能源互联网从理论到实现 未来远距离输电方法展望 ■报告人：周修宁 ■队友：曾武 李梓畅 陈帕吉 李晓光
能源互联网从理论到实现 ——未来远距离输电方法展望 n 报告人：周修宁 n 队友：曾武 李梓畅 陈帕吉 李晓光
能源互联网理念的能源输送难题 信息互联网的一大魅力就在于它能够打破地域的限制，真 正的实现“天涯若比邻”。这是因为信息传输的门槛和成本都 相对比较低。 但当我们开始依靠现有的技术输送能量的时候，损耗问题 就相当严重了。尤其是在能源互联网的应用中，会使得对于长 途能量调剂的需求成几何式增长，到时线路损耗带来的经济损 失就会大的吓人了。 能源的光纤：一种大容量、低成本的能量输送通道
能源互联网理念的能源输送难题 信息互联网的一大魅力就在于它能够打破地域的限制，真 正的实现“天涯若比邻” 。这是因为信息传输的门槛和成本都 相对比较低。 但当我们开始依靠现有的技术输送能量的时候，损耗问题 就相当严重了。尤其是在能源互联网的应用中，会使得对于长 途能量调剂的需求成几何式增长，到时线路损耗带来的经济损 失就会大的吓人了。 能源的光纤：一种大容量、低成本的能量输送通道
特高压输电技术 特高压输电具有明显的经济效益。 据估计，1条1150千伏输电线路的输电能 力可代替5~6条500千伏线路，或3条750千伏 线路。 可减少铁塔用材三分之一，节约导线二 分之一，节省包括变电所在内的电网造价 10~15%0 1150千伏特高压线路走廊约仅为同等 输送能力的500千伏线路所需走廊的四分之 一0
特高压输电技术 特高压输电具有明显的经济效益。 据估计,1条1150千伏输电线路的输电能 力可代替5～6条500千伏线路,或3条750千伏 线路。 可减少铁塔用材三分之一,节约导线二 分之一,节省包括变电所在内的电网造价 10～15%。 1150千伏特高压线路走廊约仅为同等 输送能力的 500千伏线路所需走廊的四分之 一
面临的问题 囿于技术的局限性，与理论值有一定的差距： 本身自然功率的限制 高阻抗变压器对潮流的限制 高压电抗器在重负荷时的负面作用 … 特高压技术是传统技术线路的产物，带有第二 次工业革命的烙印，并不完美
面临的问题 囿于技术的局限性，与理论值有一定的差距： 本身自然功率的限制 高阻抗变压器对潮流的限制 高压电抗器在重负荷时的负面作用 …特高压技术是传统技术线路的产物，带有第二 次工业革命的烙印，并不完美
无线输电技术 1)基于电磁感应的短距离传输技术 通过电力电子技术提高磁场频率、降低气隙损 耗，实现无线电能的传输。 这种无线输电技术的特点是传输功率大，能达 千瓦级别，在极近距离内效率很高，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的短距离传 输
无线输电技术 1) 基于电磁感应的短距离传输技术 通过电力电子技术提高磁场频率、降低气隙损 耗，实现无线电能的传输。 这种无线输电技术的特点是传输功率大，能达 千瓦级别，在极近距离内效率很高，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的短距离传 输
无线输电技术 2)基于磁共振耦合的中距离传输技术 主要是利用发射线圈与接收线圈在系统本征频 率下发生强耦合现象来实现电能的高效传输。 由于电力电子器件的制约，传输功率提高到千 瓦级别时需要牺牲传输距离，甚至无法达到传 输所需的共振频率，从而影响传输效率
无线输电技术 2) 基于磁共振耦合的中距离传输技术 主要是利用发射线圈与接收线圈在系统本征频 率下发生强耦合现象来实现电能的高效传输。 由于电力电子器件的制约，传输功率提高到千 瓦级别时需要牺牲传输距离，甚至无法达到传 输所需的共振频率，从而影响传输效率
无线输电技术 3)基于微波/飞秒激光的长距离传输技术 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 接收天线 收并整流来实现的电能传输方式。 4500MW 地球 1979年，美国航空航天局NASA和美国能源部联 5000MW 合提出太阳能计划，建立“SPS太阳能卫星基准 系统”。按照估计，一块太阳能板可以接受1OGW 发射天线 的太阳能，地面接收装置可以接受5GW的太阳能。 能 轨道 4500MW 太阳电池板
