中國儲能網(wǎng)訊：通過對儲能領域高影響力論文的研究主題分析可知，電化學儲能、可再生能源微電網(wǎng)儲能、相變儲能材料、蓄熱系統(tǒng)以及混合儲能系統(tǒng)等技術在近10年受到科研人員的高度關注，這些技術同時也在相關產(chǎn)業(yè)得到了較快的發(fā)展和應用。
摘要
當今世界各國積極推進可再生能源的開發(fā)和利用，對現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行和調(diào)度提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，尋找和實施具有成本效益和可持續(xù)性的儲能系統(tǒng)變得非常重要。
常用的儲能技術主要有物理儲能、電化學儲能、化學儲能和相變儲能四類。本文利用INSPEC數(shù)據(jù)庫檢索全球儲能技術相關研究論文，采用文獻計量學方法，借助VOSviewer知識圖譜分析工具，對儲能論文進行定量統(tǒng)計和主題聚類分析。
可視化結果顯示，全球儲能論文產(chǎn)出數(shù)量保持持續(xù)快速增長趨勢，中國已成為全球儲能論文產(chǎn)出貢獻最大的國家，產(chǎn)出了超過五分之一的儲能論文和超過四成的高被引論文。中國、美國、日本和德國等國家都比較關注超級電容器、石墨烯儲能材料以及電化學電池等技術的發(fā)展。
儲能技術與若干學科交叉，具有顯著的應用基礎研究特性，呈現(xiàn)出良好的多元化發(fā)展態(tài)勢，近十年的研究熱點主要集中在電化學儲能、可再生能源微電網(wǎng)儲能技術、相變儲能材料、蓄熱系統(tǒng)和混合儲能系統(tǒng)等領域，這些技術同時也在相關產(chǎn)業(yè)得到了較快的發(fā)展和應用。
正文
經(jīng)濟發(fā)展帶來的能源與環(huán)境問題使得能源結構轉型成為全球共識，安全、高效和低碳是現(xiàn)代能源系統(tǒng)轉型的主要目標。為此，世界各國積極推進可再生能源的開發(fā)和利用，可再生能源在過去幾年得到了快速發(fā)展。然而，可再生能源的不穩(wěn)定性也給電網(wǎng)的安全運行帶來了極大挑戰(zhàn)，尋找和實施具有成本效益和可持續(xù)性的儲能和轉換系統(tǒng)變得非常重要。儲能系統(tǒng)不僅能提高電網(wǎng)運行的可靠性和效率，還能在能量管理、頻率調(diào)節(jié)、調(diào)峰、負載均衡、季節(jié)性存儲和備用發(fā)電等領域發(fā)揮重要作用，這使儲能技術越來越受到人們的重視，也是當今社會發(fā)展的必然選擇[1]。
目前，常用的儲能技術主要有四類：物理儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能等）、電化學儲能（如鋰離子電池、鉛電池、超級電容器等）、化學儲能（儲氫、儲碳等）和相變儲能（如熔融鹽儲熱、冰蓄冷等）[2]。每種儲能技術都有自身的優(yōu)勢和不足，技術發(fā)展水平、適用場合和應用前景也各不相同。其中，抽水蓄能技術相對成熟，目前處于主導地位，電池儲能和相變儲能應用靈活市場前景廣闊，超級電容器儲能比較適用于電動汽車儲能和混合儲能[3]。就現(xiàn)存技術而言，很難說哪種儲能技術最好。很多情況下還可將多種儲能技術聯(lián)合使用，形成互補，使其功效得以更好的發(fā)揮。各國學者紛紛對儲能技術及其應用開展相關研究[4,5,6,7,8,9,10]。
本文基于INSPEC數(shù)據(jù)庫中儲能相關論文發(fā)表狀況，對全球儲能領域的論文產(chǎn)出趨勢、代表性國家地區(qū)以及學科分布情況進行統(tǒng)計分析，運用VOSviewer軟件對高影響力論文進行研究主體聚類分析，以此揭示儲能技術的國際發(fā)展態(tài)勢，為我國儲能技術研究布局及熱點跟蹤提供參考。
1 數(shù)據(jù)來源和研究方法
1.1 數(shù)據(jù)來源
本文所用數(shù)據(jù)來源于INSPEC數(shù)據(jù)庫中收錄的儲能技術相關研究論文。INSPEC（Information Service in Physics, Electro-Technology, Computer and Control）是工程、物理和計算機科學專業(yè)領域及跨學科研究的權威數(shù)據(jù)庫之一。數(shù)據(jù)庫由英國電氣工程師學會（IEE，1871年成立）出版，收錄文獻類型包括科技期刊論文、學術會議錄以及大量的著作、報告等。
