在可持續(xù)能源蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，如何高效獲取、存儲(chǔ)并利用能源，已成為全球科技創(chuàng)新的核心議題。隨著全球氣候變化和能源需求增長(zhǎng)的雙重壓力，清潔能源的高效利用正成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。而在新能源時(shí)代，能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)的重要性愈加凸顯。

相較于傳統(tǒng)化石燃料，太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等新型清潔能源具有固有的間歇性與不可控性，其發(fā)電波動(dòng)性強(qiáng)，無法像煤炭、天然氣那樣依靠燃料儲(chǔ)備來保證連續(xù)供應(yīng)。因此，為了確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須將這些自然資源高效收集并在多余時(shí)段儲(chǔ)存起來，以備在供給不足時(shí)進(jìn)行釋放，實(shí)現(xiàn)供需的動(dòng)態(tài)平衡。

其次，隨著新能源技術(shù)日益深入終端應(yīng)用場(chǎng)景，如居民屋頂光伏、電動(dòng)車及樓宇風(fēng)電等，小規(guī)模、多節(jié)點(diǎn)的能源設(shè)備使得能量收集更趨于本地化和碎片化。為此，分布式能源系統(tǒng)亟需能量存儲(chǔ)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)能源自給自足和余電上網(wǎng)，這也對(duì)終端側(cè)的微型能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)提出了更高要求。此外，能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合還可實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化配置，通過回收再利用生產(chǎn)過程中的余熱、廢熱等減少能源浪費(fèi)。

能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)正處于快速演進(jìn)和加速落地的關(guān)鍵階段。在能量收集領(lǐng)域，隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能等可再生能源成本持續(xù)下降，相關(guān)收集技術(shù)已趨于成熟并進(jìn)入大規(guī)模部署階段。例如，在太陽(yáng)能領(lǐng)域，晶硅光伏組件效率不斷提高，鈣鈦礦等新型材料逐步走向產(chǎn)業(yè)化，正被積極應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、智能窗戶及便攜式充電裝置等領(lǐng)域;風(fēng)能領(lǐng)域，通過超大功率機(jī)組和永磁直驅(qū)技術(shù)顯著提升單位發(fā)電能力;波浪能與潮汐能領(lǐng)域，浮筒式、擺錘式、振蕩水柱式等能量轉(zhuǎn)換裝置開始被廣泛用于將海洋的機(jī)械能高效轉(zhuǎn)化為電能。

儲(chǔ)能技術(shù)作為保障可再生能源穩(wěn)定性和可控性的關(guān)鍵支撐，也實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)鋰離子電池向固態(tài)電池、超級(jí)電容器、氫能等多路徑并進(jìn)的發(fā)展格局。固態(tài)電池因其高能量密度和良好安全性成為電動(dòng)汽車與高端儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱門方向;超級(jí)電容器則在需要快速響應(yīng)的場(chǎng)景中表現(xiàn)突出;氫能技術(shù)也通過 “發(fā) - 儲(chǔ) - 用” 的完整鏈條，逐步拓展在重工業(yè)和長(zhǎng)距離運(yùn)輸中的儲(chǔ)能角色。

總體來看，能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)正在從單點(diǎn)突破邁向系統(tǒng)協(xié)同，這與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也息息相關(guān)。能源互聯(lián)網(wǎng)通過融合能量收集設(shè)備、分布式儲(chǔ)能裝置、傳感器與 AI 智能控制系統(tǒng)，將原本孤立的能源節(jié)點(diǎn)變?yōu)榭蓞f(xié)同調(diào)度的能源單元。這種系統(tǒng)化集成不僅提升了能量的本地化自我利用率，也實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域、跨時(shí)間的能源智能流動(dòng)。例如，目前在中國(guó)可以依托屋頂光伏 + 家庭儲(chǔ)能單元，在白天采集電力、夜間釋放，同時(shí)將多余能量上網(wǎng)，參與虛擬電廠或區(qū)域電力市場(chǎng)等。

隨著能量收集需求向輕量化、柔性化、高集成度方向發(fā)展，各類先進(jìn)材料與功能器件發(fā)揮著關(guān)鍵作用。鈣鈦礦材料以更高的光電轉(zhuǎn)換效率、較低的成本和更為便捷的制造工藝引發(fā)了廣泛關(guān)注。此外，碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體材料憑借其高耐壓、低導(dǎo)通電阻特性，大幅提升了功率器件的性能與能源轉(zhuǎn)換效率。在能量存儲(chǔ)領(lǐng)域，鋰離子電池仍是主流的儲(chǔ)能裝置，關(guān)鍵材料包括磷酸鐵鋰、鎳鈷錳等正極材料，石墨、硅碳復(fù)合材料等負(fù)極材料。固態(tài)電池作為下一代儲(chǔ)能技術(shù)備受關(guān)注，它使用如氧化物、硫化物或聚合物等固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，大幅提高了電池的安全性和能量密度。超級(jí)電容器則依靠高比表面積電極材料和特殊電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)快速充放電，適用于瞬間高功率需求場(chǎng)景。氫能存儲(chǔ)技術(shù)依賴催化劑材料和儲(chǔ)氫材料，用于制備和高效存儲(chǔ)氫氣，廣泛應(yīng)用于燃料電池。

