能源互联网嘅发展趋势及前景分析

图一：能源互联网嘅未来形态

（资料来源：公开资料，本翼资本整理）

一、能源互联网主要技术瓶颈

未来嘅能源互联网唔剩只只是实现输配电嘅功能，核心瓶颈其实系喺能源嘅储存和传输方式上，要想实现能源像信息一样无处唔喺、随时存取嘅目标，就必须要喺储能技术和无线能量传输技术上突破。储能技术和无线能量传输技术喺能源互联网嘅发电侧、电网侧以及用户侧都可以发挥能源存储和分配嘅作用。

目前中国大量使用火力发电，新能源发电嘅渗透率较低，但为实现碳达标、碳中和嘅目标，中国必将大力促进新能源发电，风电、光伏发电等可再生能源发电存喺间歇性，且波动性强，唔可预测性强，当新能源大量并入电网时，会增加电网嘅波动，或者会对电网安全造成冲击。短期内可以使用水电、火电等传统能源辅助新能源平滑并网，但喺长期新能源大量接入时，传统能源不足以调节，会对电网造成冲击，因此储能技术嘅应用十分重要。此外，现而家能源嘅传输主要是采用有线嘅方式，传输速度相对慢，前期建设时间长，维护成本高，且唔可以做到无处唔达，随用随取。而家喺用户侧有好多短距离无线传输技术投入应用，技术喺唔断完善进步，未来长距离无线传输技术若能突破，喺发电侧和电网侧都会有极大应用，无线能量传输才是未来嘅能源传输方式。

图二：中国同全球主要国家发电方式对比

（资料来源：公开资料，本翼资本整理）

首先喺发电侧必定会减少化石燃料嘅使用，更多利用清洁能源发电，其中光伏发电是最有潜力嘅可再生发电方式，目前光伏发电嘅转化效率可以达到24%，未来可以达到40%，发电并唔系技术瓶颈。但太空中光伏发电能产生远多于大气中发电产生嘅电能，因此理想状态下，太空中光伏发电产生嘅电能可以用无线能量传输技术传输到地面嘅发电站，实现更高效率嘅光伏发电。

由于可再生能源具有波动性和间歇性，产生嘅电能难以恰好满足用电需求，此时储能技术嘅应用就十分必要；电网侧传统嘅能源传输方式都系有线嘅，传输效率慢、磨损率高、成本昂贵，若想做到能源无处唔达、随时存取就必须要摆脱线嘅束缚，因此研究无线能量传输技术尤其必要。此外，喺电网侧，装备储能设备对电能削峰填谷、调频调压也十分重要；喺用户侧，新嘅应用场景（如智能汽车、智能家居等）嘅市场前景远大，对无线充电嘅需求越来越高，主要技术瓶颈就是短距离嘅无线传输技术，其次喺用户侧装备小型储能设备对紧急备用、分时电价管理也有重要作用。

二、两种技术介绍

2.1无线能量传输技术（WPT）

WPT技术按传输机理嘅唔同，可分为磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式、激光方式、电场耦合式及超声波方式等；按照收发端耦合空间位置变化可分为静态充电、准动态以及动态无线充电方式。

图三：无线电能传输技术分类

（资料来源：公开资料，本翼资本整理）

2.1.1传输机理唔同嘅无线充电传输技术

喺这几种WPT技术度，受到较多关注嘅主要有磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式和激光方式。其度，微波辐射式和磁感应耦合式起步较早，技术发展得较为成熟；而激光方式和磁耦合谐振式起步较迟，仍有好多问题亟待解决。

a.基于电磁感应嘅短距离传输技术

感应耦合电能传输技术(Inductively Coupled Power Transmission，ICPT)系一种以感应耦合原理为基础嘅无线电能传输模式。主要以磁场做为电能传输嘅媒介，基于变压器疏松感应耦合嘅构造，通过电力电子技术提高磁场频率、降低气隙损耗，实现无线电能嘅传输。呢种无线输电技术嘅特点是传输功率大，能达千瓦级别，喺极近距离内效率好高，但传输效率会随传输距离增加和接收端位置变化而显著减小，所以该技术一般用于厘米级嘅短距离传输。

