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可持续能源
在可持续能源蓬勃发展的当下，如何高效获取、存储并利用能源，已成为全球科技创新的核心议题。
伴随新能源、智能终端与物联网设备的爆发式增长，我们正经历一场能源获取模式的变革，从传统的“大集中式”发电向“微获取”的分布式模式转变。过去，电力输送是从几座大型电站向千家万户单向流动；而如今，我们正步入一个崭新的能源时代——太阳能电池集成于无人机翼、自供能传感器遍布高速公路、微型能量收集器融入智能衣物。
因此，能量收集与存储已超越传统电池与电网的范畴，演变为一场涵盖新材料、新结构与新系统架构的全面技术革新。
我们访谈了四川元碳绿能科技有限公司董事长陈星涵，他曾在中国南方电网等能源龙头企业深耕新能源十余年，为我们解读能量收集与存储技术的发展现状与趋势。
为什么新能源时代
更需要“收集与存储”？
随着全球气候变化和能源需求增长的双重压力，清洁能源的高效利用正成为全球关注的焦点，而在新能源时代，能源收集与存储技术的重要性愈加凸显。
陈星涵表示，相较于传统化石燃料，太阳能、风能、潮汐能等新型清洁能源具有固有的间歇性与不可控性，其发电波动性强，无法像煤炭、天然气那样依靠燃料储备来保证连续供应。因此，为了确保电力系统的稳定运行，必须将这些自然资源高效收集并在多余时段储存起来，以备在供给不足时进行释放，实现供需的动态平衡。
其次，随着新能源技术日益深入终端应用场景，如居民屋顶光伏、电动车及楼宇风电等，小规模、多节点的能源设备使得能量收集更趋于本地化和碎片化。为此，分布式能源系统亟需能量存储技术以实现能源自给自足和余电上网，这也对终端侧的微型能量收集与存储技术提出了更高要求。此外，能量收集与存储技术结合还可实现能源的优化配置，通过回收再利用生产过程中的余热、废热等减少能源浪费。
能量收集与存储技术现状
当前，能量收集与存储技术正处于快速演进和加速落地的关键阶段。
在能量收集领域，随着太阳能、风能、波浪能等可再生能源成本持续下降，相关收集技术已趋于成熟并进入大规模部署阶段。例如，在太阳能领域，晶硅光伏组件效率不断提高，钙钛矿等新型材料逐步走向产业化，正被积极应用于可穿戴设备、智能窗户及便携式充电装置等领域；风能领域，通过超大功率机组和永磁直驱技术显著提升单位发电能力；波浪能与潮汐能领域，浮筒式、摆锤式、振荡水柱式等能量转换装置开始被广泛用于将海洋的机械能高效转化为电能。
储能技术作为保障可再生能源稳定性和可控性的关键支撑，也实现了从传统锂离子电池向固态电池、超级电容器、氢能等多路径并进的发展格局。固态电池因其高能量密度和良好安全性成为电动汽车与高端储能系统的热门方向；超级电容器则在需要快速响应的场景中表现突出；氢能技术也通过“发-储-用”的完整链条，逐步拓展在重工业和长距离运输中的储能角色。
总体来看，能量收集与存储技术正在从单点突破迈向系统协同，这与能源互联网的发展也息息相关。能源互联网通过融合能量收集设备、分布式储能装置、传感器、通信网络与AI智能控制系统，将原本孤立的能源节点变为可协同调度的能源单元。这种系统化集成不仅提升了能量的本地化自我利用率，也实现了跨区域、跨时间的能源智能流动。例如，目前在中国可以依托屋顶光伏+家庭储能单元，在白天采集电力、夜间释放，同时将多余能量上网，参与虚拟电厂或区域电力市场等。
关键材料与器件
随着能量收集需求向轻量化、柔性化、高集成度方向发展，各类先进材料与功能器件发挥着关键作用。
在太阳能领域，晶硅材料因成熟的工艺和稳定的性能，目前仍主导着太阳能电池市场。钙钛矿材料以更高的光电转换效率、较低的成本和更为便捷的制造工艺引发了广泛关注。
此外，碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体材料，凭借其卓越的耐高压、高温、高频特性，已广泛应用于高效光伏逆变器及功率电子器件。风能技术则大量采用复合材料，如碳纤维和玻璃纤维增强树脂用于风机叶片制造，稀土永磁材料如钕铁硼永磁体成为风力发电机组关键的功能材料。
此外，波浪能技术中常用的如钛合金、不锈钢等耐腐蚀材料也日益受到重视，以应对严酷的海洋环境。比如美国国家可再生能源实验室近期正在尝试用聚氨酯平带替代原有钢丝绳，以提高波浪能海水淡化装置在海洋环境中的耐久性和可靠性。
在能量存储领域，锂离子电池仍是主流的储能装置，关键材料包括磷酸铁锂、镍钴锰等正极材料，石墨、硅碳复合材料等负极材料，以及聚乙烯、聚丙烯等隔膜材料和液态有机电解质。
固态电池技术作为下一代储能技术备受关注，它使用如氧化物、硫化物或聚合物等固态电解质替代传统的液态电解质，大幅提高了电池的安全性和能量密度。超级电容器主要使用如活性炭、碳纳米管、石墨烯等碳基材料作为电极，配合水系、有机或离子液体电解质实现快速充放电，适用于瞬间高功率需求场景。氢能存储技术依赖催化剂材料和储氢材料，用于制备和高效存储氢气，广泛应用于燃料电池技术中。
