專利視角下儲(chǔ)能技術(shù)研究熱點(diǎn)分析

仇潔潔+++郜星月+++蔣貴凰

摘 要：隨著我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的興起，作為重要支撐和輔助技術(shù)的儲(chǔ)能技術(shù)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路上越來越受到人們的重視。而專利是技術(shù)創(chuàng)新的重要信息載體，是評(píng)價(jià)技術(shù)創(chuàng)新水平和分析技術(shù)創(chuàng)新熱點(diǎn)的重要途徑。研究基于近年我國(guó)在物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能以及電磁儲(chǔ)能三個(gè)方面專利申請(qǐng)數(shù)量的分布及變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)、鋰離子電池技術(shù)和超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)是未來研究的熱點(diǎn)方向，特別是超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中將會(huì)備受關(guān)注。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能技術(shù)；物理儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能；電容儲(chǔ)能

隨著不可再生能源一天天的減少，地球上人口數(shù)量的增多，人們對(duì)于資源的需求越來越多，可再生能源與能源的儲(chǔ)存成為一個(gè)新型研究熱點(diǎn)問題，儲(chǔ)能技術(shù)也隨之備受矚目。目前可再生能源在通信系統(tǒng)的不間斷電源和應(yīng)急電能系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)、偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車儲(chǔ)能裝置、大型后備電源等方面均得到應(yīng)用[1]。在我國(guó)，由于能源中心和電力負(fù)荷中心距離跨度大，在電力系統(tǒng)向大電網(wǎng)、大電機(jī)發(fā)展的情況下，儲(chǔ)能技術(shù)顯得尤為重要。專利作為技術(shù)創(chuàng)新的重要信息載體，可以直接反應(yīng)出一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新的能力和現(xiàn)狀。為了確定儲(chǔ)能技術(shù)目前的研究現(xiàn)狀和熱點(diǎn)方向，本文試圖通過對(duì)專利數(shù)據(jù)的分析，探討各類型儲(chǔ)能技術(shù)的地位和未來研究趨勢(shì)。

1 儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

通過對(duì)2009-2013年儲(chǔ)能技術(shù)方面專利的申請(qǐng)數(shù)量進(jìn)行年度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)無論是在實(shí)用新型專利方面還是發(fā)明型專利方面，均保持了較快速度的增長(zhǎng)，如圖1所示。這與整個(gè)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展態(tài)勢(shì)密切相關(guān)。

圖1 儲(chǔ)能專利申請(qǐng)年度分布情況

由于電能可以轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、電磁能、勢(shì)能、動(dòng)能等形式存在，按照其儲(chǔ)存的方式又可以分為物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能以及熱力儲(chǔ)能四大部分。物理儲(chǔ)能包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸蓄電池、鈉硫電池、液流電池、水鋰電、鋰離子電池；電磁儲(chǔ)能主要包括超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等[2]；熱力儲(chǔ)能包括熔鹽儲(chǔ)能和熱點(diǎn)儲(chǔ)能等。根據(jù)申請(qǐng)專利數(shù)量分析來看，熱力儲(chǔ)能技術(shù)近5年的專利申請(qǐng)數(shù)量遠(yuǎn)不及其它三種儲(chǔ)能技術(shù)，因此，研究重點(diǎn)對(duì)物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能以及電磁儲(chǔ)能三方面進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2 物理儲(chǔ)能熱點(diǎn)技術(shù)分析

抽水儲(chǔ)能是指在電力負(fù)荷低谷期將水從下池水庫抽到上池水庫，將電能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能儲(chǔ)存起來；當(dāng)負(fù)荷高峰時(shí)，利用存在上游水庫的水進(jìn)行發(fā)電。抽水儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能釋放時(shí)間小則幾小時(shí)，多則可以幾天，綜合效率高達(dá)70%～85%。但抽水儲(chǔ)能電站對(duì)地形條件、巖石強(qiáng)度、水質(zhì)、庫區(qū)情況、防滲性以及水源充足程度都有嚴(yán)格的要求。

