新能源技术研究现状与应用前景展望

王冕冕

(中国石化销售股份有限公司浙江杭州石油分公司，浙江 杭州 310007)

自党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央将生态文明建设纳入到国家发展战略当中。以“绿水青山就是金山银山”为口号，认真落实“2030年达到碳高峰，2060年达到碳中和”的30·60双碳目标，意味着传统能源产业将发生重大变革，化石能源将慢慢退出主题能源行列并被新能源技术所取代[1]。

新能源、新材料和新技术是未来发展的大趋势，各大能源公司紧紧围绕国际知名、国内一流的“油、气、氢、电、非电”综合服务商的目标转型，积极落实新的发展理念，新能源业务的扩张升级持续加快。目前，以加氢、充电、光伏发电为核心的新能源网络矩阵已初具雏形，在消费需求快速增长的背景下，各销售企业齐头并进，加快发展新能源业务，迅速构建了基于加氢、充电置换、光伏发电等多元化领域的绿色低碳发展新网络。

本文以光伏发电储能技术和氢能源技术为例，从技术原理作为切入点开展技术研究现状分析，并提出未来技术发展趋势，对于国家碳中和目标的实现具有一定的指导价值。

1 光伏发电储能技术研究现状

与传统光伏发电相比，储能系统具有无耗竭风险、安全、无噪音、无污染排放等优点，对平衡电价、保障电力安全具有重要意义。当主电源切断时，储能系统可支持电源的正常运行[2]。

1.1 光伏发电原理

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。电子和原子碰撞后就会产生电流。这是光的能量转化为电能，这种效应称为光电效应(Photovoltaic effect)。在光伏电池中电子和原子碰撞后可以发生一系列反应，即光伏效应。当阳光照射到一个透明的晶体薄膜上时：光子会被吸收而发生光电效应，这种现象称为光生载流子的复合，一般在太阳光照到了一定时间后就会停止，但因为这个过程不可逆，所以当光照射到了晶体薄膜上并继续经过一段时间后才可以停止。当这一过程完成时即为光电化学反应[3]。如果将一个含有5个外电子的原子，如磷原子，掺杂到纯硅中，就会变成N型半导体；如果纯硅掺杂了具有三个外部电子的原子，例如硼，则形成P型半导体。在P和N两种材料的结合下，接触表面产生了电势差异，从而形成了一种太阳能电池。在光照条件下，P极区的空穴向N极区移动，而电子则由N极区向P极区移动[4]。

1.2 光伏发电系统

光伏发电系统通常由光伏阵列、电池组(选配)、电池控制器(选配)、逆变器和交流配电柜组成。光伏阵列是由若干个光伏组件或光伏板组成的直流发电单元，通过固定的支撑结构以一定的方式组装在一起[5]。电池组的作用是储存太阳能阵列照明产生的电能，随时为负载供电。逆变器是将直流电转换为交流电的装置[6]。太阳能电池输出的直流电通过控制逆变器转换成交流电，然后通过相位集成和控制回路进入电网。太阳能发电系统输出的电能直接分配给低压用电负载，并通过接入当地电网调节电力过剩或不足。加油站内部的光伏电站采用“用户侧”并网方式直接向加油站供电，并网点选在电网变压器二次侧和电表后端。光伏阵列发电汇聚后，逆变器跟踪电网频率、电压和相位，并入与电网质量相同的电能中[7]。它直接连接到电网并汇聚为负载供电。光伏发电输出优先于电网，不足部分由电网补充，供电质量没有改变。光伏发电系统见图1。

图1 光伏发电系统示意[3]Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic power generation system[3]

1.3 应用现状

根据《中国石化2019年可持续发展进展报告》，系统加油站数量已达30 702个，加油站结构基本一致，主要包括站房、帐篷、燃料岛和储罐区、车道、围栏等。可在加油区的雨棚、车站大楼和停车区的停车棚屋顶安装光伏设备，实现站内光伏发电。光伏发电项目能充分利用加油站建筑，因此不占用土地资源，具体做法是将加油站上部空间变成光伏电站，达到节能、环保、实用、美观的效果。