b.基于磁共振耦合嘅中距离传输技术

磁共振耦合无线输电技术(Resonant Wireless PowerTransmission，RWPT)主要是利用发射线圈同接收线圈喺系统本征频率下发生强耦合现象来实现电能嘅高效传输。呢种传输方式可以越过某啲材料和金属障碍物，喺线圈直径嘅几倍距离内，以MHz频率嘅磁近场传输电能。传输效率较高，而且喺传输区域内接收端嘅位置变化对效率唔会产生显著影响。由于电力电子器件嘅制约，传输功率提高到千瓦级别时需要牺牲传输距离，甚至无办法达到传输所需嘅共振频率，从而影响传输效率。

c.微波能量传输

微波能量传输(Microwave Power Transmission，MPT)是无线能量传输嘅一种，通过能量转换装置将电能转化为微波形式，利用发射天线向目标位置定向发送微波，再经接收装置接收并整流来实现嘅电能传输方式。微波能量传输嘅目嘅喺于唔通过任何质量来完成能量嘅远距离传输。呢种传输技术适合应用于距离较长、容量较大嘅电能传输场合，例如将空间太阳能电站嘅能量传回地面，向平流层飞艇和轨道卫星供电等。微波输电技术喺对埋入式传感器和植入式医疗设备等进行电能嘅传输时，将对人体造成未知嘅影响，喺功率较大嘅场合甚至直接造成损伤，因而微波输电技术唔适用于医疗器械充电方面嘅电能传输。由于微波嘅能束有一定嘅功率密度，将对现有嘅微波系统造成一定干扰，因此呢种传输方式多用于环境影响较小嘅场合。

由于微波无线输电技术是目前将能量从卫星传送到地球嘅相对成熟嘅技术，最适合于地面向空间或者空间向地面嘅大功率无线输电，因此被应用到空间太阳能电站嘅方案度，而且可以应用到电力中继卫星中。随住科学技术嘅发展，微波无线输电系统效率嘅提高和尺寸嘅减小将使该技术具有更强嘅竞争力。

d.激光能量传输

激光无线输电技术(Laser Power Transmission，LPT)嘅原理是电源为激光器供电，激光器将电能转换成激光并由光学系统准直并发射，通过瞄准同追踪系统获取目标位置并进行实时跟踪，控制发射机将激光束照射到激光电池上，激光电池将激光光能转换成电能，经过电源管理系统获得电能输入，驱动目标动力装置及电子设备或对目标上嘅储能装置充电。由于激光具有波长短、单色性好、方向性好、高单色亮度嘅特点，一般而言，LPT相比于MPT具有设备体积较小、传输距离较远、无电磁干扰嘅特点。

e.总结

磁感应耦合式和磁耦合谐振式利用发射线圈产生嘅交变磁场将电能耦合到接收线圈，从而实现对负载嘅无线电能传输。其度，磁感应耦合式技术发展较为成熟，传输功率较大，喺较短嘅传输距离内传输效率较高，随住传输距离嘅增大，传输效率迅速变小；磁耦合谐振式是磁感应耦合式嘅一种特例，通过发射接收线圈嘅磁耦合谐振实现高效非辐射能量传输，传输距离比磁感应式要大，属于中等距离 WPT技术。微波辐射式和激光方式WPT利用电磁场远场辐射效应喺自由空间进行电能传输，微波辐射式传输距离较远，传输过程中嘅大气损耗较小，但微波发散角大，功率密度低；而激光方式WPT具有定向性好、能量密度高等特点，但定向精度要求高，目前技术仍唔够成熟。

每种传输方式都有其特点和应用场合，如下表所示。

表一：传输方式特点对比

（资料来源：公开资料，本翼资本整理）

2.1.2 按收发端耦合方式空间位置唔同嘅无线充电技术

a.静态无线充电系统

静态无线充电系统以电磁场为原理，高频电源、电磁耦合器、能量变换模块和静止负载为电能流通主路，集成检测、通信、控制和保护电路，收发端依靠高频电磁场实现为静止负载充电。其应用主要包括电子设备、智能家居和医疗器件等功率需求较小以及电动汽车和工业机器人等大功率能量传输场景。

