二

2017年世界能源技術(shù)發(fā)展回顧與總結(jié)

1.核聚變研究取得重大突破

核聚變能源產(chǎn)生過程不污染環(huán)境、不產(chǎn)生放射性核廢料、安全性高、清潔且資源無限，被視為人類可持續(xù)發(fā)展的最理想的新能源。而想要將核聚變的能量真正利用起來，就必須對核聚變的速度和規(guī)模進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)能量持續(xù)、輸出平穩(wěn)。為此，科學(xué)家正努力研究如何實(shí)現(xiàn)可控核聚變。美歐中核聚變實(shí)驗(yàn)裝置持續(xù)創(chuàng)造紀(jì)錄，穩(wěn)步推進(jìn)受控核聚變的實(shí)現(xiàn)。2016年3月，德國馬普學(xué)會等離子體物理研究所建造的世界最大仿星器聚變裝置W7-X成功產(chǎn)出首個氫等離子體，正式啟動科學(xué)實(shí)驗(yàn)；10月，麻省理工學(xué)院Alcator C-Mod核聚變反應(yīng)堆裝置在最后一次實(shí)驗(yàn)中，等離子體壓強(qiáng)首次突破2個大氣壓達(dá)到2.05個大氣壓，對應(yīng)的溫度達(dá)到3500萬攝氏度；2017年7月，中國科學(xué)院等離子體物理研究所全超導(dǎo)托卡馬克EAST實(shí)現(xiàn)了101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，EAST成為了世界上第一個實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行持續(xù)時間達(dá)到百秒量級的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。2017年11月，美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開啟氘—氚受控核聚變實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著美核聚變研究進(jìn)入全新階段。

2.電化學(xué)儲能成為電網(wǎng)應(yīng)用儲能技術(shù)解決新能源接入的首選方案

2016年5月，斯坦福大學(xué)William C. Chueh教授課題組牽頭的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種全新的“同步液態(tài)掃描透射X射線顯微成像（STXM）”技術(shù)，借助該技術(shù)研究人員首次在介觀尺度實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池充放電過程中單個納米顆�；顒有袨榈脑�位實(shí)時觀測和成像；2017年2月，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室利用集成X射線譜的全場透射顯微成像技術(shù)（FF-TXM-XANES）首次在納米尺度實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池充放電循環(huán)過程中鋰錳鎳氧（LiMn1.5Ni0.5O4，LMNO）正極材料相變過程的詳細(xì)觀測研究，揭露了脫鋰過程中LMNO電極相轉(zhuǎn)變機(jī)制；5月，瑞士保羅謝爾研究所研究團(tuán)隊(duì)利用X射線技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)對鋰硫電池放電中間產(chǎn)物的直接觀測，對鋰硫電池反應(yīng)機(jī)理有了進(jìn)一步的深入認(rèn)識，為設(shè)計(jì)和開發(fā)高性能鋰硫電池提供了重要的科學(xué)理論參考。

3.鈣鈦礦太陽電池技術(shù)新成果層出不窮

鈣鈦礦太陽能電池由敏化太陽能電池改進(jìn)發(fā)展而來，具備更加清潔、便于應(yīng)用、制造成本低和效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。韓國科學(xué)家通過改進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池金屬鹵化物吸光材料的制造方法，使這種類型太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到22.1%，而此前這類電池轉(zhuǎn)化效率的最高紀(jì)錄是20.1%。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)出新型鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.02%，創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄。斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、英國牛津大學(xué)、德國亥姆霍茲柏林材料與能源中心、瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所均報道了鈣鈦礦與硅電池或銅銦鎵硒電池構(gòu)建疊層電池的研究成果，通過帶隙匹配提高太陽光譜的吸收利用率，期望實(shí)現(xiàn)30%的轉(zhuǎn)換效率。針對新一代太陽能電池“鈣鈦礦太陽電池”材料，東京大學(xué)先端科學(xué)技術(shù)研究中心的科研人員，通過添加地球上較多存在的鉀元素，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶構(gòu)造的穩(wěn)定性，在不使用銣等稀有金屬的前提下，實(shí)現(xiàn)了20.5%的高轉(zhuǎn)換效率。此外，韓國淑明女子大學(xué)化工生命工學(xué)部的崔京民教授和樸民宇教授的研究團(tuán)隊(duì)采用低溫工藝開發(fā)出高效柔性光伏電池。此項(xiàng)研究利用了鈦基金屬有機(jī)骨架材料，開發(fā)出的鈣鈦礦型柔性光伏電池具有新型的金屬氧化物電子傳輸層。