能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)的廣泛應(yīng)用

隨著新能源技術(shù)的普及，能量收集和存儲(chǔ)技術(shù)也已在電動(dòng)汽車、智慧城市等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，能量收集技術(shù)主要體現(xiàn)為車輛表面集成太陽(yáng)能電池板，通過光伏技術(shù)為汽車輔助供電，增加續(xù)航里程;在能量存儲(chǔ)方面，鋰離子電池仍是主流選擇，而新興的固態(tài)電池憑借更高的能量密度和安全性，正在逐漸成為趨勢(shì)。此外，超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車能量回收與加速階段提供快速充放電能力，提升車輛整體性能。比如，蔚來汽車采用換電模式，通過標(biāo)準(zhǔn)化電池組實(shí)現(xiàn)快速換電，形成了城市電動(dòng)汽車能量管理的新模式。

戶用光伏系統(tǒng)結(jié)合儲(chǔ)能電池目前也越來越常見。通過配備智能能源管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化家庭能源消耗，家庭每年電費(fèi)甚至能降低 80% 以上。在工業(yè)領(lǐng)域，能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)助力工廠實(shí)現(xiàn)能源的高效利用與管理。例如，工廠利用余熱回收裝置收集生產(chǎn)過程中的廢熱，并通過熱電轉(zhuǎn)換設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為電能，再配合鋰電池或超級(jí)電容器等配套的儲(chǔ)能系統(tǒng)，使工廠可實(shí)現(xiàn)削峰填谷，降低用電成本，同時(shí)提高用能安全性與可靠性。特斯拉的超級(jí)工廠就采用了 Solar Roof 系統(tǒng)結(jié)合 Powerpack 儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過利用屋頂太陽(yáng)能板大規(guī)模收集能源，搭配先進(jìn)的鋰離子電池技術(shù)儲(chǔ)能，不僅提供生產(chǎn)過程中的電力支持，還能實(shí)現(xiàn)工廠整體的清潔能源供應(yīng)。

從 2022 年開始，能源收集與儲(chǔ)能技術(shù)開始被廣泛地應(yīng)用于中國(guó)的商業(yè)樓宇之中。商業(yè)樓宇通過安裝太陽(yáng)能板、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)等設(shè)備收集可再生能源，并利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)電能。這種模式有效提升了樓宇能源自給率，緩解城市電網(wǎng)負(fù)荷，并可在電力需求高峰期提供備用電力。此外，超級(jí)電容器等設(shè)備還可輔助快速充電站及緊急備用電源，保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性與及時(shí)性。

市場(chǎng)前景與政策支持

GMinsights 的研究報(bào)告顯示，全球能源收集市場(chǎng)正呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，2024 年全球能源收集市場(chǎng)規(guī)模約為 6.3 億美元，預(yù)計(jì) 2025 年至 2034 年間以約 8.8% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率穩(wěn)步擴(kuò)張。在各類能源技術(shù)中，光能收集技術(shù)表現(xiàn)突出，預(yù)計(jì)到 2034 年該領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模將達(dá) 5.2 億美元。此外，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中，樓宇和家庭占據(jù)相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額。

目前，各國(guó)都在積極支持能源收集和存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。中國(guó)推出了 “雙碳” 戰(zhàn)略，大力推動(dòng)可再生能源和儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用;美國(guó)則憑借《通脹削減法案》大規(guī)模資助清潔能源技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)落地，通過稅收抵免和州級(jí)采購(gòu)目標(biāo)推動(dòng)儲(chǔ)能發(fā)展(如加州和得克薩斯州等地儲(chǔ)能投資意向提升 60%);歐洲實(shí)施 “綠色新政”，旨在實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和能源獨(dú)立;日本、韓國(guó)等國(guó)家也不斷增加對(duì)固態(tài)電池、氫能技術(shù)等新型儲(chǔ)能技術(shù)的投資與支持。各國(guó)的舉措和政策扶持，正顯著加速能量收集和儲(chǔ)存技術(shù)的全球普及與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

挑戰(zhàn)與解決方案

盡管前景廣闊，目前能量收集和存儲(chǔ)技術(shù)仍然面臨許多挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在成本、安全和效率三個(gè)方面。在成本方面，先進(jìn)的能量收集與存儲(chǔ)設(shè)備往往價(jià)格高昂，限制了其大規(guī)模推廣，如鈣鈦礦太陽(yáng)能電池雖然性能優(yōu)異，但大規(guī)模量產(chǎn)的成本控制仍是難題;儲(chǔ)能系統(tǒng)中的鋰電池長(zhǎng)期使用后的容量衰減和循環(huán)壽命問題尚待優(yōu)化，超級(jí)電容器難以滿足長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求等。

面對(duì)能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)在這些方面的挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界也正在從材料創(chuàng)新、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能管理等多個(gè)維度積極探索解決方案。例如，在降低成本方面，寧德時(shí)代等企業(yè)正推動(dòng)磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化與產(chǎn)線自動(dòng)化，以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)下的成本降低;在安全性方面，豐田、QuantumScape 等公司正加速固態(tài)電池的商業(yè)化，利用非易燃固態(tài)電解質(zhì)提高系統(tǒng)熱穩(wěn)定性;而在提升效率方面，學(xué)術(shù)界正通過開發(fā)新型電極材料，如摻雜石墨烯、金屬有機(jī)框架材料 MOFs 等，以提升能量密度，同時(shí)利用人工智能算法對(duì)分布式儲(chǔ)能進(jìn)行智能調(diào)度和預(yù)測(cè)控制，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行。各方協(xié)同創(chuàng)新，正逐步打破制約該領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

能量收集與儲(chǔ)能技術(shù)作為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵拼圖，正在深刻改變著全球能源格局。從技術(shù)創(chuàng)新到市場(chǎng)應(yīng)用，從政策支持到挑戰(zhàn)應(yīng)對(duì)，這一領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力與活力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與完善，能量收集與儲(chǔ)能技術(shù)必將在未來的能源體系中扮演更為重要的角色，助力全球?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展的目標(biāo)。