我国能源转型论文发表率

全球应对气候变化行动的加速使得当前能源技术创新格局正在发生深度调整，本章将基于创新投入、创新产出、创新战略演进三个角度对全球能源技术创新的总体趋势进行分析。创新投入趋势：投入演化呈现四个阶段，投向更加倾斜可再生能源科技决定能源的未来，科技创造未来的能源。能源技术创新在全球能源革命中起决定性作用，是各国科技创新的重点关注方向，从近40年全球能源技术研究、开发与示范（RD&D）的投入演化历程上看，总体上可分为四个阶段：一是长期缩减阶段。IEA成员国的政府RD&D投入在1980-2000年间的投入持续减少，2000年时总投入为111亿美元，仅为1980年的47%。二是复苏阶段。进入21世纪后随着全球能源、环境问题的凸显，主要国家普遍增加了相关投入，IEA成员国的政府总投入预算在2001-2009年间迎来了快速增长，2009年时已大幅攀升至246亿美元。三是经济危机阶段。在全球经济危机的背景下，能源研发投入在政府支出中的优先级有所降低，以美国、日本、巴西为代表的主要投入大国纷纷削减了相关开支，使得2010-2016年间全球预算总额呈下降趋势。四是零碳目标阶段。2016年底《巴黎协定》正式实施，协议提出的在本世纪下半叶实现净零排放的长期目标使得发展低碳能源技术成为了世界各国的迫切需要，因此IEA成员国从2017年起普遍提高了能源技术的RD&D预算。图1 1980-2020年IEA成员国能源研究、开发与示范（RD&D）政府预算总额（单位：百万美元），资料来源：IEA全球能源技术的研发投入侧重也在发生着深刻变革，其中，更加关注清洁能源技术、清洁能源技术发展更加倾向可再生能源领域是两大突出趋势。一方面，IEA成员国化石燃料技术的RD&D占比在上世纪90年代之前呈上升趋势，随后开始降低，2020年时仅占7%，较1990年下降了13%，反映出全球能源研发体系中清洁能源技术的优先级得到提升。另一方面，清洁能源技术领域的研发趋势由极度聚焦核能向核能、可再生能源协调发展的方向进行转变，从数据上看，1974年时IEA国家核能RD&D占比高达75%，可再生能源RD&D的占比仅为3%，而到了2020年核能所占比重大幅减少至21%，可再生能源所占比重则提升至20%（含氢能）。图2 1974-2020年IEA成员国能源研究、开发与示范（RD&D）政府投向的演化趋势（单位：%），资料来源：IEA虽然能源技术的研发投入在近年来呈现出上升趋势，但能源创新在全球创新格局中的地位仍然不高，存在较大的提升空间。从世界主要国家的总体研发结构上看，能源技术研发投入占国家研发总投入的比重均较低，以2020年为例，美国为1.2%，中国为2.2%，法国为3.7%，德国为1.4%。风险投资的行业分布情况也同样印证了能源创新的受重视程度仍有待大幅提升，以中国与美国2020年的风险投资情况进行说明，可发现中美当年收到的能源行业风险投资分别为4.38亿美元、19.8亿美元，分别仅占两国当年收到风险投资总额的0.7%、1.6%，而同年IT行业的占比分别高达40%与41%。图3 2020年主要国家能源技术RD&D情况，数据来源：IEA、NSF、国家统计局、法国国家经济研究和统计局、德国联邦统计局图4 2020年中美收到的风险投资的行业分布（单位：百万美元），数据来源：NSF创新产出趋势：可再生能源创新产出快速增长，光伏是其主要来源能源技术创新投入的增长也使得新的能源科技成果不断涌现，正在并将持续改变世界能源格局。

行业主要上市公司：宁德时代(002074);派能科技(688063);国轩高科(002074);比亚迪(002594);亿纬锂能(300014);星云股份(300648);均胜电子(600699);科列技术(832432);国电南瑞(600406);华自科技(300490);金风科技(002202);阳光电源(300274);盛弘股份(300693);科华恒盛(002335);科士达(002518)、固德威(688390);阳光电源(300274);科陆电子(002121);南都电源(300068);德赛电池(000049);赣锋锂业(002460)等

