(shì)。截至2016年底,我國(guó)投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)243MW,同比增長(zhǎng)72%；2016年新增投運(yùn)規(guī)模101.4MW,同比增長(zhǎng)299%，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?jù)預(yù)測(cè),到2020我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模將達(dá)2GW,約為2015年底累計(jì)裝機(jī)量的15倍[4]。

電化學(xué)儲(chǔ)能具有多種技術(shù)路線(xiàn)，包括鋰離子電池、鈉硫電池、鉛酸電池、液流電池等。截止2017年，中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能格局中鋰電池占有其中60%的市場(chǎng)份額，鉛酸電池占35%，液流電池占4%。

（二） 電化學(xué)儲(chǔ)能比例分布


02 智慧能源的研究現(xiàn)狀

深圳市愛(ài)能森科技有限公司希望以愛(ài)能森核心儲(chǔ)能技術(shù)為主，盡量利用現(xiàn)有清潔能源供暖技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)解決其存在的部分問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出一種投資少、供暖成本低、適用范圍廣、零碳排、零污染、安全穩(wěn)定、啟動(dòng)反應(yīng)迅速的清潔能源供暖技術(shù)，儲(chǔ)能技術(shù)基本原理如下圖所示。

“大數(shù)據(jù)云計(jì)算”、“互聯(lián)網(wǎng)+”在能源領(lǐng)域具有廣闊前景，并逐步形成智慧能源的發(fā)展趨勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，能源網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)之間信息設(shè)施的連接與深度融合，能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字化感知以及數(shù)據(jù)化管控已經(jīng)開(kāi)始得到了應(yīng)用。一個(gè)完整的智慧能源系統(tǒng)至少應(yīng)當(dāng)包含感知層和管理層。歸根到底，智慧能源的研究主要還是在于傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)在感知層和管理層的開(kāi)發(fā)、整合和提升。

感知層包含感知對(duì)象、感知單元和傳感網(wǎng)絡(luò)。感知層與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用類(lèi)似，主要功能是識(shí)別物體、采集信息，以及信息傳遞。它首先通過(guò)傳感器、攝像頭等設(shè)備，采集外部物理世界的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)RFID、藍(lán)牙、以太網(wǎng)等傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)[5]。

圖（三） 感知層架構(gòu)


管理層是智慧能源系統(tǒng)的“頂層設(shè)計(jì)”，對(duì)感知層采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策。機(jī)器是不會(huì)“說(shuō)話(huà)”的，管理層同時(shí)也扮演著連接人與機(jī)器對(duì)話(huà)的“橋梁”的角色，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的平臺(tái)，而這個(gè)平臺(tái)體現(xiàn)的形式是多種多樣的。

圖（四） 管理層架構(gòu)


03 智慧能源在儲(chǔ)能的利用

儲(chǔ)能技術(shù)作為提高能源利用率的有效手段，不僅能夠解決能量供求在時(shí)間和空間上不匹配的矛盾，而且可以通過(guò)“峰谷電價(jià)”杠桿降低能源利用成本。在實(shí)際應(yīng)用中為了適應(yīng)能源供求隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，最大化能源利用效益，智慧能源方案在儲(chǔ)能系統(tǒng)中主要解決以下3個(gè)問(wèn)題：（一）什么情況開(kāi)始儲(chǔ)存能量；（2）儲(chǔ)存多少能量；（3）如何合理利用儲(chǔ)存的能量。

以冰蓄冷中央空調(diào)為例，簡(jiǎn)單闡述一下智慧能源在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。冰蓄冷中央空調(diào)是利用夜間電網(wǎng)谷電制冰儲(chǔ)存在蓄冰裝置中，白天融冰將所儲(chǔ)存冷量釋放出來(lái)。冰蓄冷中央空調(diào)是屬于儲(chǔ)熱技術(shù)的衍生產(chǎn)品，是未來(lái)中央空調(diào)的發(fā)展的趨勢(shì)。冰蓄冷系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，具備良好的節(jié)能潛力，但一直沒(méi)有大范圍商業(yè)推廣。其中，能源智能管理的缺失正是限制冰蓄冷技術(shù)發(fā)展的主要短板之一。進(jìn)入21世紀(jì)，萬(wàn)物可聯(lián)，隨著智慧能源的推廣應(yīng)用，冰蓄冷技術(shù)重新煥發(fā)蓬勃生機(jī)。

圖（五） 冰蓄冷工藝流程簡(jiǎn)圖


為了最大化節(jié)能效益，冰蓄冷系統(tǒng)具有多種運(yùn)行工況。峰平谷電價(jià)時(shí)段、外界大氣氣候條件、負(fù)荷需求變化是影響智慧能源決策運(yùn)行工況切換的3個(gè)主要因素。根據(jù)預(yù)設(shè)的峰平谷時(shí)段以及感知元件探測(cè)物理世界的變化因素，如大氣溫度、濕度、蓄冰液位、冷凍水給水回水溫度等，智慧能源系統(tǒng)模擬負(fù)荷需求的變化曲線(xiàn)，然后下達(dá)執(zhí)行指令遠(yuǎn)程控制設(shè)備的啟停、閥門(mén)的開(kāi)閉，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的切換。為了更直觀的體現(xiàn)智慧能源系統(tǒng)的工作原理，接下來(lái)以制冰工況的切換為例進(jìn)行簡(jiǎn)述。從節(jié)能效益來(lái)說(shuō)，冰蓄冷系統(tǒng)在谷電時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)能的運(yùn)行成本是最低的。但在實(shí)際上，這只是智慧能源系統(tǒng)在進(jìn)行工況切換決策的眾多條件之一，此處不再贅述。

圖（六） 冰蓄冷工況切換簡(jiǎn)圖


（表一）

04 應(yīng)用前景

2016年，我國(guó)棄風(fēng)和棄光電量分別達(dá)到497億千瓦時(shí)和74億千瓦時(shí)，較2015年分別增加了46.6%和85%[6]。緩解可再生清潔能源消納矛盾已經(jīng)刻不容緩。為了平衡能源的供給和需求，目前很多光伏電站和風(fēng)力電站都配套了儲(chǔ)能模塊。2018年我國(guó)通過(guò)審批的20個(gè)光熱電站全部要求配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。近年來(lái)，我國(guó)“多能互補(bǔ)”示范工程在多個(gè)省市開(kāi)工建設(shè)，風(fēng)能、太陽(yáng)能、空氣能、地?zé)崮艿榷喾N可再生能源因地制宜與儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合利用，其技術(shù)核心就是“儲(chǔ)能”+“智慧能源”。隨著可再生能源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的比例逐年穩(wěn)步上升，儲(chǔ)能大規(guī)模普及，智慧能源系統(tǒng)將會(huì)迎來(lái)發(fā)展的春天。

05 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)能源的數(shù)據(jù)化管理是21世紀(jì)的能源革命的趨勢(shì)。智慧能源作為能源革命其中重要的一環(huán)，相關(guān)技術(shù)的研究和工程應(yīng)用已經(jīng)引起行業(yè)的重視。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模普及，智慧能源勢(shì)必引領(lǐng)21世紀(jì)能源革命的潮流。