1.2 研究方法
本文采用文獻計量學的定量統(tǒng)計分析方法，針對INSPEC數(shù)據(jù)庫中收錄的儲能技術研究論文的知識單元，借助VOSviewer數(shù)據(jù)分析工具進行文本聚類和可視化圖譜分析，通過VOSviewer圖譜的圖形顏色、節(jié)點大小等說明科學文獻之間知識的流動與轉移，映射科學文獻之間相似性和相互引證關系[11]。本文主要利用了該軟件的四個功能：①將從INSPEC數(shù)據(jù)庫下載的標題、摘要、出版年份等文獻信息導入VOSviewer；②術語共現(xiàn)計算；③提取文獻之間的知識關聯(lián)關系；④共現(xiàn)聚類和可視化。
為了解國際儲能技術研究熱點和發(fā)展趨勢，本文遴選出儲能技術領域的高影響力論文，開展技術主題詞共現(xiàn)知識圖譜分析，挖掘儲能領域的研究熱點和演化路徑。高影響力論文包括高被引論文和熱點論文，其中高被引論文是指過去10年中被引頻次位于該學科領域所有論文排名前１%的論文，熱點論文是指近2年內(nèi)發(fā)表的論文且在近2個月內(nèi)被引次數(shù)排在該領域所有論文前1‰的論文。共詞分析是指從學術論文的標題和/或摘要中提取描述研究領域的重要概念，然后計算每個概念的出現(xiàn)次數(shù)，并根據(jù)其關聯(lián)強度生成這些概念的集群。根據(jù)每個聚類的內(nèi)部和外部強度，在二維地圖中顯示所有聚類以表示所討論研究領域的知識結構[12]。
2 整體發(fā)展態(tài)勢
2.1 發(fā)文趨勢
學術論文是對科學研究最新成果或對科技創(chuàng)新理解認識的科學記錄，是了解科學技術發(fā)展的重要數(shù)據(jù)資源?？萍颊撐牡漠a(chǎn)出趨勢可在一定程度上反映本領域的研究發(fā)展狀況，從宏觀層面把握各時期的研究熱度變化。截至2019年4月，INSPEC數(shù)據(jù)庫共收錄全球儲能技術研究相關論文35392篇，年度變化趨勢如圖1黃色線條所示。由圖可見，該領域的發(fā)文趨勢大致分為3個階段：從20世紀60年代末到70年代中期為孕育期，開始有少量論文出現(xiàn)，全球每年發(fā)表的論文數(shù)在100篇以內(nèi)；1977—2006年，發(fā)文數(shù)量相對前一階段有所上升，論文數(shù)量進入漸增期；到了2007年，進入論文高速增長期，年度文獻量首次突破500篇，并保持持續(xù)快速增長，在2017年產(chǎn)出論文達到峰值4500篇（由于數(shù)據(jù)庫收錄數(shù)據(jù)會有延遲，2018年以后的數(shù)據(jù)尚不完整）。觀察論文數(shù)量增長趨勢，未來儲能技術的論文數(shù)量很可能還會繼續(xù)增加，呈現(xiàn)持續(xù)增長的良好態(tài)勢。
圖1儲能技術論文的年度產(chǎn)出趨勢
Fig.1Annual output of papers related to energy storage technology
圖1中的藍色線條所示為中國儲能技術論文的年度變化趨勢。從圖中可以看出，國內(nèi)整體發(fā)文時間較國際晚，而且初期技術發(fā)展較慢，差不多經(jīng)歷了20年的孕育期。但后期發(fā)展迅速，幾乎與世界同步進入快速發(fā)展期，在2007年產(chǎn)出論文達到100篇以上后持續(xù)保持穩(wěn)定較快增長，在2017年產(chǎn)出論文已突破1000篇。經(jīng)過20年的發(fā)展，中國儲能技術論文的年度發(fā)文量在全球年度論文總量的占比從1997年的1%增長到了2017年的30%，可見中國的儲能技術在全球儲能技術發(fā)展歷程中發(fā)揮著越來越重要的作用。
2.2 學科分布
從學科領域的角度看，儲能技術相關論文涉及58個學科，表1中列出論文數(shù)量大于1000篇的13個學科及其論文數(shù)。其中，有93%的論文都集中在能源與燃料學科領域，13個學科的論文總數(shù)（35314篇）約占儲能領域論文總量的99.8%。工程領域的論文數(shù)量排在第二位并明顯多于后續(xù)其他領域，充分體現(xiàn)出儲能的應用基礎研究特性，儲能技術的發(fā)展側重于以工程應用為導向，圍繞實際應用目標開展理論探索研究。