4.3D打印燃?xì)廨啓C(jī)葉片獲突破

增材制造技術(shù)是通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，是一種“自上而下”材料累加的制造方法，也被稱為“3D打印技術(shù)”。國際上增材制造經(jīng)過20多年的發(fā)展，美國已經(jīng)成為增材制造領(lǐng)先的國家，3D打印技術(shù)不斷融入人們的生活，在能源、醫(yī)療、建筑、教育等領(lǐng)域大量應(yīng)用，催生許多新的產(chǎn)業(yè)。

2017年世界柴油機(jī)巨頭曼柴油機(jī)與透平公司正在將通過增材制造（3D打�。┑牧慵�裝配在燃?xì)廨啓C(jī)中，而這個零件是燃?xì)廨啓C(jī)上結(jié)構(gòu)復(fù)雜的渦輪靜葉（噴嘴），這是全世界首例將如此復(fù)雜的3D打印零件用在燃?xì)廨啓C(jī)批產(chǎn)中。美國通用電氣（GE）公司宣布其最大的燃?xì)廨啓C(jī)9HA.02可以以64%的效能運(yùn)行，打破了能源行業(yè)的記錄，其中最大的功勞應(yīng)歸于3D打印，GE用3D打印為渦輪機(jī)制造了多個部件。

2017年2月，西門子公司成功完成對3D打印燃?xì)廨啓C(jī)葉片的滿負(fù)荷測試，這些發(fā)電用的燃?xì)廨啓C(jī)葉片是由英國的MaterialsSolutions公司通過3D打印生產(chǎn)的，其燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘13,000轉(zhuǎn)，工作溫度超過1250攝氏度(2282華氏度)，葉片被安裝在功率為13兆瓦(MW)的西門子SGT-400工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上。

5.電動汽車電池續(xù)航技術(shù)大幅提升

電池充電及續(xù)航技術(shù)成為多國研發(fā)熱點(diǎn)，其技術(shù)突破將推動電動汽車產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。以色列Storedot公司研發(fā)出“超快速充電”電動汽車電池，可在5分鐘內(nèi)完成充電，并支持汽車?yán)m(xù)航約483千米德國弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會研制出一種超級電池，體積不變，可使電動汽車?yán)m(xù)航達(dá)100千米。美國菲斯克公司研發(fā)的固態(tài)電池可使電動汽車?yán)m(xù)航804千米，充電僅需1分鐘。韓國光州科學(xué)技術(shù)院和美國麻省理工學(xué)院合作研發(fā)出使電動車?yán)m(xù)航能力提高1倍的新型鋰電池。

6.氫燃料制取技術(shù)取得新進(jìn)展

氫能源是目前備受期待的新一代能源。進(jìn)入21世紀(jì)以來，氫能源的開發(fā)利用逐步增多，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)取得了一些新進(jìn)展。其中，日本氫能源研究啟動早、發(fā)展快，在燃料電池和燃料電池車領(lǐng)域成績斐然，成為引領(lǐng)“終極環(huán)保車”的時代先鋒。從氫能與氫燃料電池全球發(fā)展的總體來看，歐美日等發(fā)達(dá)國家繼續(xù)加大研發(fā)投入和政策扶持，氫能與氫燃料電池在交通領(lǐng)域、固定式發(fā)電領(lǐng)域、通信基站備用電源領(lǐng)域和物料搬運(yùn)領(lǐng)域都顯示出市場化的跡象，氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用總體已經(jīng)在商業(yè)化初期嶄露頭角。

日本九州大學(xué)發(fā)明了近紅外線領(lǐng)域的太陽能制造氫氣的新方法。氫被認(rèn)為是下一代主要能源，利用太陽能用水制造氫氣的方法最被看好。和以前利用光電效應(yīng)使物質(zhì)表面放出電子的研究方法不同，該研究利用了光驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)原理。德國科學(xué)家簡化了氫燃料制取和儲存的新工藝，將應(yīng)用于工業(yè)化儲氫和生產(chǎn)，降低成本和能源消耗，對能源轉(zhuǎn)型具有重要意義。來自�？巳�特大學(xué)的可再生能源專家團(tuán)隊(duì)率先推出了一項(xiàng)新型光電極技術(shù)，利用太陽光生產(chǎn)氫氣，從而創(chuàng)造出清潔、廉價的燃料，可以為家庭和燃料電池車輛等提供能源。通過這種光解水的方法產(chǎn)生的氫燃料不僅會顯著降低碳排放，而且?guī)缀蹩梢詫?shí)現(xiàn)無限能源供應(yīng)。