图四：静态无线充电系统工作原理图

（资料来源：微信公众号“马少爷”，本翼资本整理）

b.动态无线供电系统

动态无线供电系统是以电磁场为原理,高频电源、电磁耦合器、能量变换模块和移动负载为电能流通主路,集成检测、传感、通信、控制和保护电路,收发端依靠高频动态电磁场实现为移动负载实时供电。其同静态无线电能传输系统相比,原理采用感应耦合同电磁谐振协同工作方式,最大差异喺于电磁耦合系统结构设计、补偿拓扑和控制策略方面,并且动态供电系统喺系统复杂程度、技术成熟度以及建造经济性等方面均需要进一步提升。该系统主要应用于高铁列车、有轨电车和电动汽车等场景。下图为电动汽车动态无线供电系统结构框图。呢种供电方式可保证移动受电体实时获取电能,有效避免‌电池续航能力弱和充电时间长嘅弊端,同时也极大地减轻‌受电体嘅质量。

图五：动态无线充电系统工作原理图

（资料来源：微信公众号“马少爷”，本翼资本整理）

2.1.3 总结

感应式同谐振式无线充电嘅传输距离短，主要应用喺家用电子、医疗设备、交通运输、物联网、水下探测设备嘅充电上，无办法满足电网传输配电嘅距离长嘅要求；而激光虽然传输距离长，但目前技术尚未突破，经过大气层会严重降低传输效率所以主要应用场景系喺太空度，短期内可能无办法应用喺电网输配电上；微波无线能量传输可能系近年来最有可能应用喺电网传输能源嘅无线输电方式，但是传输功率过小，只能作为特高压电网嘅补充。长期来睇，激光无线能量传输传输功率足够，若能突破聚光及接收技术将会比微波更有潜力。

表二：无线能量传输技术应用及技术成熟度对比

（资料来源：公开资料，本翼资本整理）

2.2能源储存方式

由于能源危机同环境问题，全球能源嘅消耗正逐渐从传统化石能源转向第啲清洁高效能源。高效清洁能源嘅存储是电动汽车和智能电网嘅关键技术，对新能源、新材料和新能源汽车国家战略新兴产业嘅发展具有重要意义。锂离子电池是目前广泛应用嘅一种能源存储器件。电动汽车和智能电网对能量密度、功率密度、循环寿命和成本等方面嘅要求越来越高，传统嘅锂离子电池面临巨大挑战，发展下一代能源存储技术迫喺眉睫。

一般将储能分为电力储能，热同冷储能，一次、二次燃料储能等。其度，电力储能包含电物理储能、电化学储能、电磁储能。电物理储能是采用水、空气等作为储能介质，电化学储能是利用化学元素作为储能介质，电磁储能主要利用超级电容、超导作为储能介质。氢储能也系一种十分有潜力嘅技术手段。

2.2.1 现状

从技术路线来睇，抽水储能嘅装机容量是所有储能技术方案中所占比例最大嘅，其次是电化学储能方式，其中锂离子电池喺该方式嘅装机容量最大，电化学储能中86.2%是锂离子电池，如图6所示。从地域分布上睇，美国嘅累计装机占比最大，为31%；中国和日本分列第二、三位，占比达到24.3%和19.7%。从发展历程来睇，国际市场中电力公司、公用事业公司、电网公司正喺度加大力度部署储能项目。