表1儲能研究論文的學科分布Table 1Disciplinary distribution of energy storage research
本文中的學科領域是按照論文所在期刊的所屬領域進行劃分，由于一個期刊可能同時屬于多個領域，所以一篇論文也就可能同時涉及多個學科，因此，不同學科論文合計篇數(shù)（實際論文篇數(shù)）會小于或等于不同學科論文累計篇數(shù)。表1中13個學科論文合計篇數(shù)遠小于論文累計篇數(shù)，說明相關論文體現(xiàn)出較明顯的學科交叉研究特征。
2.3 國家及地區(qū)表現(xiàn)
通過分析不同國家和地區(qū)的論文數(shù)量，可了解技術在全球范圍內(nèi)的主要研究國家和地區(qū)。儲能研究論文的來源地涉及149個國家和地區(qū)，發(fā)表論文最多的前10個國家（也是發(fā)文數(shù)量在1000篇以上的國家）依次是中國、美國、日本、印度、英國、德國、意大利、加拿大、澳大利亞和法國，如圖2所示。其中，中國的發(fā)文量最多，達到7615篇，約占全球儲能相關論文總量的22%；其次是美國，發(fā)文6462篇，約占全球儲能相關論文總量的18%。
圖2儲能研究論文發(fā)表數(shù)量最多的前10個國家
Fig.2Top 10 largest paper producing ries in world
除了發(fā)文數(shù)量表現(xiàn)比較突出的國家地區(qū)外，還可以看到很多拉丁美洲和加勒比海地區(qū)國家的身影。比如智利、巴西、阿根廷、墨西哥等拉丁美洲地區(qū)經(jīng)濟最發(fā)達的國家，它們的論文雖然總量不多，但呈現(xiàn)出增長趨勢，這些國家正在積極推動的可再生能源發(fā)展和電力體制改革，為發(fā)展應用儲能創(chuàng)造了有利條件，是未來可再生能源和儲能發(fā)展的主要區(qū)域。
在發(fā)文量不足10篇的國家中，出現(xiàn)了大量加勒比海地區(qū)國家，包括海地、牙買加、安提瓜、特立尼達和多巴哥等，這些國家不斷增長的人口規(guī)模、日益旺盛的可再生能源需求和薄弱的電網(wǎng)基礎設施等都推動著儲能技術的應用發(fā)展，加勒比海地區(qū)已是最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d儲能市場之一。
為進一步了解各國論文的質量和研究重點，本文對近10年儲能領域的542篇高影響力論文進行了來源國分析，表2所示為擁有高被引論文最多的10個國家。其中，發(fā)文量最多的中國和美國依然分別排名第一、第二位，兩國貢獻了65%的高被引論文；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，每個國家高被引論文的產(chǎn)出趨勢如圖3所示。中國自2012年以后成為高被引論文最大貢獻國，其高被引論文占比從2009年的27%持續(xù)增長為2019年的70%。
表2儲能領域高被引論文的地域分布Table 2Region distribution of energy storage high-cited papers
圖3全球及主要國家高被引論文的年度產(chǎn)出趨勢
Fig3Annual output of high-cited papers in world
圖4所示為各國高被引論文的主要研究主題，其中，中國、美國、日本和德國等國家都比較關注超級電容器、石墨烯儲能材料以及電池技術；英國和新加坡比較關注智能電網(wǎng)；澳大利亞和印度比較關注相變材料；西班牙和法國比較關注儲熱技術。
3 主要研究熱點
3.1 研究主題分布
本文利用科學圖譜繪制工具VOSviewer對儲能領域的高影響力論文進行高頻關鍵詞（即在論文題目和摘要中出現(xiàn)頻次大于10次的技術術語，見表3）分析，構建基于共詞矩陣的知識圖譜，如圖5所示。圖中每個節(jié)點代表1個關鍵詞，節(jié)點越大該詞出現(xiàn)的頻次越高；節(jié)點之間的連線代表關鍵詞的共現(xiàn)頻次，連線越粗共現(xiàn)頻次越高；節(jié)點之間的距離代表關鍵詞之間的關系，距離越短相似性越高；節(jié)點的顏色由共詞聚類分析所得，每種顏色代表1個主題聚類[11]。
表3儲能領域高影響力論文主要關鍵詞Table 3Keywords of high-impact energy storage research papers