壓縮空氣儲(chǔ)能是一種可以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能、大容量?jī)?chǔ)能的儲(chǔ)能方式。顧名思義，它可以通過壓縮空氣的方法儲(chǔ)存電能，在需要用電的時(shí)候，可以通過膨脹機(jī)做功將高壓空氣釋放從而產(chǎn)生電能[2]。和抽水儲(chǔ)能相比，壓縮空氣儲(chǔ)能站址選擇靈活，不需要建造地面水庫，地形條件容易滿足[3]。電站里儲(chǔ)氣庫是安全系數(shù)非常高的儲(chǔ)能設(shè)備，不僅漏氣開裂的可能性極小，比普通設(shè)備使用壽命長(zhǎng)。發(fā)電系統(tǒng)能夠發(fā)電靠的是氣室的密封性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等。壓縮空氣儲(chǔ)能電站建設(shè)投資和發(fā)電的成本均低于抽水儲(chǔ)能電站，主要應(yīng)用于電力調(diào)峰和系統(tǒng)備用。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種具有高能量轉(zhuǎn)換效率的儲(chǔ)能裝置，正如食品中有“綠色食品”一樣，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)技術(shù)在儲(chǔ)能技術(shù)中就可以稱之為“綠色儲(chǔ)能技術(shù)”。因?yàn)樵陲w輪儲(chǔ)能器中沒有活性的化學(xué)物質(zhì)，所以在其旋轉(zhuǎn)時(shí)，也不會(huì)發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。它主要由轉(zhuǎn)子、電動(dòng)機(jī)或者是發(fā)電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換器和真空室四部分構(gòu)成[4]。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要著力于研發(fā)提高能量密度的復(fù)合材料技術(shù)和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。為我國(guó)的新興產(chǎn)業(yè)提供了不可缺少的源動(dòng)力。

圖2是2009-2013年抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能以及飛輪儲(chǔ)能三個(gè)領(lǐng)域的專利數(shù)量，從中可以看出飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的專利數(shù)量明顯高于抽水儲(chǔ)能技術(shù)與壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，且其數(shù)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，說明飛輪儲(chǔ)能技術(shù)越來越受到人們的重視，將成為物理儲(chǔ)能技術(shù)中的重點(diǎn)研究方向。

圖2 物理儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比分析

當(dāng)今世界已經(jīng)出現(xiàn)了多種儲(chǔ)存能源的方式，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)憑借其具有使用壽命長(zhǎng)、高效環(huán)保、儲(chǔ)存能量密度大、充電放電速度快等特點(diǎn)在眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中脫穎而出。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及全球能源的短缺，對(duì)環(huán)保型汽車的需求越來越多，研發(fā)環(huán)保節(jié)能型汽車成為汽車制造業(yè)的一個(gè)重要趨勢(shì)，儲(chǔ)能密度大、使用壽命長(zhǎng)、充電速度快的新型儲(chǔ)能電源系統(tǒng)是該領(lǐng)域的核心點(diǎn)。而飛輪儲(chǔ)能技術(shù)憑借其充放電快捷、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，不僅越來越廣泛的應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的許多行業(yè)，而且非常適合運(yùn)用于混合電動(dòng)汽車中。在車輛行駛或是緊急剎車制動(dòng)時(shí)，可給飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)迅速充電，補(bǔ)充能量；而在車輛加速或是上坡過程中，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)則能快速放電。給汽車提供動(dòng)力，保證汽車平穩(wěn)運(yùn)行，減少燃料損耗，延長(zhǎng)汽車使用壽命。除此之外，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還可用于電車、航空航天、可再生能源、電磁發(fā)射、鐵路交通等眾多領(lǐng)域。

3 電化學(xué)儲(chǔ)能熱點(diǎn)技術(shù)分析

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在我國(guó)儲(chǔ)能領(lǐng)域占據(jù)著相當(dāng)重要的位置。大到工廠機(jī)械運(yùn)作，小到手機(jī)電池，這些都需要化學(xué)物質(zhì)的變化與反應(yīng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，為我們的生活提供便捷。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要包括鉛酸蓄電池、鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池四大技術(shù)。鉛酸蓄電池，主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車行業(yè)。由于其內(nèi)部極板上的化學(xué)物質(zhì)，在通電和不通電條件下，會(huì)起不同的方向的化學(xué)反應(yīng)，從而在電解質(zhì)中實(shí)現(xiàn)充電和放電過程。鈉硫電池，分別以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的電池。工作過程中，鈉離子在隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲(chǔ)存。其優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)挝惶崞饍?chǔ)能高；可大電流、大功率放電。液流電池是一種新型的大型電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其反應(yīng)物質(zhì)是流動(dòng)的電解質(zhì)，目前技術(shù)不夠成熟，還有待探索。鋰離子電池，通過鋰離子在正負(fù)極之間運(yùn)作從而電子流動(dòng)，產(chǎn)生移動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)放電。其目前基本用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品中[5]。目前水溶液鋰電池，將一片極薄的金屬鋰，被特制的復(fù)合膜緊密包裹，在中性水溶液中與尖晶石錳酸鋰組合，實(shí)現(xiàn)電子流動(dòng)，形成電流。傳統(tǒng)鋰電池生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)要求高，還存在較大的安全隱患。而水溶液鋰電池安全性能高，離子導(dǎo)電性高，成本低。而且發(fā)電用時(shí)短，能量效率高。可應(yīng)用于手機(jī)、電動(dòng)車等領(lǐng)域，發(fā)展前景非常好。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)涉及領(lǐng)域多，需要深入研究的問題多，發(fā)展空間大。endprint