受太阳辐射周期性变化的影响，光伏发电的变化具有很强的周期性。主电源输出时间为每天08：00-18：00。在用电高峰期，加油站可以利用光伏系统产生的电能，实现环境效益，节约用电成本。当电站夜间无法供电时，仍可利用电网供电，可以合理控制运行成本。

2 氢能源技术研究历程

氢能与传统石油公司的石油和天然气产业链有着密切的关系，尤其是石化行业[9]，因此在“双碳”目标选择下，大力发展氢能被认为是中国能源转型的必经之路[10]。

2.1 氢能的优势

氢气的热量是汽油的三倍，是当今世界上除了核燃料以外最具热量的一种；具有良好的燃烧特性、较宽的可燃范围、较高的着火温度和较高的燃烧速度；资源丰富，在水中和其它物质中以化合物的形式存在；无毒环境，对反应产品进行净化，降低环境影响；因为其无碳的特点，所以被认为是“终极”的能量。美国，日本，德国等发达国家纷纷将其作为国家的能源发展战略。国际氢能委员会、国际能源署、麦肯锡等国际科研组织都对氢能的发展前景持乐观态度。国际氢能理事会预计，到2050年，氢将占世界能源消耗的18%，其市场价值将达到2.5兆美元，CO2排放降低到60亿吨[11]。

2.2 氢能源产业发展现状

美国、欧盟、英国、俄罗斯、日本、韩国等发达经济体纷纷将氢能提升为国家能源战略。氢能相关领域的研究和实践持续升温。从1970年开始，美国就开始研究和发展氢能技术。它是世界上最早提出“氢经济”概念的国家。1990年以来，我们通过《氢能展望法》《国家氢能发展路线图》《综合能源战略》等一系列政策，推动氢能产业全面发展。日本为推进“氢能社会”做出了巨大努力。1973年成立氢能协会，组织氢能技术的研究与开发。自2003年起，日本先后推出五大核心能源计划、《氢能与燃料电池战略路线图》和《氢能核心战略》，将发展氢能作为国策。欧盟先后发布了《2005年欧洲氢能研发与示范战略》《欧洲氢能战略》和《可再生能源指令》等政策文件。俄罗斯在全球能源转型的大环境下，也面临着严峻的挑战，制定了能源2035、氢能产业发展等战略。俄罗斯将于2024年建成一条完整的氢能产业链，并推动清洁能源的出口[11]。

2.3 氢能源的应用现状

根据各国际组织和团体的预测，2035年前灰氢和蓝氢仍将是主要的氢气生产者，目前，石油公司是主要的生产厂家和用户。中国石油、中国石化每年生产的氢气及消费总量将达四百万吨。与此同时，我国石油公司的天然气资源十分丰富，以天然气制蓝氢气的能力仍然很强，发展空间很大。

氢能基础设施建设滞后是制约我国氢能大规模应用和推广的重要因素。石油公司拥有强大的存储和运输基础设施。截至2020年底，我国已建成油气管道14.4万公里，其中天然气管道8.6万公里，原油管道2.9万公里，成品油管道2.9万公里[12]。在充分利用现有油气网络的基础上发展氢能储运产业链，可以提高基础设施利用率，降低人力成本，弥补氢能业务的经营亏损，支持实现油、气、氢的氢催化开发。

高效安全的储运利用技术是实现氢能产业化和商业化的关键。石油公司在制氢、储运和使用方面拥有丰富的经验，在能源安全设计、建设、运维管理等方面具有成熟的经验。以石油公司现有的科研机构、人才和完善的科研保障系统，可以在短时间内将其用于氢能源全产业链的技术研究，并在关键技术和工艺上实现快速的突破，从而引导企业的高质量发展。

目前，中国石油销售企业已在全国建设加氢站，其中具有充电和换电功能的加氢站9 192座，具有分布式光伏发电功能的加氢站156座。现有基础设施能够加快氢能源的推广应用和光伏发电储能技术的进一步发展，新能源技术的持续发展有助于碳中和目标的快速实现。