圖5儲能領域高影響力論文研究主題分布
Fig.5Research topics of high-impact energy storage research papers
將每個聚類中的關鍵詞歸納為研究主題，可以看出儲能領域高影響力論文研究主題主要有5類，各研究主題及代表性關鍵詞如表4所示。
表4研究主題及代表性關鍵詞列表Table 4Research topics and representative keywords
3.1.1 電化學儲能
電化學儲能技術（electrochemical energy storage，EES）不受地理地形環(huán)境的限制，可以對電能直接進行存儲和釋放，且從鄉(xiāng)村到城市均可使用，因而引起新興市場和科研領域的廣泛關注。以電化學儲能技術為先導，在發(fā)電側、輸配電側和用電側實現(xiàn)能源的可控調(diào)度，保障可再生能源大規(guī)模應用，提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率，驅動電動汽車等終端用電技術發(fā)展，建立“安全、經(jīng)濟、高效、低碳、共享”的能源體系，成為未來20年我國落實“能源革命”戰(zhàn)略的必由之路[13]。EES系統(tǒng)發(fā)展的關鍵目標參數(shù)是：高比能、高比功率、長循環(huán)壽命、低成本和環(huán)境友好性，最近的研究活動主要集中在電池和超級電容器的納米工程化材料研究[14]。
3.1.2 可再生能源微電網(wǎng)儲能技術
儲能可平滑可再生能源發(fā)電間歇性問題，是可再生能源微電網(wǎng)的關鍵部分，儲能技術與可再生能源發(fā)電的結合應用，能增強電力系統(tǒng)的靈活性，使其輸出可控和可調(diào)度，將成為推進可再生能源大規(guī)模應用的重要手段。作為一種新型的電力研發(fā)方向，微電網(wǎng)儲能技術受到了廣大科研人員的重視，國內(nèi)外積極開展相關技術研究和經(jīng)濟性分析，以提高微電網(wǎng)的可再生能源消納能力，降低微電網(wǎng)成本[15,16]。
3.1.3 相變儲能材料
相變材料（PCM）是指在保持溫度不變的情況下發(fā)生相變（通常從固體到液體）并提供潛熱的物質，可用于熱量貯存和溫度控制領域，對于提高能源利用效率、改善能源結構具有重要意義。在過去十年中，人們對PCM作為熱能儲存的興趣幾乎呈指數(shù)增長，研究內(nèi)容涉及材料、組件、系統(tǒng)、開發(fā)及應用的方方面面。以前，大多數(shù)關于PCM的研究都是有機的，但近年來，相變溫度范圍較大的無機PCM受到越來越多的關注。在常見的無機PCM中，水合鹽具有較低的相變溫度，適用于建筑物、太陽能熱水系統(tǒng)、紡織品等，熔鹽和金屬基PCM具有較高的相變溫度，適用于聚光太陽能發(fā)電（CSP）和工業(yè)固廢利用等領域[17]。
3.1.4 蓄熱系統(tǒng)
化石燃料燃燒是我們無法從清潔的可再生能源中獲取和儲存能源的結果，如果熱能不被儲存，它只會消散到需要燃燒化石燃料的環(huán)境中。由于人類熱能消耗的巨大規(guī)模，任何在熱能管理實踐中的改進都能顯著地造福社會。蓄熱系統(tǒng)（thermal energy storage，TES）是我們克服對化石燃料依賴的關鍵技術。目前最常見的TES系統(tǒng)有季節(jié)性TES系統(tǒng)、聚焦式太陽能熱發(fā)電裝置TES系統(tǒng)、家庭太陽能熱應用的分布式TES系統(tǒng)、建筑中的被動式TES、建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的冷熱儲存等。此外，TES在紡織、汽車、制藥、農(nóng)業(yè)等領域也有很好的應用[18]。
3.1.5 混合儲能系統(tǒng)
混合儲能系統(tǒng)（HESS）是將兩種或兩種以上儲能技術相結合，充分利用不同技術的優(yōu)勢特性，以適應各種應用場合需求，解決單一儲能技術由于其在壽命、成本、能量和功率密度以及動態(tài)響應等方面的能力和效能限制而無法實現(xiàn)預期運行目標的有效技術途徑。從已有大量關于HESS的文獻上看，大多數(shù)的綜述論文都集中在電動汽車中的HESS，還有一些關于可再生能源中的HESS和控制方法的研究[19]。
