储能材料

分析丨基于文献计量的储能技术国际发展态势

2020-02-28 13:28:09 储能科学与技术 作者:陈启梅 等

通过对储能领域高影响力论文的研究主题分析可知,电化学储能、可再生能源微电网储能、相变储能材料、蓄热系统以及混合储能系统等技术在近10年受到科研人员的高度关注,这些技术同时也在相关产业得到了较快的发展和应用。

(来源:微信公众号“储能科学与技术” ID:esst2012 作者:陈启梅 等)

摘要

当今世界各国积极推进可再生能源的开发和利用,对现有电网系统的正常运行和调度提出了严峻的挑战,寻找和实施具有成本效益和可持续性的储能系统变得非常重要。

常用的储能技术主要有物理储能、电化学储能、化学储能和相变储能四类。本文利用INSPEC数据库检索全球储能技术相关研究论文,采用文献计量学方法,借助VOSviewer知识图谱分析工具,对储能论文进行定量统计和主题聚类分析。

可视化结果显示,全球储能论文产出数量保持持续快速增长趋势,中国已成为全球储能论文产出贡献最大的国家,产出了超过五分之一的储能论文和超过四成的高被引论文。中国、美国、日本和德国等国家都比较关注超级电容器、石墨烯储能材料以及电化学电池等技术的发展。

储能技术与若干学科交叉,具有显著的应用基础研究特性,呈现出良好的多元化发展态势,近十年的研究热点主要集中在电化学储能、可再生能源微电网储能技术、相变储能材料、蓄热系统和混合储能系统等领域,这些技术同时也在相关产业得到了较快的发展和应用。

正文

经济发展带来的能源与环境问题使得能源结构转型成为全球共识,安全、高效和低碳是现代能源系统转型的主要目标。为此,世界各国积极推进可再生能源的开发和利用,可再生能源在过去几年得到了快速发展。然而,可再生能源的不稳定性也给电网的安全运行带来了极大挑战,寻找和实施具有成本效益和可持续性的储能和转换系统变得非常重要。储能系统不仅能提高电网运行的可靠性和效率,还能在能量管理、频率调节、调峰、负载均衡、季节性存储和备用发电等领域发挥重要作用,这使储能技术越来越受到人们的重视,也是当今社会发展的必然选择[1]。

目前,常用的储能技术主要有四类:物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能等)、电化学储能(如锂离子电池、铅电池、超级电容器等)、化学储能(储氢、储碳等)和相变储能(如熔融盐储热、冰蓄冷等)[2]。每种储能技术都有自身的优势和不足,技术发展水平、适用场合和应用前景也各不相同。其中,抽水蓄能技术相对成熟,目前处于主导地位,电池储能和相变储能应用灵活市场前景广阔,超级电容器储能比较适用于电动汽车储能和混合储能[3]。就现存技术而言,很难说哪种储能技术最好。很多情况下还可将多种储能技术联合使用,形成互补,使其功效得以更好的发挥。各国学者纷纷对储能技术及其应用开展相关研究[4,5,6,7,8,9,10]。

本文基于INSPEC数据库中储能相关论文发表状况,对全球储能领域的论文产出趋势、代表性国家地区以及学科分布情况进行统计分析,运用VOSviewer软件对高影响力论文进行研究主体聚类分析,以此揭示储能技术的国际发展态势,为我国储能技术研究布局及热点跟踪提供参考。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

本文所用数据来源于INSPEC数据库中收录的储能技术相关研究论文。INSPEC(Information Service in Physics, Electro-Technology, Computer and Control)是工程、物理和计算机科学专业领域及跨学科研究的权威数据库之一。数据库由英国电气工程师学会(IEE,1871年成立)出版,收录文献类型包括科技期刊论文、学术会议录以及大量的著作、报告等。

1.2 研究方法

本文采用文献计量学的定量统计分析方法,针对INSPEC数据库中收录的储能技术研究论文的知识单元,借助VOSviewer数据分析工具进行文本聚类和可视化图谱分析,通过VOSviewer图谱的图形颜色、节点大小等说明科学文献之间知识的流动与转移,映射科学文献之间相似性和相互引证关系[11]。本文主要利用了该软件的四个功能:①将从INSPEC数据库下载的标题、摘要、出版年份等文献信息导入VOSviewer;②术语共现计算;③提取文献之间的知识关联关系;④共现聚类和可视化。