图六: 全球各类型储能技术所占比重

（资料来源：《全球能源互联网中嘅储能技术及应用》，本翼资本整理）

现已商用或示范电池储能技术主要有铅蓄电池、锂离子电池、钠基电池、液流电池以及超级电容器、镍基电池、锌空气电池等。

图七：已商用或示范电池储能技术

（资料来源：《电池储能技术发展现状》，本翼资本整理）

2.2.2 未来发展趋势

主流储能技术成熟度如图8所示。锂离子电池凭借自身能量密度大、功率性能高、响应速度快等优势，目前已成为应用最广泛嘅一种储能电池技术；铅蓄电池是具有较长发展历史嘅一种化学储能技术，由于性能稳定、成本低廉，喺分布式发电和微网领域有大量应用案例；液流电池和钠硫电池由于具有储能时间长、容量大、循环周期长等优势，目前已经成为先进大容量电化学储能技术嘅代表，备受大规模可再生能源并网示范项目嘅青睐；超级电容和高速飞轮储能已喺轨道交通、制动能量回收等非电力系统领域中得到成熟应用，喺电力系统中通常会同能量型储能技术配合应用，以充分发挥其功率性能优势；抽水蓄能和传统压缩空气储能技术相对成熟，适合百兆瓦及以上规模嘅储能应用，并已实现商业化应用；超导储能技术喺电力系统中嘅应用仲未成熟，距离规模化应用仍需要一定嘅时间。

图八：主流储能技术嘅技术成熟度对比

（资料来源：公开资料，本翼资本整理）

超级电容器嘅特点：电容量大、可以大电流放电、免维护而且环保、充放电寿命长、工作温度范围宽、可任意并联增加电容量、快速充电。超导储能系统具有效率高、功率密度高、响应速度快、循环次数无限等优点。

表三：主流储能技术嘅特点对比

（资料来源：公开资料，本翼资本整理）

储能系统作为泛喺电力物联网嘅关键支撑，可有效弥补风电、光伏等间歇式新能源并网时畀电网安全稳定运行带来嘅挑战，唔但能提高系统运行嘅稳定性，同时仲够晒优化系统结构。通过喺发电侧配置储能，可以有效解决风电、光伏等可再生能源嘅波动性和间歇性，显著提高风能、光能嘅消纳水平；喺负荷侧配置储能，可以有效实现需求侧管理，提高供电质量，降低用户嘅用电成本；喺输配电侧配置储能，可以为系统提供无功支持，缓解线路阻塞，延缓输配电设备嘅扩容升级。此外，储能还可以参同电力系统辅助服务，为系统提供调峰、调频、电压支持和备用容量等服务。

目前储能参同电网调峰嘅研究主要集中喺储能系统嘅容量配置和控制策略等方面。调频辅助服务主要是通过调节电网中嘅有功出力，实现对电网频率及联络线功率嘅控制，以解决区域电网嘅短时随机功率唔平衡问题。

储能技术喺能源互联网嘅应用可以喺发电侧、电网侧以及用户侧。喺发电侧及电网侧嘅储能系统主要功能就是削峰填谷，促进可再生能源嘅消纳使能源能平滑输出，所以对储能技术嘅要求唔仅需要容量大更需要响应速度快、循环次数高，所以未来超级电容以及超导储能喺发电侧和电网侧嘅应用可能大幅上升。第啲嘅化学储能方式响应速度都系百毫秒级，尤其系锂离子电池正处于黄金发展期，未来能量密度可能会更大，短期内锂离子电池储能项目占比可能会继续领跑，第啲金属离子电池以及金属空气电池也将随住技术嘅唔断成熟喺储能领域有一席之地，尤其系钠离子电池以及锌空气电池、锂空气电池等。抽水储能虽然技术成熟成本低，但是安全性差，响应时间长、效率唔高、体积大，喺未来可能占比会逐渐下降，而随住氢储能技术嘅唔断成熟，氢燃料电池可能会逐步替代抽水储能嘅地位。

图九：储能多元应用场景

（资料来源：公开资料，本翼资本整理）

三、能源互联网嘅发展趋势

传统能源供应体系由能源生产端到能源传输端再到能源消费端，能源流（发、输、变、配、用）单向唔可逆。能源生产端嘅发电方式主要有风电、水电、火电、光伏、核电；能源传输端主要包括输电、变电、配电；能源消费端主要有楼宇、汽车、燃气、照明、取暖等。

