专利视角下储能技术研究热点分析

专利视角下储能技术研究热点分析随着我国新能源产业的兴起，作为重要支撑和辅助技术的储能技术在产业发展的道路上越来越受到人们的重视。

而专利是技术创新的重要信息载体，是评价技术创新水平和分析技术创新热点的重要途径。

研究基于近年我国在物理储能、电化学储能以及电磁储能三个方面专利申请数量的分布及变化趋势，发现飞轮储能技术、锂离子电池技术和超级电容储能技术是未来研究的热点方向，特别是超级电容储能技术在电力系统中将会备受关注。

标签：储能技术；物理储能；电化学储能；电容储能随着不可再生能源一天天的减少，地球上人口数量的增多，人们对于资源的需求越来越多，可再生能源与能源的储存成为一个新型研究热点问题，储能技术也随之备受瞩目。

目前可再生能源在通信系统的不间断电源和应急电能系统、智能电网、微电网、偏远地区供电、分布式发电、电动汽车储能装置、大型后备电源等方面均得到应用[1]。

在我国，由于能源中心和电力负荷中心距离跨度大，在电力系统向大电网、大电机发展的情况下，储能技术显得尤为重要。

专利作为技术创新的重要信息载体，可以直接反应出一个技术领域创新的能力和现状。

为了确定储能技术目前的研究现状和热点方向，本文试图通过对专利数据的分析，探讨各类型储能技术的地位和未来研究趋势。

1 储能技术的发展趋势通过对2009-2013年储能技术方面专利的申请数量进行年度对比，发现我国储能技术无论是在实用新型专利方面还是发明型专利方面，均保持了较快速度的增长，如图1所示。

这与整个储能产业的发展态势密切相关。

图1 储能专利申请年度分布情况由于电能可以转化为化学能、电磁能、势能、动能等形式存在，按照其储存的方式又可以分为物理储能、电化学储能、电磁储能以及热力储能四大部分。

物理储能包括抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能；电化学储能包括铅酸蓄电池、钠硫电池、液流电池、水锂电、锂离子电池；电磁储能主要包括超导电磁储能、超级电容器储能等[2]；热力储能包括熔盐储能和热点储能等。

根据申请专利数量分析来看，热力储能技术近5年的专利申请数量远不及其它三种储能技术，因此，研究重点对物理储能、电化学储能以及电磁储能三方面进行进一步的分析。

2 物理储能热点技术分析抽水储能是指在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化为重力势能储存起来；当负荷高峰时，利用存在上游水库的水进行发电。

抽水储能电站储能释放时间小则几小时，多则可以几天，综合效率高达70%～85%。

但抽水储能电站对地形条件、岩石强度、水质、库区情况、防渗性以及水源充足程度都有严格的要求。

压缩空气储能是一种可以长时间储能、大容量储能的储能方式。

顾名思义，它可以通过压缩空气的方法储存电能，在需要用电的时候，可以通过膨胀机做功将高压空气释放从而产生电能[2]。

和抽水储能相比，压缩空气储能站址选择灵活，不需要建造地面水库，地形条件容易满足[3]。

电站里储气库是安全系数非常高的储能设备，不仅漏气开裂的可能性极小，比普通设备使用寿命长。

发电系统能够发电靠的是气室的密封性、经济性和可靠性等。

压缩空气储能电站建设投资和发电的成本均低于抽水储能电站，主要应用于电力调峰和系统备用。

飞轮储能技术是一种具有高能量转换效率的储能装置，正如食品中有“绿色食品”一样，飞轮储能技术技术在储能技术中就可以称之为“绿色储能技术”。

因为在飞轮储能器中没有活性的化学物质，所以在其旋转时，也不会发生任何化学反应。

它主要由转子、电动机或者是发电机、电力转换器和真空室四部分构成[4]。

飞轮储能技术主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。

为我国的新兴产业提供了不可缺少的源动力。

图2是2009-2013年抽水储能、压缩空气储能以及飞轮储能三个领域的专利数量，从中可以看出飞轮储能技术的专利数量明显高于抽水储能技术与压缩空气储能技术，且其数量呈增长趋势，说明飞轮储能技术越来越受到人们的重视，将成为物理储能技术中的重点研究方向。

图2 物理储能技术对比分析当今世界已经出现了多种储存能源的方式，飞轮储能技术凭借其具有使用寿命长、高效环保、储存能量密度大、充电放电速度快等特点在众多的储能技术中脱颖而出。

随着人们环保意识的增强以及全球能源的短缺，对环保型汽车的需求越来越多，研发环保节能型汽车成为汽车制造业的一个重要趋势，储能密度大、使用寿命长、充电速度快的新型储能电源系统是该领域的核心点。