行业应用与市场前景
陈星涵表示，随着新能源技术的普及，能量收集和存储技术也已在电动汽车、智慧城市和智能电网等领域得到广泛应用。
电动车领域
能量收集技术主要体现为车辆表面集成太阳能电池板，通过光伏技术为汽车辅助供电，增加续航里程；在能量存储方面，锂离子电池仍是主流选择，而新兴的固态电池凭借更高的能量密度和安全性，正在逐渐成为趋势。此外，超级电容器在电动汽车能量回收与加速阶段提供快速充放电能力，提升车辆整体性能。比如，蔚来汽车的换电站网络就通过预充储能电池组实现快速换电，形成了城市电动汽车能量管理的新模式。
家庭场景
户用光伏系统结合储能电池目前也越来越常见。“尤其是在欧洲，由于当地较大的峰谷电价差，家庭储能系统得到了广泛普及。”陈星涵谈到。以德国Sonnen公司为例，他们推出的SonnenBatterie的家庭储能产品，将家庭屋顶光伏电站与智能电池储能技术结合，用户可以在白天利用太阳能板收集能源，存储于锂电池中，然后在夜间或电网高峰时段释放使用。通过配备智能能源管理系统，实时监控和优化家庭能源消耗，家庭每年电费甚至能降低80%以上。
在工厂环境中，大规模的光伏和风能系统广泛应用，工厂屋顶及周边区域安装太阳能电池阵列，通过功率电子设备实现能量转换与管理。如锂电池或超级电容器等配套的储能系统，使工厂可实现削峰填谷，降低用电成本，同时提高用能安全性与可靠性。
比如，特斯拉在美国内华达州建造的超级工厂就采用了大规模的光伏发电系统结合Powerpack储能系统，通过利用屋顶太阳能板大规模收集能源，搭配先进的锂离子电池技术储能，不仅提供生产过程中的电力支持，还能实现工厂整体的清洁能源供应。
商业楼宇
陈星涵表示，从2022年开始，能源收集与储能技术开始被广泛地应用于中国的商业楼宇之中。在这些楼宇中，太阳能光伏幕墙、屋顶光伏系统结合智能储能设备，构建微电网系统。这种模式有效提升了楼宇能源自给率，缓解城市电网负荷，并可在电力需求高峰期提供备用电力。此外，超级电容器等设备还可辅助快速充电站及紧急备用电源，提高楼宇用电灵活性。
为什么新能源时代
更需要“收集与存储”？
图6（图源：gminsights）
GMinsights的研究报告显示，全球能源收集市场正呈现快速增长趋势，2024年全球能源收集市场规模约为6.3亿美元，预计2025年至2034年间以约8.8%的复合年增长率稳步扩张。在各类能源技术中，光能收集技术表现突出，预计到2034年该领域市场规模将达5.2亿美元。此外，在不同应用领域中，楼宇和家庭占据相当的市场份额。
目前，各国都在积极支持能源收集和存储技术的发展。中国推出了“双碳”战略，大力推动可再生能源和储能技术的规模化应用；美国则凭借《通胀削减法案》大规模资助清洁能源技术研发与产业落地，通过税收抵免和州级采购目标推动储能发展（如加州和得克萨斯州等地储能投资意向提升60%）；欧洲实施“绿色新政”，旨在实现能源转型和能源独立；日本、韩国等国家也不断增加对固态电池、氢能技术等新型储能技术的投资与支持。各国的举措和政策扶持，正显著加速能量收集和储存技术的全球普及与产业化进程。
面临的挑战
尽管前景广阔，目前能量收集和存储技术仍然面临许多挑战。陈星涵认为，主要体现在成本、安全和效率三个方面。
首先，从成本角度来看，能量收集和存储技术的初始投资相对较高。例如，太阳能光伏系统和高性能锂电池或固态电池的制造成本目前依然较高，如石墨烯、铂催化剂等关键材料也成本高昂。
其次，安全性制约了技术的推广普及。比如，主流的锂离子电池存在热失控风险，限制了其在大规模储能、电动汽车等场景中的普及，氢能技术面临高压储氢和易燃易爆特性等。
此外，效率问题也制约了技术的广泛应用。比如，太阳能和风能的发电效率受到天气、地域条件的制约。储能技术中，锂电池长期使用后的容量衰减和循环寿命问题尚待优化，超级电容器难以满足长时储能需求等。
面对能量收集与存储技术在这些方面的挑战，产业界和学术界也正在从材料创新、系统设计与智能管理等多个维度积极探索解决方案。
例如，在降低成本方面，宁德时代等企业正推动磷酸铁锂电池的结构简化与产线自动化，以实现规模化生产下的成本降低；在安全性方面，丰田、QuantumScape等公司正加速固态电池的商业化，利用非易燃固态电解质提高系统热稳定性[1]；而在提升效率方面，学术界正通过开发新型电极材料，如掺杂石墨烯、金属有机框架材料MOFs等，以提升能量密度，同时利用人工智能算法对分布式储能进行智能调度和预测控制，优化系统运行。[2]各方协同创新，正逐步打破制约该领域进一步发展的技术瓶颈。
参考资料
[1]https://finance.sina.com.cn/tech/digi/2024-03-28/doc-inapwqvm4334697.shtml
[2]https://pdf.hanspub.org/jocr2024124_22970282.pdf
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