能源电力领域中能源产生、能源消费、能源传输等环节正喺度发生住变化，能源互联网逐步形成。能源产生：一次能源向绿色、清洁、可再生转变；能源运输：电网向高电压大电网、广域互连发展，配电网柔性自适应、潮流多向。能源消费：电能替代和再电气化成为趋势，新兴负荷（电动汽车、分布式新能源等）涌现；

3.1 发电侧：降低火电比例，提高清洁能源利用，可能利用无线能量传播技术发电，并喺发电侧装备储能

化石能源使用带来嘅环保问题也愈发严峻，为实现碳达峰和碳中和嘅目标，必须加大清洁能源嘅使用，减少火力发电嘅占比。可再生能源（风能和太阳能）最为显著嘅问题喺于其唔稳定性和间歇性。因此，风能和太阳能有必要同储能结合以达到平滑电能输出、吸收过剩嘅新能源发电以减少“弃风弃光”。

图十：储能技术将大幅降低弃能率，并提高发电利用效率

（资料来源：公开资料，本翼资本整理）

无线能量传输：未来嘅能源互联网喺发电侧主要应用嘅无线能量传输方式可能系微波和激光无线能量传输，喺太空中光伏发电，将电转化为微波或激光，定向传输到地面嘅接收站上。

储能技术：①喺新能源并网方面，通过风能、光伏发电进行制氢，并结合燃料电池进行集中发电或建设分布式电站系一种极具应用前景嘅新能源消纳手段。呢种策略嘅优势喺于利用储氢呢一中间途径作为缓冲，缓解风能、太阳能发电嘅唔稳定性，通过燃料电池发电提供稳定嘅电力输出，减少‌调控电站嘅投入。同时，同新能源结合嘅电化学储能装置需要大容量、高功率、能够长期唔间断循环嘅电池系统，呢对目前以锂离子电池为代表嘅二次电池而言是较为严峻嘅技术难题，而通过燃料电池电堆嘅设计恰恰能够实现唔间断地大功率电能输出。②喺发电侧调频方面，传统嘅装机结构以火电和水电机组为主，尤其系装机规模最大嘅火电机组，存喺响应速度慢、爬坡时间长嘅问题。频繁地调节发电机组嘅输出功率还会加重机组嘅磨损，降低工作寿命。化学电源及电磁储能系统具有响应迅速、功率高、配置灵活等优点。化学电源响应速度快，能够达到毫秒级，且可以快速转换调节方向。同发电机输出功率变化会额外增加燃料消耗和机械结构磨损唔同，电池系统喺充放电过程中没有上述损耗。因此采用电化学或者电磁储能系统通过功率嘅吸收、释放调节频率能够有喺有效提高调频效率嘅同时降低机组嘅故障率。

3.2 电网侧：特高压电网同储能结合，化学电池具有应用前景

清洁能源喺全国范围大规模开发后，需要通过配置同使用平台，使清洁能源喺全国范围内流动，我国具有资源同负荷中心呈逆向分布、清洁能源嘅生产集中喺西部同北部地区(包含67%嘅水能、90%嘅风能和80%嘅太阳能资源)、距离东部同中部负荷中心1000-4000公里嘅特点。呢啲客观条件决定‌我国必须构建以特高压骨干网为核心嘅资源优化配置平台，构建能源互联网，先能将西部同北部地区生产嘅清洁能源长距离地输送到东部同中部负荷中心。

无线能量传输：因为磁感应和磁共振无线能量传输传输距离短、输出功率低，喺电网侧应用唔多。微波和激光无线能量传输若能攻克喺大气中嘅能量损耗问题，将会喺输配电中发挥重要作用，真正做到随用随取、动态分配。

储能技术：电网侧嘅储能主要为电网提供削峰填谷、调频调压等服务。虽然抽水蓄能具有容量高、响应迅速等优点，但其建设受限于地理条件，且投资成本高、建设周期长，喺一定程度上限制‌抽水储能嘅进一步应用。相比之下，化学电源储能具有地势要求小、容量配置灵活、易于模块化和建设周期短嘅优点，喺调压调频、应急响应方面极具应用前景。