而飞轮储能技术凭借其充放电快捷、环保、使用寿命长的独特优势，不仅越来越广泛的应用于国内外的许多行业，而且非常适合运用于混合电动汽车中。

在车辆行驶或是紧急刹车制动时，可给飞轮储能系统迅速充电，补充能量；而在车辆加速或是上坡过程中，飞轮储能系统则能快速放电。

给汽车提供动力，保证汽车平稳运行，减少燃料损耗，延长汽车使用寿命。

除此之外，飞轮储能系统还可用于电车、航空航天、可再生能源、电磁发射、铁路交通等众多领域。

3 电化学储能热点技术分析电化学储能技术在我国储能领域占据着相当重要的位置。

大到工厂机械运作，小到手机电池，这些都需要化学物质的变化与反应实现储能，为我们的生活提供便捷。

电化学储能技术主要包括铅酸蓄电池、钠硫电池、液流电池和锂离子电池四大技术。

铅酸蓄电池，主要应用于电动汽车行业。

由于其内部极板上的化学物质，在通电和不通电条件下，会起不同的方向的化学反应，从而在电解质中实现充电和放电过程。

钠硫电池，分别以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的电池。

工作过程中，钠离子在隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。

其优点是：单位提起储能高；可大电流、大功率放电。

液流电池是一种新型的大型电化学储能装置，其反应物质是流动的电解质，目前技术不够成熟，还有待探索。

锂离子电池，通过锂离子在正负极之间运作从而电子流动，产生移动电流，实现放电。

其目前基本用于手机、数码相机、数码摄像机、笔记本电脑等便携式电子产品中[5]。

目前水溶液锂电池，将一片极薄的金属锂，被特制的复合膜紧密包裹，在中性水溶液中与尖晶石锰酸锂组合，实现电子流动，形成电流。

传统锂电池生产成本高，生产要求高，还存在较大的安全隐患。

而水溶液锂电池安全性能高，离子导电性高，成本低。

而且发电用时短，能量效率高。

可应用于手机、电动车等领域，发展前景非常好。

电化学储能技术涉及领域多，需要深入研究的问题多，发展空间大。

图3是2009-2013年各类电化学储能技术的专利分布情况。

总体来看电化学储能技术的专利成上升趋势，其中锂离子电池方面的专利数位居第一位，铅酸蓄电池位居第二，液流电池位居第三位，钠硫电池近三年有一定的研究成果。

图3 电化学储能热点分析从图3中可以看出锂电池为电化学储能技术的热点。

具有充放电电压稳定、高效环保无污染、能源储存寿命长等特点的锂离子电池是世界上应用最为广泛的电化学储能装置[6]。

因此其在手机储能界备受青睐。

但锂离子电池也十“娇气”。

第一放电电流不能过大，电流过大电池内部工作温度过高，会对电池造成永久性损伤；第二，不能够过度放电，当放电电压过低会造成内部可逆反应，很可能导致电池报废。

现在使用的锂电池内部都装有保护电路，在恰当的电压下先形成断路，保护锂电池。

锂电池从1970年发展至今，通过正负极材料的更换，不断提升性能，在电化学储能领域始终处于领先地位，是便携式电子器械的主要电源[7]。

锂离子电池也是一种绿色环保电源，多块锂离子电池的捆绑能形成大存储量的电池，因此，锂离子电池也具有非常优越的发展前景。

4 电磁储能热点技术分析电磁储能主要包括超导储能和超级电容器储能。

超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置，其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质[8]。

一般是由制冷装置、超导线圈、变流装置、超导线圈和测控系统等部件组成。

调节电力系统峰谷，改善电力系统稳定性等通常都是利用超导储能这一功能，此外，超导储能系统也可用于降低或者是消除电网的低频功率振荡，从而提高电网的频率和电压等特性。

相对于物理储能技术与电化学储能技术，超导储能系统本身具有许多特点：超导储能系统能够无损耗的储存能量，它的转化效率高达90%；通过电力电子器件的变流技术与电网的连接中，超导储能系统响应速度非常快，可达毫秒级；因为其储存能量与功率调制系统的容量可单独在较大的范围内选择，所以需要多大的功率就可将超导储能系统建成多大的功率；超导储能系统在建造时没有转动部分，大大提高了其使用寿命，且其制造材料较环保，不会造成很大的环境污染。

目前，我国在超导储能技术的研究方面投入了大量的人力和财力，并且取得了一些不错的成就，在国际上，超导储能系统已成为在储能技术方面的一个竞相研究的热点技术。

超级电容器又叫做双层电容器，通过极化电解质的方式储能。

超级电容器是一种电化学元件，但是在它储能的过程中并不发生化学反应，这种储能的过程也是可逆的，也正是因为它的这种特性，超级电容器可以反复充电多达数十万次，且不会造成环境污染[9]。

超级电容器曾被视为多孔电解板，其悬浮在电解质中，在它的极板上加电，正、负极分别吸引负离子、正离子，实际上就可以形成两个存储层，被分离开的正、负离子分别在负极板与正极板周围。

因为石油资源短缺，而且燃烧石油的同时排放大量的尾气对环境污染及其严重，尤其是在一线城市，人们正在研究能够替代石油的清洁能源装置。

已经对化学电池产品，物理能源装置、燃料电池等做了一系列的研究，而且取得了一定的成果。

但是由于其温度适应范围小、污染环境、使用率低、机器设备昂贵等劣势，在储能领域方面一直没有找到好的解决办法。

而超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、对环境无污染等优点[10]，它的发明为储能技术带来了新的光明，以其特性几乎能够代替传统的化学电池产品在动力能源领域的位置，目前应用于电车电源、电子类电源以及电力系统，今后会具有更加广泛的用途。

图4为2009-2013年电磁储能技术在超导储能和超级电容储能两个领域的专利数量，可以发现超导储能技术的专利数量在近五年较少，而超级电容储能的专利数量则呈上升趋势，成为未来电磁储能技术的研究热点。

尽管超导储能较早受到关注，进行研发，但从目前专利数据来看，超级电容储能将超越超导储能成为电磁储能技术的热点研究方向。

超级电容器的诞生到现在，虽然只有短短的三十多年，但是微型的超级电容器在小型的机器设备中已得到广泛的应用，例如电脑、相机等高科技设备中的内存系统，或是一些间接性用电的辅助设施，超级电容器在其中都起着不可替代的作用。

而较大尺寸的超级电容器则被应用于汽车及其自动化以及对新能源的采集方面，由此可以看出，超级电容器在这些领域有着巨大的潜力。

5 结束语通过上述分析，发现飞轮储能技术、锂离子电池和超级电容储能技术将成为储能技术的核心研究方向。