本文核心数据：储能板块上市公司研发费用;储能相关论文发表数量

全文统计口径说明：1)论文发表数量统计以“energy storage”为关键词，选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月29日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。

储能产业技术概况

1、储能的界定及分类

(1)储能的界定

从广义上讲，储能即能量存储，是指通过一种介质或者设备，把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来，基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的循环过程。

从狭义上讲，储能特指针对电能的存储，即利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施。

(2)储能的分类

根据不同储能技术储存介质的不同，储能主要分为机械储能、电化学储能、热储能、化学储能、电磁储能等。利用这些储能技术，电能以机械能、化学能、热能等形式存储下来，并适时反馈回电力网络。

2、技术全景图：五大细分技术路线

储能分为机械储能、电磁储能、电化学类储能、热储能以及化学储能五大类技术路线。

储能产业技术发展历程：始于20世纪60年代

从我国储能产业技术发展历程始于20世纪60年代，我国开始抽水蓄能电站研究，并建立第一座混合式抽水蓄能电站-岗南水电站;到20世纪90年代，抽水蓄能电站建设迎来高潮;至21世纪初期，国内开始其他储能技术的研究，包含压缩空气储能、电化学储能等，并于2010年之后加快了压缩空气、全钒液流电池等储能技术的落地，加快推动储能技术的多元化发展。

储能产业技术政策背景：政策加持技术水平提升

近些年来，我国提出了一系列储能产业技术发展相关政策，加速了储能产业链的发展，同时对储能关键技术做出了标准规范，使得储能技术水平稳步提升。

储能产业技术发展现状

1、储能产业技术科研投入现状

(1)国家重点研发计划项目

据已公开的国家重点研发计划项目，2018-2021年我国储能产业技术相关国家重点研发计划项目共计27项，其中2021年就有22项。

注：2019年未公布储能产业技术相关国家重点研发计划项目。

(2)A股上市企业研发费用

储能行业经过多年发展，储能项目广泛应用，行业整体研发投入水平较高。从A股市场来看，2017-2021年，我国储能板块上市公司研发总费用逐年增长，2022年第一季度，储能板块上市公司研发总费用约228.45亿元。

2、储能产业技术科研创新成果

(1)论文发表数量

从储能相关论文发表数量来看，2010年至今我国储能相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势，可见储能科研热度持续走高。截至2022年8月，我国已有90294篇储能相关论文发表。

注：统计时间截至2022年8月。

(2)技术创新热点

通过创新词云可以了解储能技术领域内最热门的技术主题词，分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中最近5000条专利中最常见的关键词，其中，储能系统、储能电池等关键词涉及的专利数量较多，说明储能领域近期的研发和创新重点集中于储能系统、储能电池等领域。

(3)专利聚焦领域

从储能产业技术专利聚焦的领域看，目前储能产业技术专利聚焦领域较明显，其主要聚焦于储能系统、储能电池等。

主要储能产业技术对比分析

从储能技术成熟度看，目前机械储能市场技术成熟度较高，电化学储能技术(储能电池中)锂离子电池、铅酸电池均步入成熟阶段;液流电池仍处在研发示范阶段;钠硫电池处于部署阶段之中。

其中，成熟度较高的主要储能技术优缺点及应用领域如下：

储能技术发展痛点及突破

1、储能技术发展痛点

(1)成本较高

成本问题是目前储能技术面临的挑战之一。以锂离子电池为例，尽管随着锂离子电池技术的快速提升和电池规模化生产能力的提高，锂离子电池的成本有所下降;但相比其他储能方式，锂离子电池的成本仍然处于较高水平。对比抽水蓄能和磷酸铁锂电池的全生命周期度电成本来看，锂离子电池的成本远远高于抽水蓄能，约为抽水蓄能度电成本的1.7倍。

(2)安全问题

安全问题是储能发展需要解决的重点。近年来，国内外多次发生储能电站安全事故，其中多数为锂电池储能。据不完全统计，2021年全球发生9起储能安全事故，其中“4·16”北京大红门储能电站起火爆炸事故便是由于锂电池内部短路引起。

(3)地理环境限制

地理环境的限制也是储能技术发展的一大挑战，例如抽水储能和压缩空气储能。以抽水蓄能电站的建设为例，首先要充分考虑当地的地质条件和自然条件，例如多为砾岩、砂岩等地下岩石，而且为无地震、台风、洪水、干旱等隐患灾害。其次，抽水蓄能电站的建设对上、下水库的高度差和水平距离也有所要求。