圖3是2009-2013年各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的專利分布情況。總體來看電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的專利成上升趨勢(shì)，其中鋰離子電池方面的專利數(shù)位居第一位，鉛酸蓄電池位居第二，液流電池位居第三位，鈉硫電池近三年有一定的研究成果。

圖3 電化學(xué)儲(chǔ)能熱點(diǎn)分析

從圖3中可以看出鋰電池為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的熱點(diǎn)。具有充放電電壓穩(wěn)定、高效環(huán)保無污染、能源儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的鋰離子電池是世界上應(yīng)用最為廣泛的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置[6]。因此其在手機(jī)儲(chǔ)能界備受青睞。但鋰離子電池也十“嬌氣”。第一放電電流不能過大，電流過大電池內(nèi)部工作溫度過高，會(huì)對(duì)電池造成永久性損傷；第二，不能夠過度放電，當(dāng)放電電壓過低會(huì)造成內(nèi)部可逆反應(yīng)，很可能導(dǎo)致電池報(bào)廢。現(xiàn)在使用的鋰電池內(nèi)部都裝有保護(hù)電路，在恰當(dāng)?shù)碾妷合孪刃纬蓴嗦罚Ｗo(hù)鋰電池。鋰電池從1970年發(fā)展至今，通過正負(fù)極材料的更換，不斷提升性能，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域始終處于領(lǐng)先地位，是便攜式電子器械的主要電源[7]。鋰離子電池也是一種綠色環(huán)保電源，多塊鋰離子電池的捆綁能形成大存儲(chǔ)量的電池，因此，鋰離子電池也具有非常優(yōu)越的發(fā)展前景。

4 電磁儲(chǔ)能熱點(diǎn)技術(shù)分析

電磁儲(chǔ)能主要包括超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能。超導(dǎo)儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)體的電阻為零特性制成的儲(chǔ)存電能的裝置，其不僅可以在超導(dǎo)體電感線圈內(nèi)無損耗地儲(chǔ)存電能，還可以通過電力電子換流器與外部系統(tǒng)快速交換有功和無功功率，用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電品質(zhì)[8]。一般是由制冷裝置、超導(dǎo)線圈、變流裝置、超導(dǎo)線圈和測(cè)控系統(tǒng)等部件組成。調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)峰谷，改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等通常都是利用超導(dǎo)儲(chǔ)能這一功能，此外，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)也可用于降低或者是消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，從而提高電網(wǎng)的頻率和電壓等特性。相對(duì)于物理儲(chǔ)能技術(shù)與電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)本身具有許多特點(diǎn)：超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠無損耗的儲(chǔ)存能量，它的轉(zhuǎn)化效率高達(dá)90%；通過電力電子器件的變流技術(shù)與電網(wǎng)的連接中，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度非常快，可達(dá)毫秒級(jí)；因?yàn)槠鋬?chǔ)存能量與功率調(diào)制系統(tǒng)的容量可單獨(dú)在較大的范圍內(nèi)選擇，所以需要多大的功率就可將超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)建成多大的功率；超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在建造時(shí)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，大大提高了其使用壽命，且其制造材料較環(huán)保，不會(huì)造成很大的環(huán)境污染。目前，我國(guó)在超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的研究方面投入了大量的人力和財(cái)力，并且取得了一些不錯(cuò)的成就，在國(guó)際上，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)已成為在儲(chǔ)能技術(shù)方面的一個(gè)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)技術(shù)。