3.2 研究熱點及演變趨勢
圖6所示為儲能領域高影響力論文的研究熱點。圖中各詞的顏色深淺（從紅到藍）與該詞與相鄰詞相比所得的出現(xiàn)頻次高低相關，即一個詞相比相鄰詞的出現(xiàn)頻次越高，則越接近紅色，出現(xiàn)頻次越低則越接近藍色。由圖可見，儲能領域的研究熱點（紅色）貫穿于儲能技術應用的全鏈條，其中，上游材料的熱點集中在儲能相變材料和電池電極材料的制備與表征研究；中游設備的熱點主要集中在化學儲能裝置鋰離子電池、鈉離子電池、超級電容器、液流電池等的反應機理和性能研究；下游應用的熱點涉及電池系統(tǒng)構成及使用場景、電網(wǎng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟性能研究等。
圖6儲能領域高影響力論文研究熱點分布情況
Fig.6Research hotspots of high-impact energy storage research papers
以上熱點是對近10年技術關鍵詞的累計出現(xiàn)頻次進行計量分析所得，為了進一步分析儲能領域隨時間的技術熱點演變歷程，本文對儲能技術每年的高頻關鍵詞進行分析，如圖7所示。圖中關鍵詞字體大小表示該詞在當年的研究熱度，顏色由藍到紅表示時間的由遠及近，紅色為近3年的研究熱點。由圖可見，儲能相變材料一直備受關注，是國際研究的熱點。在2012年左右，主要開展以聚甲基丙烯酸甲酯復合相變蓄熱材料以及泡沫金屬材料作為骨架制備而成的新型復合相變儲能材料的研制。隨后人們進一步對潛熱儲能中熱物理現(xiàn)象開展大量研究，相變材料新品種得到不斷開發(fā)，近年來，高性能相變材料微膠囊的制備與應用成為人們關注的熱點。除此之外，儲能領域近3年的研究熱點還有高能量密度的鋰離子電池、鈉離子電池和超導電容器技術及其關鍵電極材料，提高風電消納能力的微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)（HESS），以及儲能技術在冷熱電三聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)（CCHP）和聚焦式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（CSP）中的應用等。
圖7 儲能領域高影響力論文研究熱點演變歷程
Fig.7 Evolution of research hotspots about high-impact energy storage research papers
4 結論
本文對全球儲能領域相關論文進行了文獻計量分析。通過年度發(fā)文趨勢分析可知，全球儲能論文產(chǎn)出在近10年一直保持快速發(fā)展，且在未來還有繼續(xù)增長的趨勢，領域發(fā)展勢頭良好；通過學科布局分析可知，儲能與工程、物理、自動控制、計算機、材料、化學、熱力學等學科交叉，多學科融合創(chuàng)新可成為未來儲能技術發(fā)展的有效路徑；通過高產(chǎn)論文國家地區(qū)分析可知，中國和美國是儲能論文產(chǎn)出第一集團國，發(fā)文數(shù)量約占全球儲能領域論文總量的40%，而中國已成為全球儲能論文產(chǎn)出貢獻最大的國家，產(chǎn)出了超過五分之一的儲能論文和超過四成的高被引論文。中國、美國、日本和德國等國家都比較關注超級電容器、石墨烯儲能材料以及電化學電池等技術的發(fā)展。
通過對儲能領域高影響力論文的研究主題分析可知，電化學儲能、可再生能源微電網(wǎng)儲能、相變儲能材料、蓄熱系統(tǒng)以及混合儲能系統(tǒng)等技術在近10年受到科研人員的高度關注，這些技術同時也在相關產(chǎn)業(yè)得到了較快的發(fā)展和應用。
儲能技術的競爭力不僅僅在于技術本身，還受到生態(tài)環(huán)境、社會環(huán)境、政治環(huán)境和經(jīng)濟環(huán)境等多重因素影響，儲能技術是一個以需求為導向、以應用為目而不斷發(fā)展壯大的領域。當前的儲能技術呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的良好態(tài)勢，作為能源革命的關鍵支撐技術，更有著極為廣闊的發(fā)展前景。
原標題:基于文獻計量的儲能技術國際發(fā)展態(tài)勢分析