2、储能技术发展突破

(1)液流电池有望解决安全问题

液流电池具有安全性高、寿命长、规模大等优势，有望解决锂离子电池的安全隐患问题。

(2)模块化储能技术突破地理限制

目前很多科研人员以及公司都在研究如何让储能技术突破地理上的限制，模块化部署是可以突破例如热岩储能技术、铁空气电池技术、液态空气储能技术等，都已实现了模块化部署，这种模块化的部署能为长时储能带来诸多好处。

储能技术发展方向及趋势：技术路线多元化

《“十四五”新型储能发展实施方案》指出要推动多元化技术开发，开展不同技术路线分类试点示范。其中，对锂离子电池要求往高安全、低成本、长寿命的方向发展，另外也提出重点发展液流电池、金属空气电池、热储能等长时储能技术。

「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，瞄准国际科技前沿，服务国家重大战略需求，围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为企业创新找到技术突破口，为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校，二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化，拥有55项专利、33篇论文，并已将30多种产品推向市场，创造商业价值50+亿元，专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。

以上数据参考前瞻产业研究院《锂电池行业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》。

新能源是指传统能源之外的各种能源形式。我整理了浅谈新能源技术论文，欢迎阅读!

论新能源发电技术

摘要：本文从全球能源的现状，介绍了中国能源发电技术的应用情况，发现中国新能源发电对现代化建设具有重要战略意义。进一步介绍了风力发电系统和燃料电池发电系统两种新能源发电技术。风力发电是当今非水可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式，也是近期发展的重点。燃料电池是一种将化学能直接转换成电能的装置，它能量转化效率高，几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。

关键词：新能源;风能;燃料电池;发电技术

中图分类号： F206 文献标识码： A

能源紧缺已成为制约各国经济发展的瓶颈，如何开发先进安全的新能源使用技术、如何提高能源利用率也随之成为世界各国关心的课题。欧盟就首先提出了20-20-20计划：到2020 年，可再生能源占欧盟总能源消耗的20%。2007年12月，美国前总统布什也签署了《能源独立和安全法案》(EISA)，从而大力推动新能源的使用和节能计划。另外，从环境的角度来看，为了保护人们赖以生存的地球，开发新能源也是必由之路。

一、我国能源和发电技术的现状

2011年，我国新能源发电继续保持快速发展态势，并网装机容量持续增长，发电量不断增加。截至2011年底，我国新能源安装容量达到7000万kW，居世界首位，并网新能源装机容量达到5409万kW，同比增长47.4%，约占全部发电装机容量的5.1%。其中，风电并网容量约占并网新能源装机总量的85.5%;并网太阳能光伏装机容量约占并网新能源装机总量的4.4%;生物质及其他新能源发电装机容量约占并网新能源装机总量的10.1%。

2011年，我国新能源发电量约为1016亿kW?h，同比增长29.9%，约占全部发电量的2.2%。其中，风电发电量约占新能源发电总量的72.0%;太阳能光伏发电约占0.9%;生物质及其他新能源发电约占27.1%。2011年我国新能源发电量按发电煤耗320g/(kW?h)计算，相当于节约3241万tce，减排二氧化碳9030万t。

电能是国民生活和生产的根基，无论是从能源角度，还是电力系统自身方面来看，研究新能源发电技术对于我国的现代化建设和人民生活都具有相当大的现实意义和战略意义。

二、风力发电技术

风能资源主要包括陆地资源与近海离岸资源两部分。风力发电是当今非水可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式，也是目前新能源发展的重点方向。

1.发展现状

近年来，我国风力发电产业取得了长足发展，这与我国的风能资源丰富密不可分。据有关资料显示，陆地上离地面10米高度处，我国风能资源理论储量约为43亿千瓦，技术可开发量约为3亿千瓦，离地面50米，估计可能增大一倍;近海资源10米高经济可开发量约7.5亿千瓦，50米高约15亿千瓦。从我国联网风电场总装机量来说，到2006 年底，我国已建成约91个风电场，装机总容量达到约260万千瓦，比2005年新增装机134万千瓦，增长率为105%。根据国家中长期规划，2015年风能发电要达到1500万千瓦，2020年要达到3000万千瓦。但是，与风电发达国家相比，我国的发展规模还很小，发展速度也较缓慢。制约我国风电发展的重要因素包括技术和制度两个方面。技术方面，风电机组的制造水平较低，风电机组性能测试设备和技术也相对落后，并缺少相应的认证机构;制度方面，风电场的运行维护水平和制度与国外风电场及国内火电生产相比有明显差距，缺乏对运行过程中出现的问题和故障的详细记录、分析。