超級(jí)電容器又叫做雙層電容器，通過極化電解質(zhì)的方式儲(chǔ)能。超級(jí)電容器是一種電化學(xué)元件，但是在它儲(chǔ)能的過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能的過程也是可逆的，也正是因?yàn)樗倪@種特性，超級(jí)電容器可以反復(fù)充電多達(dá)數(shù)十萬次，且不會(huì)造成環(huán)境污染[9]。超級(jí)電容器曾被視為多孔電解板，其懸浮在電解質(zhì)中，在它的極板上加電，正、負(fù)極分別吸引負(fù)離子、正離子，實(shí)際上就可以形成兩個(gè)存儲(chǔ)層，被分離開的正、負(fù)離子分別在負(fù)極板與正極板周圍。因?yàn)槭唾Y源短缺，而且燃燒石油的同時(shí)排放大量的尾氣對(duì)環(huán)境污染及其嚴(yán)重，尤其是在一線城市，人們正在研究能夠替代石油的清潔能源裝置。已經(jīng)對(duì)化學(xué)電池產(chǎn)品，物理能源裝置、燃料電池等做了一系列的研究，而且取得了一定的成果。但是由于其溫度適應(yīng)范圍小、污染環(huán)境、使用率低、機(jī)器設(shè)備昂貴等劣勢(shì)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域方面一直沒有找到好的解決辦法。而超級(jí)電容器具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)[10]，它的發(fā)明為儲(chǔ)能技術(shù)帶來了新的光明，以其特性幾乎能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)電池產(chǎn)品在動(dòng)力能源領(lǐng)域的位置，目前應(yīng)用于電車電源、電子類電源以及電力系統(tǒng)，今后會(huì)具有更加廣泛的用途。

圖4為2009-2013年電磁儲(chǔ)能技術(shù)在超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能兩個(gè)領(lǐng)域的專利數(shù)量，可以發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的專利數(shù)量在近五年較少，而超級(jí)電容儲(chǔ)能的專利數(shù)量則呈上升趨勢(shì)，成為未來電磁儲(chǔ)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

盡管超導(dǎo)儲(chǔ)能較早受到關(guān)注，進(jìn)行研發(fā)，但從目前專利數(shù)據(jù)來看，超級(jí)電容儲(chǔ)能將超越超導(dǎo)儲(chǔ)能成為電磁儲(chǔ)能技術(shù)的熱點(diǎn)研究方向。超級(jí)電容器的誕生到現(xiàn)在，雖然只有短短的三十多年，但是微型的超級(jí)電容器在小型的機(jī)器設(shè)備中已得到廣泛的應(yīng)用，例如電腦、相機(jī)等高科技設(shè)備中的內(nèi)存系統(tǒng)，或是一些間接性用電的輔助設(shè)施，超級(jí)電容器在其中都起著不可替代的作用。而較大尺寸的超級(jí)電容器則被應(yīng)用于汽車及其自動(dòng)化以及對(duì)新能源的采集方面，由此可以看出，超級(jí)電容器在這些領(lǐng)域有著巨大的潛力。

5 結(jié)束語

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)、鋰離子電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)將成為儲(chǔ)能技術(shù)的核心研究方向。這幾種儲(chǔ)能技術(shù)都有以下幾個(gè)共同點(diǎn)：（1）相比其他儲(chǔ)能技術(shù)，安全性相對(duì)較高，其中鋰離子電池因?yàn)樵诎踩苑矫娴膬?yōu)異表現(xiàn)，而被廣泛應(yīng)用。（2）儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)的條件相對(duì)容易，無論是飛輪儲(chǔ)能還是超級(jí)電容儲(chǔ)能，都不需要類似于超高溫度或超高壓力這類的極端條件，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的外部條件相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。（3）都有其過人的優(yōu)點(diǎn)，飛輪儲(chǔ)能是一種高效率充放電、綠色環(huán)保、使用壽命極高的一種儲(chǔ)能技術(shù)；鋰電池有安全性高、充電快、電壓高、工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)；而超級(jí)電容器具有使用壽命長(zhǎng)、能量密度高、環(huán)保性能高等特點(diǎn)。但是每種技術(shù)仍然有其局限性，譬如飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用面較為單一；鋰電池電流不能太大，溫度不能太高，且不能過度放電；超級(jí)電容器成本十分高昂等，因此儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)需要多種技術(shù)的結(jié)合使用，以滿足社會(huì)各行各業(yè)的多種需求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉堅(jiān).儲(chǔ)能技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（4）：410-421.

[2]陳海生，劉金超，郭歡，等.壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)原理[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（2）：146-151.

[3]駱妮，李建林.儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的研究進(jìn)展[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（2）：71-79.

[4]李 ，王詩陽，趙金龍，基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其工程應(yīng)用[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（3）：276-280.

[5]吳宇平.電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)及其材料[J].世界科學(xué)，2010（3）：36-37.

[6]張翼.電力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程.2012， 31（4）：81-84.

[7]鄭杰允，李泓.鋰電池的基本科學(xué)問題[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（5）：503-513.

[8]墨柯.超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展簡(jiǎn)介[J].新材料產(chǎn)業(yè)， 2013（9）：61-63.