为了解国际储能技术研究热点和发展趋势,本文遴选出储能技术领域的高影响力论文,开展技术主题词共现知识图谱分析,挖掘储能领域的研究热点和演化路径。高影响力论文包括高被引论文和热点论文,其中高被引论文是指过去10年中被引频次位于该学科领域所有论文排名前1%的论文,热点论文是指近2年内发表的论文且在近2个月内被引次数排在该领域所有论文前1‰的论文。共词分析是指从学术论文的标题和/或摘要中提取描述研究领域的重要概念,然后计算每个概念的出现次数,并根据其关联强度生成这些概念的集群。根据每个聚类的内部和外部强度,在二维地图中显示所有聚类以表示所讨论研究领域的知识结构[12]。

2 整体发展态势

2.1 发文趋势

学术论文是对科学研究最新成果或对科技创新理解认识的科学记录,是了解科学技术发展的重要数据资源。科技论文的产出趋势可在一定程度上反映本领域的研究发展状况,从宏观层面把握各时期的研究热度变化。截至2019年4月,INSPEC数据库共收录全球储能技术研究相关论文35392篇,年度变化趋势如图1黄色线条所示。由图可见,该领域的发文趋势大致分为3个阶段:从20世纪60年代末到70年代中期为孕育期,开始有少量论文出现,全球每年发表的论文数在100篇以内;1977—2006年,发文数量相对前一阶段有所上升,论文数量进入渐增期;到了2007年,进入论文高速增长期,年度文献量首次突破500篇,并保持持续快速增长,在2017年产出论文达到峰值4500篇(由于数据库收录数据会有延迟,2018年以后的数据尚不完整)。观察论文数量增长趋势,未来储能技术的论文数量很可能还会继续增加,呈现持续增长的良好态势。

图1储能技术论文的年度产出趋势

Fig.1Annual output of papers related to energy storage technology

图1中的蓝色线条所示为中国储能技术论文的年度变化趋势。从图中可以看出,国内整体发文时间较国际晚,而且初期技术发展较慢,差不多经历了20年的孕育期。但后期发展迅速,几乎与世界同步进入快速发展期,在2007年产出论文达到100篇以上后持续保持稳定较快增长,在2017年产出论文已突破1000篇。经过20年的发展,中国储能技术论文的年度发文量在全球年度论文总量的占比从1997年的1%增长到了2017年的30%,可见中国的储能技术在全球储能技术发展历程中发挥着越来越重要的作用。

2.2 学科分布

从学科领域的角度看,储能技术相关论文涉及58个学科,表1中列出论文数量大于1000篇的13个学科及其论文数。其中,有93%的论文都集中在能源与燃料学科领域,13个学科的论文总数(35314篇)约占储能领域论文总量的99.8%。工程领域的论文数量排在第二位并明显多于后续其他领域,充分体现出储能的应用基础研究特性,储能技术的发展侧重于以工程应用为导向,围绕实际应用目标开展理论探索研究。

表1储能研究论文的学科分布Table 1Disciplinary distribution of energy storage research

本文中的学科领域是按照论文所在期刊的所属领域进行划分,由于一个期刊可能同时属于多个领域,所以一篇论文也就可能同时涉及多个学科,因此,不同学科论文合计篇数(实际论文篇数)会小于或等于不同学科论文累计篇数。表1中13个学科论文合计篇数远小于论文累计篇数,说明相关论文体现出较明显的学科交叉研究特征。

2.3 国家及地区表现

通过分析不同国家和地区的论文数量,可了解技术在全球范围内的主要研究国家和地区。储能研究论文的来源地涉及149个国家和地区,发表论文最多的前10个国家(也是发文数量在1000篇以上的国家)依次是中国、美国、日本、印度、英国、德国、意大利、加拿大、澳大利亚和法国,如图2所示。其中,中国的发文量最多,达到7615篇,约占全球储能相关论文总量的22%;其次是美国,发文6462篇,约占全球储能相关论文总量的18%。

图2储能研究论文发表数量最多的前10个国家

Fig.2Top 10 largest paper producing ries in world

除了发文数量表现比较突出的国家地区外,还可以看到很多拉丁美洲和加勒比海地区国家的身影。比如智利、巴西、阿根廷、墨西哥等拉丁美洲地区经济最发达的国家,它们的论文虽然总量不多,但呈现出增长趋势,这些国家正在积极推动的可再生能源发展和电力体制改革,为发展应用储能创造了有利条件,是未来可再生能源和储能发展的主要区域。