2.对电力系统的影响

风力发电机是以风作为原动力，风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的电能输出也是波动和间歇的。所以，风电场的大规模接入将会带来波动功率，从而加重电网负担，影响电网供电质量和电网稳定性等。

(1)对电能质量的影响。空气气流运动导致的风速波动周期一般为几秒到几分钟，这种短周期的风速波动以及风电机组本身的运行特性可能影响电网的电能质量。首先会对频率产生影响：风力发电有功功率波动引起电磁功率的波动，由于发电机组转子惯性，调节系统很难跟上电磁功率的瞬时变化，造成功率不平衡，使发电机转速变化，系统频率也将改变。此外，风电还会对电压产生影响：并网风电机组输出功率的波动导致电压的波动，而其输出功率的频率范围正处于电压闪变的范围之内(25Hz)，因此又会造成电压闪变，最后会产生谐波电压和谐波电流。

(2)对电网稳定性的影响。对较为薄弱的电网，风电功率波动将导致瞬间电压跌落以及风力发电机的频繁掉线。在故障清除之后，发电机的磁化和转差率的增加会消耗大量无功，导致电网电压恢复困难。

(3)对调频调峰能力的影响。气流长时间、季节性运动导致的风速波动周期一般为数小时，甚至数天、数月，这种长周期的风速波动会增加现有电网调频调峰的负担。负荷曲线的低谷期常常对应了风电出力的高峰期，风电场的并网发电使电网的等效负荷峰谷差增大，大大增加了电网调频调峰负担。

三、太阳能光伏电池发电技术

1. 1 太阳能光伏电池

太阳能光伏电池发电也简称为太阳能光伏发电，被认为是未来世界上发展最快和最有前途的一种可再生新能源技术。太阳能光伏电池的基本原理是利用半导体的“光生伏打效应”( 光伏效应) 将太阳的光能直接转换成电能。能利用光伏效应产生电能的物质，称为光伏材料。利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的器件叫太阳能光伏电池或光伏电池。光伏电池是太阳能光伏发电的核心组件。

1839 年，法国物理学家贝克勒尔 ( Edmond Bec-qurel) 发现: 将两片金属浸入电解液中所构成的伏打电池，当接收到太阳光照射时电压升高，他在所发表的论文中把这种现象称为“光生伏打效应( PhotovohaicEffect) ”。“光生伏打效应”是不均匀半导体或半导体与金属混合材料在光照作用下，其内部可以传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，因而在不同部位之间产生电位差的现象。1941 年，奥尔在硅材料上发现了光伏效应，从而奠定了半导体硅在太阳能光伏发电中广泛应用的基础。1954 年，美国贝尔实验室的科学家恰宾( Darryl Chapin) 和皮尔松( Gerald Pearson) 研制成功世界上第一个实用的单晶硅光伏电池。同年，韦克尔发现砷化镓具有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成世界上第一块薄膜光伏电池。我国2010 年 12 月投入运行的大丰 20 MW 光伏电站，是目前全国最大的薄膜光伏电站，年发电量2 300 万 kW·h。

太阳能光伏电池的工作原理如图 1 所示。

在半导体中掺加杂质制成 PN 结，以形成在平衡状态时具有的内建电场，在该内建电场的作用下分离由外界激发而生成的过剩载流子，从而形成外部电压。在光照条件下，半导体中的电子吸收光子能量从价带跃入导带，形成电子———空穴对，成为载流子。生成载流子所需要的最低能量是半导体的禁带宽度 Eg，使用禁带宽度较小的材料制作的太阳能电池可以形成较大的电流。