[9]蔡國(guó)營(yíng)，王亞軍，謝晶，等. 超級(jí)電容器儲(chǔ)能特性研究[J].電源世界， 2009（1）：33-38.

[10]姜 ，尹忠東.超級(jí)電容器在電力控制和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（3）：222-226.endprint

圖3是2009-2013年各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的專利分布情況。總體來看電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的專利成上升趨勢(shì)，其中鋰離子電池方面的專利數(shù)位居第一位，鉛酸蓄電池位居第二，液流電池位居第三位，鈉硫電池近三年有一定的研究成果。

圖3 電化學(xué)儲(chǔ)能熱點(diǎn)分析

從圖3中可以看出鋰電池為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的熱點(diǎn)。具有充放電電壓穩(wěn)定、高效環(huán)保無污染、能源儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的鋰離子電池是世界上應(yīng)用最為廣泛的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置[6]。因此其在手機(jī)儲(chǔ)能界備受青睞。但鋰離子電池也十“嬌氣”。第一放電電流不能過大，電流過大電池內(nèi)部工作溫度過高，會(huì)對(duì)電池造成永久性損傷；第二，不能夠過度放電，當(dāng)放電電壓過低會(huì)造成內(nèi)部可逆反應(yīng)，很可能導(dǎo)致電池報(bào)廢。現(xiàn)在使用的鋰電池內(nèi)部都裝有保護(hù)電路，在恰當(dāng)?shù)碾妷合孪刃纬蓴嗦罚Ｗo(hù)鋰電池。鋰電池從1970年發(fā)展至今，通過正負(fù)極材料的更換，不斷提升性能，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域始終處于領(lǐng)先地位，是便攜式電子器械的主要電源[7]。鋰離子電池也是一種綠色環(huán)保電源，多塊鋰離子電池的捆綁能形成大存儲(chǔ)量的電池，因此，鋰離子電池也具有非常優(yōu)越的發(fā)展前景。

4 電磁儲(chǔ)能熱點(diǎn)技術(shù)分析

電磁儲(chǔ)能主要包括超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能。超導(dǎo)儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)體的電阻為零特性制成的儲(chǔ)存電能的裝置，其不僅可以在超導(dǎo)體電感線圈內(nèi)無損耗地儲(chǔ)存電能，還可以通過電力電子換流器與外部系統(tǒng)快速交換有功和無功功率，用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電品質(zhì)[8]。一般是由制冷裝置、超導(dǎo)線圈、變流裝置、超導(dǎo)線圈和測(cè)控系統(tǒng)等部件組成。調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)峰谷，改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等通常都是利用超導(dǎo)儲(chǔ)能這一功能，此外，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)也可用于降低或者是消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，從而提高電網(wǎng)的頻率和電壓等特性。相對(duì)于物理儲(chǔ)能技術(shù)與電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)本身具有許多特點(diǎn)：超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠無損耗的儲(chǔ)存能量，它的轉(zhuǎn)化效率高達(dá)90%；通過電力電子器件的變流技術(shù)與電網(wǎng)的連接中，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度非常快，可達(dá)毫秒級(jí)；因?yàn)槠鋬?chǔ)存能量與功率調(diào)制系統(tǒng)的容量可單獨(dú)在較大的范圍內(nèi)選擇，所以需要多大的功率就可將超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)建成多大的功率；超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在建造時(shí)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，大大提高了其使用壽命，且其制造材料較環(huán)保，不會(huì)造成很大的環(huán)境污染。目前，我國(guó)在超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的研究方面投入了大量的人力和財(cái)力，并且取得了一些不錯(cuò)的成就，在國(guó)際上，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)已成為在儲(chǔ)能技術(shù)方面的一個(gè)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)技術(shù)。