无线输电技术 3) 基于微波/飞秒激光的长距离传输技术 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 收并整流来实现的电能传输方式。 1979 年，美国航 空航天局NASA和美国能源部联 合提出太阳能计划，建立 “SPS 太阳能卫星基准 系统”。按照估计，一块太阳能板可以接受10GW 的太阳能，地面接收装置可以接受5GW的太阳能
无线输电技术 4)基于飞秒激光的无线输电技术 利用超强超快激光在大气中传输时的非线性效应，将空气分子电离，从而 产生可长达十几公里的等离子体通道。将等离子体通道内存在的大量电子 作为载流子，可以为电能的转移提供媒介，其作用相当于在空气中架设的 一条虚拟导线。 该项技术能够实现几十公里距离的高效无线输电，传输的功率和可靠性有 待进一步地深入研究，适合于地面的大功率无线输电
无线输电技术 4）基于飞秒激光的无线输电技术 利用超强超快激光在大气中传输时的非线性效应，将空气分子电离，从而 产生可长达十几公里的等离子体通道。 将等离子体通道内存在的大量电子 作为载流子，可以为电能的转移提供媒介，其作用相当于在空气中架设的 一条虚拟导线。 该项技术能够实现几十公里距离的高效无线输电，传输的功率和可靠性有 待进一步地深入研究，适合于地面的大功率无线输电
高温超导输电技术 绝缘护套 电绝缘高真空与超级绝热材料 超导输电技术是利用高密度载流能力的 超导材料发展起来的新型输电技术，超 高温超导体材料 导输电电缆主要由超导材料、绝缘材料 和维持超导状态的低温容器构成。 骨架 1993年，法国人发现了135K,也就 液氮进 是零下138摄氏度条件下就能变成超导 液氮出 体的材料。 二十多年后的今天，超导温度已经提高 低温容器外波纹管低温容器内波纹管 到150+左右了
高温超导输电技术 超导输电技术是利用高密度载流能力的 超导材料发展起来的新型输电技术，超 导输电电缆主要由超导材料、绝缘材料 和维持超导状态的低温容器构成。 1993年，法国人发现了135K，也就 是零下138摄氏度条件下就能变成超导 体的材料。 二十多年后的今天，超导温度已经提高 到150+左右了
高温超导输电技术 1)损耗低。由于超导输电系统几乎没有输电损耗（交流输电时存在一定的交 流损耗)，其损耗主要来自循环冷却系统（对于交流输电也是如此），因此其 输电总损耗可降到常规电缆的25%。~5O%。 2)容量大。一条±8OOkV的超导直流输电线路的传输电流可达1O~ 5OkA,输送容量可达16OO~8OOO万kW,是普通特高压直流输电的 2~10倍。 3)体积小。由于载流密度高，超导输电系统的安装占地空间小，土地开挖 和占用减少，征地需求小，使利用现有的基础设施敷设超导电缆成为可能。 4)同时，超导输直流电电缆需要的冷却系统，如果采用液化天然气（液化温 度为11OK)或液氢（液化温度为27K)作为冷却介质，就可实现输电和 输气的一体化
1）损耗低。由于超导输电系统几乎没有输电损耗(交流输电时存在一定的交 流损耗)，其损耗主要来自循环冷却系统( 对于交流输电也是如此)，因此其 输电总损耗可降到常规电缆的25% ～ 50%。 高温超导输电技术 2）容量大。一条± 800 kV 的超导直流输电线路的传输电流可达10 ～ 50kA，输送容量可达1600 ～8000万kW，是普通特高压直流输电的 2 ～10倍。 3) 体积小。由于载流密度高，超导输电系统的安装占地空间小，土地开挖 和占用减少，征地需求小，使利用现有的基础设施敷设超导电缆成为可能。 4）同时，超导输直流电电缆需要的冷却系统，如果采用液化天然气(液化温 度为110 K) 或液氢( 液化温度为27 K) 作为冷却介质，就可实现输电和 输气的一体化