在发文量不足10篇的国家中,出现了大量加勒比海地区国家,包括海地、牙买加、安提瓜、特立尼达和多巴哥等,这些国家不断增长的人口规模、日益旺盛的可再生能源需求和薄弱的电网基础设施等都推动着储能技术的应用发展,加勒比海地区已是最具发展潜力的新兴储能市场之一。

为进一步了解各国论文的质量和研究重点,本文对近10年储能领域的542篇高影响力论文进行了来源国分析,表2所示为拥有高被引论文最多的10个国家。其中,发文量最多的中国和美国依然分别排名第一、第二位,两国贡献了65%的高被引论文;日本和印度的排名后移,加拿大不在前十行列,新加入了新加坡,每个国家高被引论文的产出趋势如图3所示。中国自2012年以后成为高被引论文最大贡献国,其高被引论文占比从2009年的27%持续增长为2019年的70%。

表2储能领域高被引论文的地域分布Table 2Region distribution of energy storage high-cited papers

图3全球及主要国家高被引论文的年度产出趋势

Fig3Annual output of high-cited papers in world

图4所示为各国高被引论文的主要研究主题,其中,中国、美国、日本和德国等国家都比较关注超级电容器、石墨烯储能材料以及电池技术;英国和新加坡比较关注智能电网;澳大利亚和印度比较关注相变材料;西班牙和法国比较关注储热技术。

3 主要研究热点

3.1 研究主题分布

本文利用科学图谱绘制工具VOSviewer对储能领域的高影响力论文进行高频关键词(即在论文题目和摘要中出现频次大于10次的技术术语,见表3)分析,构建基于共词矩阵的知识图谱,如图5所示。图中每个节点代表1个关键词,节点越大该词出现的频次越高;节点之间的连线代表关键词的共现频次,连线越粗共现频次越高;节点之间的距离代表关键词之间的关系,距离越短相似性越高;节点的颜色由共词聚类分析所得,每种颜色代表1个主题聚类[11]。

表3储能领域高影响力论文主要关键词Table 3Keywords of high-impact energy storage research papers

图5储能领域高影响力论文研究主题分布

Fig.5Research topics of high-impact energy storage research papers

将每个聚类中的关键词归纳为研究主题,可以看出储能领域高影响力论文研究主题主要有5类,各研究主题及代表性关键词如表4所示。

表4研究主题及代表性关键词列表Table 4Research topics and representative keywords

3.1.1 电化学储能

电化学储能技术(electrochemical energy storage,EES)不受地理地形环境的限制,可以对电能直接进行存储和释放,且从乡村到城市均可使用,因而引起新兴市场和科研领域的广泛关注。以电化学储能技术为先导,在发电侧、输配电侧和用电侧实现能源的可控调度,保障可再生能源大规模应用,提高常规电力系统和区域能源系统效率,驱动电动汽车等终端用电技术发展,建立“安全、经济、高效、低碳、共享”的能源体系,成为未来20年我国落实“能源革命”战略的必由之路[13]。EES系统发展的关键目标参数是:高比能、高比功率、长循环寿命、低成本和环境友好性,最近的研究活动主要集中在电池和超级电容器的纳米工程化材料研究[14]。

3.1.2 可再生能源微电网储能技术

储能可平滑可再生能源发电间歇性问题,是可再生能源微电网的关键部分,储能技术与可再生能源发电的结合应用,能增强电力系统的灵活性,使其输出可控和可调度,将成为推进可再生能源大规模应用的重要手段。作为一种新型的电力研发方向,微电网储能技术受到了广大科研人员的重视,国内外积极开展相关技术研究和经济性分析,以提高微电网的可再生能源消纳能力,降低微电网成本[15,16]。

3.1.3 相变储能材料

相变材料(PCM)是指在保持温度不变的情况下发生相变(通常从固体到液体)并提供潜热的物质,可用于热量贮存和温度控制领域,对于提高能源利用效率、改善能源结构具有重要意义。在过去十年中,人们对PCM作为热能储存的兴趣几乎呈指数增长,研究内容涉及材料、组件、系统、开发及应用的方方面面。以前,大多数关于PCM的研究都是有机的,但近年来,相变温度范围较大的无机PCM受到越来越多的关注。在常见的无机PCM中,水合盐具有较低的相变温度,适用于建筑物、太阳能热水系统、纺织品等,熔盐和金属基PCM具有较高的相变温度,适用于聚光太阳能发电(CSP)和工业固废利用等领域[17]。