3 其他新能源

3.1 我国风能源的发展现状

中国风能资源相对丰富。然而，由于技术和实际实施环境等多方面的限制，我国风能的开发和利用范围较为狭窄。大力发展中国风(电)能源，正确利用其资源优势，为资源环境保护带来实质性帮助。风能可以在一定程度上减少能源短缺带来的能源短缺问题，可以促进我国资源产业结构和相关资源体系的完善。风电发展相对缓慢主要是因为其规模、产业、核心没有得到较好的提升[13]，资金投入过高，没有相关专业人才。风能利用的核心竞争力缺乏，需要国家在相关政策和财政上给予支持和帮助[14]。政府对风能政策的支持主要可以从三个方面展开。(1)实施贷款补贴，降低相关风电税费。(2)加大风电设施创新与更新的财政投入[15]。(3)我国在科技研究的相对范围内投入了风能的研发和应用，能够更加方便、快捷的帮助企业获取行业关键技术，提高社会经济的可持续发展。

3.2 我国生物质能能源的发展现状

我国生物质能资源主要包括经济林、薪柴林、大田作物秸秆和林业相关资源以及有机废弃物。中国的生物能源资源储量相对丰富，具有巨大的开发潜力。生物质能源的开发必须加大力度，完成能源基地建设，确保燃料的持久和可观数量，并建立健全相应的原材料管理体系[16]。我国目前生物质工程的高科技产业化重点项目包括：生物材料的应用、生物能源的应用和生物质原料的有效生产。

3.3 我国核能源的发展现状

与其他资源相比，中国的铀资源相对稀缺，分布相对分散。它阻碍了中国核资源原材料的研发。然而，核能与其他能源不同。它具有无限再生和无污染的优点，可以在一定程度上促进社会资源开发的提高。建设商用聚变反应堆和发展核聚变能源对改善中国能源结构具有重要作用，有利于未来调整中国能源结构。

我国作为一个能源消耗大国，化石能源已经远远不能满足当今日益增加的经济发展要求了，所以，一定要努力改善能源结构，借鉴国外先进的开发技术，制定好相关的新能源发展政策等，才能够有利于新能源产业更快更好的发展[13]。

4 应用前景展望

思考中国新能源的发展路径并不难发现，重视项目的运营，同时需要认识到产业发展的重要性，两者齐头并进，以提升中国市场竞争力的需要。围绕工业生产工作中遇到的困难和障碍，采用科学的方法提高工业竞争力，可以适应市场经济的发展需要。通过新能源研发工作方法，可以有效地实现人们工作质量和工作效率的提高。需求，同时确保我们社会整体市场经济的发展和运行。中国社会在未来的市场经济发展过程中，需要坚持两条腿走路的政策模式，坚持大规模的资源集中利用和生产，也需要进行小规模、分散型的资源利用，根据实际市场经济发展模式进行产业调整，根据不同地区的生产特点，开发利用新能源。此外，新能源的开发和应用还需要社会投资的积极鼓励和支持。在实际工作过程中，应实施新能源的价格和税收政策，以控制成本，保持激励资格，实现双向运行[17]。

然而，在当今经济全球化的社会，没有一种新的现代能源科学技术或其他技术和解决方案能够独立解决问题，能够独立研究和应用于解决全球节能和碳排放的基本问题。这是一项先进的技术，必须与世界各地的各个行业相结合才能有效可行。控制全球能源消费与促进全球实体经济持续快速增长是并行不悖的。因此，积极探索、发展和加快下一代新能源技术的研究和应用成为必然。因此，无论是从当前的节能减排，还是从我国经济的蓬勃发展以及绿色、低碳、新能源的实际市场经济出发，都应该大力发展绿色、低碳、环保的新能源。新一代清洁能源的广泛应用所带来的快速可持续发展，无疑是对每一个新一代能源产业的巨大祝福，也是巨大的机遇和挑战。近年来，随着工业技术的广泛应用，新能源的使用越来越广泛，促进了新一代能源的出现，工业技术的广泛应用和生产过程中存储的数据传输的安全性，以及线路的快速可持续发展水平。我们应该提前为能源企业做好规划和准备，希望能为未来快速发展并使用新能源的实体经济做出贡献。