基于单晶硅的第一代光伏电池是目前太阳能光伏电池市场的主流，其光电转换率已达 24. 7%; 基于薄膜技术的第二代光伏电池的光电转换效率已达到16. 5% ～ 18. 8% 。由于薄膜光伏电池大大减少了半导体材料的消耗，因此具有很好的发展前景。应该指出，光伏电池在光电转换过程中，光伏材料既不发生任何化学变化，也不产生任何机械磨损，因此太阳能光伏电池是一种无噪音、无气味、无污染的理想清洁能源。2006 年，我国太阳能电池生产总量首次达到400 MW，从而超过美国成为全球第三大生产国，也是世界上发展最快的国家。

1. 2 太阳能光伏电站

太阳能光伏电站是将若干个光伏转换器件即光伏电池封装成光伏电池组件，再根据需要将若干个组件组合成一定功率的光伏阵列，并与储能、测量、控制装置相配套，构成太阳能光伏电站。

太阳能光伏电池具有很大的灵活性，不仅可以用其建设零星规格的电站，而且可以组成应用于小型、分散电力用户的太阳能光伏发电系统。这种独立运行的太阳能光伏发电系统称之为离网型太阳能光伏发电系统。

由于受昼夜日照变化及天气的影响，离网型光伏发电系统通常需要和其他电源形式联合使用，比如柴油发电机组以及蓄电池组，从而增大了电站的投资和维护费用。离网型光伏发电系统往往建在距离电网较远的偏远山区及荒漠地带，向独立的区域用户供电。西藏措勒 20 kW 光伏电站是我国建设较早的离网型光伏电站，总投资 290 万元，1994 年 12 月正式投产发电。

离网型太阳能光伏电站系统如图 2 所示。

电站的发电系统由太阳能光伏电池方阵、蓄电池组、直流控制器、直流 - 交流逆变器、交流配电柜和备用电源系统( 包括柴油发电机组和整流充电柜) 等组成。其工作原理为太阳能光伏电池方阵经过直流控制柜向蓄电池组供电，并根据需要整定蓄电池组的上限和下限电压，由直流控制柜自动控制充电。蓄电池组通过直流控制柜向直流 - 交流逆变器供电，经逆变器将直流电变换成三相交流电，再通过交流配电柜以三相四线制向用户供电。当蓄电池组的电压下降到下限电压时，为不造成蓄电池组的过渡放电，直流控制柜将自动切除其输出电路，使直流 - 交流逆变器停止工作。柴油发电机组为电站的备用电源，必要时由备用电源通过整流充电柜向蓄电池组充电，或在光伏发电系统出现故障及停运时直接通过交流配电柜向用户供电。直流 - 交流逆变器和柴油发电机组不能同时向用户供电，为此必须在交流配电柜中设置互锁装置以保证供电电源的唯一性。

当太阳能光伏电站的容量达到一定规模时，还可与电网相联，即所谓的并网型光伏电站。这时，如果本地负荷不足，则可将多余的电能输送给电网。当本地太阳能发电量不足时，则由电网向用户提供电能。因此，并网型光伏电站可以不需要使用蓄能装置，减少系统投资和维护费用。同时由于与电网的互济，提高了发电设备的利用率和供电用电的安全可靠性，是大规模开发太阳能发电技术的必然趋势。我国第一座并网型光伏电站是 2006 年建成投运的西藏羊八井可再生能源基地 100 kW 高压并网光伏电站。2010 年底全国首个光伏并网发电项目敦煌 2 ×10 MW 光伏发电项目建成投产。

四、结论与展望

本文从全球和我国的能源现状出发，分析说明了新能源发电技术是当前迫切而有实际价值的研究课题，进而具体介绍了风力发电系统和燃料电池发电系统的特点以及我国在这两个方面的发展现状。新能源不仅仅指风能和燃料电池，还包括生物质能、海洋能、地热能和光伏电池等。我国乃至全世界的新能源发电技术发展的潜力都是巨大的。在人类明天的舞台上，新能源将取代化石燃料，扮演重要的角色。

参考文献：

[1] 徐德鸿 . 新能源电力电子导论 [D]. 杭州 : 浙江大学 ,2009.

[2] 郝伟, 舒隽, 张粒子. 新能源发电技术综述 [C].华北电力大学第五届研究生学术交流年会 ,2007.

[3] 施涛.燃料电池发电系统的建模与仿真 [D].南京:东南大学,2007:5-6,63-64.

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