3.1.4 蓄热系统

化石燃料燃烧是我们无法从清洁的可再生能源中获取和储存能源的结果,如果热能不被储存,它只会消散到需要燃烧化石燃料的环境中。由于人类热能消耗的巨大规模,任何在热能管理实践中的改进都能显著地造福社会。蓄热系统(thermal energy storage,TES)是我们克服对化石燃料依赖的关键技术。目前最常见的TES系统有季节性TES系统、聚焦式太阳能热发电装置TES系统、家庭太阳能热应用的分布式TES系统、建筑中的被动式TES、建筑暖通空调系统的冷热储存等。此外,TES在纺织、汽车、制药、农业等领域也有很好的应用[18]。

3.1.5 混合储能系统

混合储能系统(HESS)是将两种或两种以上储能技术相结合,充分利用不同技术的优势特性,以适应各种应用场合需求,解决单一储能技术由于其在寿命、成本、能量和功率密度以及动态响应等方面的能力和效能限制而无法实现预期运行目标的有效技术途径。从已有大量关于HESS的文献上看,大多数的综述论文都集中在电动汽车中的HESS,还有一些关于可再生能源中的HESS和控制方法的研究[19]。

3.2 研究热点及演变趋势

图6所示为储能领域高影响力论文的研究热点。图中各词的颜色深浅(从红到蓝)与该词与相邻词相比所得的出现频次高低相关,即一个词相比相邻词的出现频次越高,则越接近红色,出现频次越低则越接近蓝色。由图可见,储能领域的研究热点(红色)贯穿于储能技术应用的全链条,其中,上游材料的热点集中在储能相变材料和电池电极材料的制备与表征研究;中游设备的热点主要集中在化学储能装置锂离子电池、钠离子电池、超级电容器、液流电池等的反应机理和性能研究;下游应用的热点涉及电池系统构成及使用场景、电网稳定性与经济性能研究等。

图6储能领域高影响力论文研究热点分布情况

Fig.6Research hotspots of high-impact energy storage research papers

以上热点是对近10年技术关键词的累计出现频次进行计量分析所得,为了进一步分析储能领域随时间的技术热点演变历程,本文对储能技术每年的高频关键词进行分析,如图7所示。图中关键词字体大小表示该词在当年的研究热度,颜色由蓝到红表示时间的由远及近,红色为近3年的研究热点。由图可见,储能相变材料一直备受关注,是国际研究的热点。在2012年左右,主要开展以聚甲基丙烯酸甲酯复合相变蓄热材料以及泡沫金属材料作为骨架制备而成的新型复合相变储能材料的研制。随后人们进一步对潜热储能中热物理现象开展大量研究,相变材料新品种得到不断开发,近年来,高性能相变材料微胶囊的制备与应用成为人们关注的热点。除此之外,储能领域近3年的研究热点还有高能量密度的锂离子电池、钠离子电池和超导电容器技术及其关键电极材料,提高风电消纳能力的微电网混合储能系统(HESS),以及储能技术在冷热电三联供分布式能源系统(CCHP)和聚焦式太阳能热发电系统(CSP)中的应用等。

图7 储能领域高影响力论文研究热点演变历程

Fig.7 Evolution of research hotspots about high-impact energy storage research papers

4 结论

本文对全球储能领域相关论文进行了文献计量分析。通过年度发文趋势分析可知,全球储能论文产出在近10年一直保持快速发展,且在未来还有继续增长的趋势,领域发展势头良好;通过学科布局分析可知,储能与工程、物理、自动控制、计算机、材料、化学、热力学等学科交叉,多学科融合创新可成为未来储能技术发展的有效路径;通过高产论文国家地区分析可知,中国和美国是储能论文产出第一集团国,发文数量约占全球储能领域论文总量的40%,而中国已成为全球储能论文产出贡献最大的国家,产出了超过五分之一的储能论文和超过四成的高被引论文。中国、美国、日本和德国等国家都比较关注超级电容器、石墨烯储能材料以及电化学电池等技术的发展。

通过对储能领域高影响力论文的研究主题分析可知,电化学储能、可再生能源微电网储能、相变储能材料、蓄热系统以及混合储能系统等技术在近10年受到科研人员的高度关注,这些技术同时也在相关产业得到了较快的发展和应用。

储能技术的竞争力不仅仅在于技术本身,还受到生态环境、社会环境、政治环境和经济环境等多重因素影响,储能技术是一个以需求为导向、以应用为目而不断发展壮大的领域。当前的储能技术呈现出多元化发展的良好态势,作为能源革命的关键支撑技术,更有着极为广阔的发展前景。


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