超級(jí)電容器又叫做雙層電容器，通過極化電解質(zhì)的方式儲(chǔ)能。超級(jí)電容器是一種電化學(xué)元件，但是在它儲(chǔ)能的過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能的過程也是可逆的，也正是因?yàn)樗倪@種特性，超級(jí)電容器可以反復(fù)充電多達(dá)數(shù)十萬次，且不會(huì)造成環(huán)境污染[9]。超級(jí)電容器曾被視為多孔電解板，其懸浮在電解質(zhì)中，在它的極板上加電，正、負(fù)極分別吸引負(fù)離子、正離子，實(shí)際上就可以形成兩個(gè)存儲(chǔ)層，被分離開的正、負(fù)離子分別在負(fù)極板與正極板周圍。因?yàn)槭唾Y源短缺，而且燃燒石油的同時(shí)排放大量的尾氣對(duì)環(huán)境污染及其嚴(yán)重，尤其是在一線城市，人們正在研究能夠替代石油的清潔能源裝置。已經(jīng)對(duì)化學(xué)電池產(chǎn)品，物理能源裝置、燃料電池等做了一系列的研究，而且取得了一定的成果。但是由于其溫度適應(yīng)范圍小、污染環(huán)境、使用率低、機(jī)器設(shè)備昂貴等劣勢(shì)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域方面一直沒有找到好的解決辦法。而超級(jí)電容器具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)[10]，它的發(fā)明為儲(chǔ)能技術(shù)帶來了新的光明，以其特性幾乎能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)電池產(chǎn)品在動(dòng)力能源領(lǐng)域的位置，目前應(yīng)用于電車電源、電子類電源以及電力系統(tǒng)，今后會(huì)具有更加廣泛的用途。

圖4為2009-2013年電磁儲(chǔ)能技術(shù)在超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能兩個(gè)領(lǐng)域的專利數(shù)量，可以發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的專利數(shù)量在近五年較少，而超級(jí)電容儲(chǔ)能的專利數(shù)量則呈上升趨勢(shì)，成為未來電磁儲(chǔ)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

盡管超導(dǎo)儲(chǔ)能較早受到關(guān)注，進(jìn)行研發(fā)，但從目前專利數(shù)據(jù)來看，超級(jí)電容儲(chǔ)能將超越超導(dǎo)儲(chǔ)能成為電磁儲(chǔ)能技術(shù)的熱點(diǎn)研究方向。超級(jí)電容器的誕生到現(xiàn)在，雖然只有短短的三十多年，但是微型的超級(jí)電容器在小型的機(jī)器設(shè)備中已得到廣泛的應(yīng)用，例如電腦、相機(jī)等高科技設(shè)備中的內(nèi)存系統(tǒng)，或是一些間接性用電的輔助設(shè)施，超級(jí)電容器在其中都起著不可替代的作用。而較大尺寸的超級(jí)電容器則被應(yīng)用于汽車及其自動(dòng)化以及對(duì)新能源的采集方面，由此可以看出，超級(jí)電容器在這些領(lǐng)域有著巨大的潛力。

5 結(jié)束語

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)、鋰離子電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)將成為儲(chǔ)能技術(shù)的核心研究方向。這幾種儲(chǔ)能技術(shù)都有以下幾個(gè)共同點(diǎn)：（1）相比其他儲(chǔ)能技術(shù)，安全性相對(duì)較高，其中鋰離子電池因?yàn)樵诎踩苑矫娴膬?yōu)異表現(xiàn)，而被廣泛應(yīng)用。（2）儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)的條件相對(duì)容易，無論是飛輪儲(chǔ)能還是超級(jí)電容儲(chǔ)能，都不需要類似于超高溫度或超高壓力這類的極端條件，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的外部條件相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。（3）都有其過人的優(yōu)點(diǎn)，飛輪儲(chǔ)能是一種高效率充放電、綠色環(huán)保、使用壽命極高的一種儲(chǔ)能技術(shù)；鋰電池有安全性高、充電快、電壓高、工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)；而超級(jí)電容器具有使用壽命長(zhǎng)、能量密度高、環(huán)保性能高等特點(diǎn)。但是每種技術(shù)仍然有其局限性，譬如飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用面較為單一；鋰電池電流不能太大，溫度不能太高，且不能過度放電；超級(jí)電容器成本十分高昂等，因此儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)需要多種技術(shù)的結(jié)合使用，以滿足社會(huì)各行各業(yè)的多種需求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉堅(jiān).儲(chǔ)能技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（4）：410-421.

[2]陳海生，劉金超，郭歡，等.壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)原理[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（2）：146-151.

[3]駱妮，李建林.儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的研究進(jìn)展[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（2）：71-79.

[4]李 ，王詩陽，趙金龍，基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其工程應(yīng)用[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（3）：276-280.

[5]吳宇平.電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)及其材料[J].世界科學(xué)，2010（3）：36-37.

[6]張翼.電力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程.2012， 31（4）：81-84.

[7]鄭杰允，李泓.鋰電池的基本科學(xué)問題[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（5）：503-513.

[8]墨柯.超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展簡(jiǎn)介[J].新材料產(chǎn)業(yè)， 2013（9）：61-63.

[9]蔡國(guó)營(yíng)，王亞軍，謝晶，等. 超級(jí)電容器儲(chǔ)能特性研究[J].電源世界， 2009（1）：33-38.

