隨著我國能源結構改革的推進，風能、太陽能、潮汐能等再生能源的利用比例逐年穩步上升。在這過程中，有兩個關鍵問題限制可再生能源的進一步發展。其一，風能、太陽能等可再生能源利用具有不穩定和不連續的特點；其二，我國電網峰谷差進一步拉大。隨著技術的進步，儲能已經成為突破可再生能源利用不穩定和不連續瓶頸和平衡電網峰谷差的最佳解決方案。與此同時，依靠“互聯網+”、“萬物互聯”領域的技術積累，以及在“中國智造2025”、“多能互補”、“光熱電站”示范工程等政策推動下，智慧能源作為儲能系統的“軟實力”，其重要性也日益凸顯。

引言

人類社會活動和經濟發展離不開能源。18世紀60年代進入工業革命以來，以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主的世界能源消費格局逐步形成。化石能源在利用的過程中會產生溫室氣體CO2以及S02、粉塵等，污染生態環境。特別是溫室氣體排放導致日益嚴峻的全球氣候變化，嚴重威脅人類社會的發展。1972年，在斯德哥爾摩舉行的聯合國人類環境研討會上首次提出了“可持續發展”的概念，并逐步成為國際社會共識。為了實現可環保綠色的可持續發展，世界各國高度重視可再生能源開發利用。

我國地域遼闊，資源豐富，太陽能、地熱能、風能、潮汐能等可再生能源具備大規模開發利用的物質基礎。21世紀初，我國將開發利用可再生能源作為能源戰略的重要組成部分，提出了明確的可再生能源發展目標，制定了鼓勵可再生能源發展的法律和政策[1]。在政策的大力推動下，可再生能源得到迅速發展，在我國能源結構中的比例逐年穩步上升。由于可再生能源的不穩定和不連續性以及電網峰谷差，可再生能源的消納矛盾開始凸顯出來[1]。據權威機構統計，2016年我國棄風和棄光電量分別達到497億千瓦時和74億千瓦時，較2015年分別增加了46.6%和85%。與此同時，解決電網峰谷差的矛盾已成為國家能源局電力改革的重要方向。目前，全國每年谷電余電量高達3萬億度，平均利用率只有35%左右，嚴重影響著國家電網的安全和發電企業的經濟效益。

為了避免可再生能源利用對電網的沖擊以及平衡電網峰谷差，儲能系統提供了有效的解決方案。在“互聯網+”、“中國智造2025”等政策推動下，智慧能源作為儲能系統的“軟實力”，其重要性也日益凸顯。

01 儲能技術的概況

能源的轉換利用和輸送具有即時性和波動性，常常存在供求之間在時間上和空間上不匹配的矛盾。可再生能源不穩定和不連續的固有特性決定了大規模開發利用可再生能源離不開發展儲能技術。儲能技術可解決能量供求在時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，在市場上占據主導地位的儲能技術大致分為4類：（一）抽水儲能；（2）儲熱；（3）電化學儲能；（4）機械儲能。從各儲能技術類型市場發育程度來看，抽水蓄能技術發展最為成熟，據美國能源部全球儲能數據庫2016年8月16日的更新數據顯示，全球累計運行的抽水蓄能項目裝機161.23GW，規模最大。儲熱技術近十年發展很快，全球儲熱累計總裝機為3.05GW，裝機規模排行第二[3]。我國太陽能熱發電產業尚處于起步階段，尚未形成產業規模。2015年，我國國家能源局頒發《關于組織太陽能熱發電示范項目建設的通知》，積極引導支持太陽能熱發電產業發展。隨著風力發電、太陽光伏的迅速發展，電化學儲能目前是全球發展最為迅速，增速最快的技術。

圖（一） 全球儲能比例分布


1.1 抽水蓄能

抽水蓄能是發展最早和最成熟的儲能技術。19世紀70年代，世界上第一座抽水蓄能電站在瑞士開始建設和成功投運。抽水蓄能電站設備具有儲能規模大、轉換效率高、、運行方式靈活、負荷調節響應快速等特點，因而得到了快速發展和廣泛應用。據統計，至2009年底我國投產的抽水蓄能電站共22座，總容量11545MW。抽水蓄能電站的建設地理選址條件非常嚴格，以及受到新興儲能技術的市場沖擊，近十年來抽水蓄能裝機增長逐漸趨緩。

1.2 儲熱

儲熱的具體原理是將利用其他形式能量轉換為熱能并將熱量傳遞給蓄熱器內的蓄熱介質，蓄熱介質在保溫良好的條件下將熱能儲存起來，當需要利用時再通過換熱把所儲存的熱量提取出來輸送給熱負荷。儲熱，根據蓄熱介質的狀態可以分為顯熱儲能和相變儲能。相變材料儲熱具有較大的儲能密度，因而發展潛力更大。由于材料成本的限制，目前儲熱市場仍然以顯熱儲能為主。隨著新型儲熱材料的研發應用和配套設備制造工藝的提升，儲熱技術應用的成本逐年下降，越來越多商業化工程應用得到推廣。