[10]姜 ，尹忠東.超級(jí)電容器在電力控制和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（3）：222-226.endprint

圖3是2009-2013年各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的專利分布情況。總體來看電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的專利成上升趨勢(shì)，其中鋰離子電池方面的專利數(shù)位居第一位，鉛酸蓄電池位居第二，液流電池位居第三位，鈉硫電池近三年有一定的研究成果。

圖3 電化學(xué)儲(chǔ)能熱點(diǎn)分析

從圖3中可以看出鋰電池為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的熱點(diǎn)。具有充放電電壓穩(wěn)定、高效環(huán)保無污染、能源儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的鋰離子電池是世界上應(yīng)用最為廣泛的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置[6]。因此其在手機(jī)儲(chǔ)能界備受青睞。但鋰離子電池也十“嬌氣”。第一放電電流不能過大，電流過大電池內(nèi)部工作溫度過高，會(huì)對(duì)電池造成永久性損傷；第二，不能夠過度放電，當(dāng)放電電壓過低會(huì)造成內(nèi)部可逆反應(yīng)，很可能導(dǎo)致電池報(bào)廢。現(xiàn)在使用的鋰電池內(nèi)部都裝有保護(hù)電路，在恰當(dāng)?shù)碾妷合孪刃纬蓴嗦罚Ｗo(hù)鋰電池。鋰電池從1970年發(fā)展至今，通過正負(fù)極材料的更換，不斷提升性能，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域始終處于領(lǐng)先地位，是便攜式電子器械的主要電源[7]。鋰離子電池也是一種綠色環(huán)保電源，多塊鋰離子電池的捆綁能形成大存儲(chǔ)量的電池，因此，鋰離子電池也具有非常優(yōu)越的發(fā)展前景。

4 電磁儲(chǔ)能熱點(diǎn)技術(shù)分析

電磁儲(chǔ)能主要包括超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能。超導(dǎo)儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)體的電阻為零特性制成的儲(chǔ)存電能的裝置，其不僅可以在超導(dǎo)體電感線圈內(nèi)無損耗地儲(chǔ)存電能，還可以通過電力電子換流器與外部系統(tǒng)快速交換有功和無功功率，用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電品質(zhì)[8]。一般是由制冷裝置、超導(dǎo)線圈、變流裝置、超導(dǎo)線圈和測(cè)控系統(tǒng)等部件組成。調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)峰谷，改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等通常都是利用超導(dǎo)儲(chǔ)能這一功能，此外，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)也可用于降低或者是消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，從而提高電網(wǎng)的頻率和電壓等特性。相對(duì)于物理儲(chǔ)能技術(shù)與電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)本身具有許多特點(diǎn)：超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠無損耗的儲(chǔ)存能量，它的轉(zhuǎn)化效率高達(dá)90%；通過電力電子器件的變流技術(shù)與電網(wǎng)的連接中，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度非常快，可達(dá)毫秒級(jí)；因?yàn)槠鋬?chǔ)存能量與功率調(diào)制系統(tǒng)的容量可單獨(dú)在較大的范圍內(nèi)選擇，所以需要多大的功率就可將超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)建成多大的功率；超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在建造時(shí)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，大大提高了其使用壽命，且其制造材料較環(huán)保，不會(huì)造成很大的環(huán)境污染。目前，我國(guó)在超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的研究方面投入了大量的人力和財(cái)力，并且取得了一些不錯(cuò)的成就，在國(guó)際上，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)已成為在儲(chǔ)能技術(shù)方面的一個(gè)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)技術(shù)。

超級(jí)電容器又叫做雙層電容器，通過極化電解質(zhì)的方式儲(chǔ)能。超級(jí)電容器是一種電化學(xué)元件，但是在它儲(chǔ)能的過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能的過程也是可逆的，也正是因?yàn)樗倪@種特性，超級(jí)電容器可以反復(fù)充電多達(dá)數(shù)十萬次，且不會(huì)造成環(huán)境污染[9]。超級(jí)電容器曾被視為多孔電解板，其懸浮在電解質(zhì)中，在它的極板上加電，正、負(fù)極分別吸引負(fù)離子、正離子，實(shí)際上就可以形成兩個(gè)存儲(chǔ)層，被分離開的正、負(fù)離子分別在負(fù)極板與正極板周圍。因?yàn)槭唾Y源短缺，而且燃燒石油的同時(shí)排放大量的尾氣對(duì)環(huán)境污染及其嚴(yán)重，尤其是在一線城市，人們正在研究能夠替代石油的清潔能源裝置。已經(jīng)對(duì)化學(xué)電池產(chǎn)品，物理能源裝置、燃料電池等做了一系列的研究，而且取得了一定的成果。但是由于其溫度適應(yīng)范圍小、污染環(huán)境、使用率低、機(jī)器設(shè)備昂貴等劣勢(shì)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域方面一直沒有找到好的解決辦法。而超級(jí)電容器具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)[10]，它的發(fā)明為儲(chǔ)能技術(shù)帶來了新的光明，以其特性幾乎能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)電池產(chǎn)品在動(dòng)力能源領(lǐng)域的位置，目前應(yīng)用于電車電源、電子類電源以及電力系統(tǒng)，今后會(huì)具有更加廣泛的用途。