1.3 電化學蓄能

電化學儲能的應用場景比較廣泛，主要包括3類：（1）可再生能源發電并網；（2）分布式微網；（3）用戶側。據統計,截至2016年底全球投運電化學儲能項目的累計裝機規模達1769.9MW,同比增長56%，而且呈加速發展之勢。截至2016年底,我國投運的電化學儲能項目的累計裝機規模達243MW,同比增長72%；2016年新增投運規模101.4MW,同比增長299%，發展潛力大。據預測,到2020我國電化學儲能累計裝機規模將達2GW,約為2015年底累計裝機量的15倍[4]。

電化學儲能具有多種技術路線，包括鋰離子電池、鈉硫電池、鉛酸電池、液流電池等。截止2017年，中國電化學儲能格局中鋰電池占有其中60%的市場份額，鉛酸電池占35%，液流電池占4%。

（二） 電化學儲能比例分布


02 智慧能源的研究現狀

深圳市愛能森科技有限公司希望以愛能森核心儲能技術為主，盡量利用現有清潔能源供暖技術的優勢，同時解決其存在的部分問題，開發出一種投資少、供暖成本低、適用范圍廣、零碳排、零污染、安全穩定、啟動反應迅速的清潔能源供暖技術，儲能技術基本原理如下圖所示。

“大數據云計算”、“互聯網+”在能源領域具有廣闊前景，并逐步形成智慧能源的發展趨勢。隨著科學技術的進步，能源網絡與物聯網之間信息設施的連接與深度融合，能源系統運行狀態的數字化感知以及數據化管控已經開始得到了應用。一個完整的智慧能源系統至少應當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能源網絡在感知層和管理層的開發、整合和提升。

感知層包含感知對象、感知單元和傳感網絡。感知層與人體結構中皮膚和五官的作用類似，主要功能是識別物體、采集信息，以及信息傳遞。它首先通過傳感器、攝像頭等設備，采集外部物理世界的數據，然后通過RFID、藍牙、以太網等傳輸技術傳遞數據[5]。

圖（三） 感知層架構


管理層是智慧能源系統的“頂層設計”，對感知層采集的數據信息進行計算、處理和知識挖掘，從而實現對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。機器是不會“說話”的，管理層同時也扮演著連接人與機器對話的“橋梁”的角色，是實現人機交互的平臺，而這個平臺體現的形式是多種多樣的。

圖（四） 管理層架構


03 智慧能源在儲能的利用

儲能技術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間和空間上不匹配的矛盾，而且可以通過“峰谷電價”杠桿降低能源利用成本。在實際應用中為了適應能源供求隨機性和波動性的特點，最大化能源利用效益，智慧能源方案在儲能系統中主要解決以下3個問題：（一）什么情況開始儲存能量；（2）儲存多少能量；（3）如何合理利用儲存的能量。

以冰蓄冷中央空調為例，簡單闡述一下智慧能源在儲能領域的應用。冰蓄冷中央空調是利用夜間電網谷電制冰儲存在蓄冰裝置中，白天融冰將所儲存冷量釋放出來。冰蓄冷中央空調是屬于儲熱技術的衍生產品，是未來中央空調的發展的趨勢。冰蓄冷系統是20世紀70年代出現的新型儲能系統，具備良好的節能潛力，但一直沒有大范圍商業推廣。其中，能源智能管理的缺失正是限制冰蓄冷技術發展的主要短板之一。進入21世紀，萬物可聯，隨著智慧能源的推廣應用，冰蓄冷技術重新煥發蓬勃生機。

圖（五） 冰蓄冷工藝流程簡圖


為了最大化節能效益，冰蓄冷系統具有多種運行工況。峰平谷電價時段、外界大氣氣候條件、負荷需求變化是影響智慧能源決策運行工況切換的3個主要因素。根據預設的峰平谷時段以及感知元件探測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，智慧能源系統模擬負荷需求的變化曲線，然后下達執行指令遠程控制設備的啟停、閥門的開閉，從而實現運行工況的切換。為了更直觀的體現智慧能源系統的工作原理，接下來以制冰工況的切換為例進行簡述。從節能效益來說，冰蓄冷系統在谷電時段進行儲能的運行成本是最低的。但在實際上，這只是智慧能源系統在進行工況切換決策的眾多條件之一，此處不再贅述。

圖（六） 冰蓄冷工況切換簡圖


（表一）

04 應用前景

2016年，我國棄風和棄光電量分別達到497億千瓦時和74億千瓦時，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力電站都配套了儲能模塊。2018年我國通過審批的20個光熱電站全部要求配置儲能系統。近年來，我國“多能互補”示范工程在多個省市開工建設，風能、太陽能、空氣能、地熱能等多種可再生能源因地制宜與儲能系統耦合利用，其技術核心就是“儲能”+“智慧能源”。隨著可再生能源在我國能源結構中的比例逐年穩步上升，儲能大規模普及，智慧能源系統將會迎來發展的春天。

05 結語

實現能源的數據化管理是21世紀的能源革命的趨勢。智慧能源作為能源革命其中重要的一環，相關技術的研究和工程應用已經引起行業的重視。隨著“互聯網+”、物聯網的大規模普及，智慧能源勢必引領21世紀能源革命的潮流。