圖4為2009-2013年電磁儲(chǔ)能技術(shù)在超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能兩個(gè)領(lǐng)域的專利數(shù)量，可以發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的專利數(shù)量在近五年較少，而超級(jí)電容儲(chǔ)能的專利數(shù)量則呈上升趨勢(shì)，成為未來電磁儲(chǔ)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

盡管超導(dǎo)儲(chǔ)能較早受到關(guān)注，進(jìn)行研發(fā)，但從目前專利數(shù)據(jù)來看，超級(jí)電容儲(chǔ)能將超越超導(dǎo)儲(chǔ)能成為電磁儲(chǔ)能技術(shù)的熱點(diǎn)研究方向。超級(jí)電容器的誕生到現(xiàn)在，雖然只有短短的三十多年，但是微型的超級(jí)電容器在小型的機(jī)器設(shè)備中已得到廣泛的應(yīng)用，例如電腦、相機(jī)等高科技設(shè)備中的內(nèi)存系統(tǒng)，或是一些間接性用電的輔助設(shè)施，超級(jí)電容器在其中都起著不可替代的作用。而較大尺寸的超級(jí)電容器則被應(yīng)用于汽車及其自動(dòng)化以及對(duì)新能源的采集方面，由此可以看出，超級(jí)電容器在這些領(lǐng)域有著巨大的潛力。

5 結(jié)束語

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)、鋰離子電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)將成為儲(chǔ)能技術(shù)的核心研究方向。這幾種儲(chǔ)能技術(shù)都有以下幾個(gè)共同點(diǎn)：（1）相比其他儲(chǔ)能技術(shù)，安全性相對(duì)較高，其中鋰離子電池因?yàn)樵诎踩苑矫娴膬?yōu)異表現(xiàn)，而被廣泛應(yīng)用。（2）儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)的條件相對(duì)容易，無論是飛輪儲(chǔ)能還是超級(jí)電容儲(chǔ)能，都不需要類似于超高溫度或超高壓力這類的極端條件，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的外部條件相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。（3）都有其過人的優(yōu)點(diǎn)，飛輪儲(chǔ)能是一種高效率充放電、綠色環(huán)保、使用壽命極高的一種儲(chǔ)能技術(shù)；鋰電池有安全性高、充電快、電壓高、工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)；而超級(jí)電容器具有使用壽命長(zhǎng)、能量密度高、環(huán)保性能高等特點(diǎn)。但是每種技術(shù)仍然有其局限性，譬如飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用面較為單一；鋰電池電流不能太大，溫度不能太高，且不能過度放電；超級(jí)電容器成本十分高昂等，因此儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)需要多種技術(shù)的結(jié)合使用，以滿足社會(huì)各行各業(yè)的多種需求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉堅(jiān).儲(chǔ)能技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（4）：410-421.

[2]陳海生，劉金超，郭歡，等.壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)原理[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（2）：146-151.

[3]駱妮，李建林.儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的研究進(jìn)展[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（2）：71-79.

[4]李 ，王詩陽，趙金龍，基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其工程應(yīng)用[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（3）：276-280.

[5]吳宇平.電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)及其材料[J].世界科學(xué)，2010（3）：36-37.

[6]張翼.電力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程.2012， 31（4）：81-84.

[7]鄭杰允，李泓.鋰電池的基本科學(xué)問題[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（5）：503-513.

[8]墨柯.超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展簡(jiǎn)介[J].新材料產(chǎn)業(yè)， 2013（9）：61-63.

[9]蔡國(guó)營(yíng)，王亞軍，謝晶，等. 超級(jí)電容器儲(chǔ)能特性研究[J].電源世界， 2009（1）：33-38.

[10]姜 ，尹忠東.超級(jí)電容器在電力控制和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（3）：222-226.endprint