解析 | 世界能源领域前沿技术发展综述

4.3D打印燃气轮机叶片获突破

增材制造技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除(切削加工)技术，是一种“自上而下”材料累加的制造方法，也被称为“3D打印技术”。国际上增材制造经过20多年的发展，美国已经成为增材制造领先的国家，3D打印技术不断融入人们的生活，在能源、医疗、建筑、教育等领域大量应用，催生许多新的产业。

2017年世界柴油机巨头曼柴油机与透平公司正在将通过增材制造(3D打印)的零件装配在燃气轮机中，而这个零件是燃气轮机上结构复杂的涡轮静叶(喷嘴)，这是全世界首例将如此复杂的3D打印零件用在燃气轮机批产中。美国通用电气(GE)公司宣布其最大的燃气轮机9HA.02可以以64%的效能运行，打破了能源行业的记录，其中最大的功劳应归于3D打印，GE用3D打印为涡轮机制造了多个部件。

2017年2月，西门子公司成功完成对3D打印燃气轮机叶片的满负荷测试，这些发电用的燃气轮机叶片是由英国的MaterialsSolutions公司通过3D打印生产的，其燃气轮机转速高达每分钟13,000转，工作温度超过1250摄氏度(2282华氏度)，叶片被安装在功率为13兆瓦(MW)的西门子SGT-400工业燃气轮机上。

5.电动汽车电池续航技术大幅提升

电池充电及续航技术成为多国研发热点，其技术突破将推动电动汽车产业加速发展。以色列Storedot公司研发出“超快速充电”电动汽车电池，可在5分钟内完成充电，并支持汽车续航约483千米德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会研制出一种超级电池，体积不变，可使电动汽车续航达100千米。美国菲斯克公司研发的固态电池可使电动汽车续航804千米，充电仅需1分钟。韩国光州科学技术院和美国麻省理工学院合作研发出使电动车续航能力提高1倍的新型锂电池。

6.氢燃料制取技术取得新进展

氢能源是目前备受期待的新一代能源。进入21世纪以来，氢能源的开发利用逐步增多，发达国家已经取得了一些新进展。其中，日本氢能源研究启动早、发展快，在燃料电池和燃料电池车领域成绩斐然，成为引领“终极环保车”的时代先锋。从氢能与氢燃料电池全球发展的总体来看，欧美日等发达国家继续加大研发投入和政策扶持，氢能与氢燃料电池在交通领域、固定式发电领域、通信基站备用电源领域和物料搬运领域都显示出市场化的迹象，氢燃料电池技术应用总体已经在商业化初期崭露头角。

日本九州大学发明了近红外线领域的太阳能制造氢气的新方法。氢被认为是下一代主要能源，利用太阳能用水制造氢气的方法最被看好。和以前利用光电效应使物质表面放出电子的研究方法不同，该研究利用了光驱动化学反应原理。德国科学家简化了氢燃料制取和储存的新工艺，将应用于工业化储氢和生产，降低成本和能源消耗，对能源转型具有重要意义。来自埃克塞特大学的可再生能源专家团队率先推出了一项新型光电极技术，利用太阳光生产氢气，从而创造出清洁、廉价的燃料，可以为家庭和燃料电池车辆等提供能源。通过这种光解水的方法产生的氢燃料不仅会显著降低碳排放，而且几乎可以实现无限能源供应。

三、2018年能源领域技术开发最新动态

1.电力技术

●美国NASA迷你核反应炉“千瓦动力”测试成功将用于月球与火星生活

在2017年12月美国总统特朗普签署了“1号太空政策指令”，宣布美国将重返月球，并最终前往火星。美国国家航空航天局(NASA)、洛斯阿拉莫斯国家实验室、美国能源部和其他一些团体正在研发一种可以在旅途中可靠发电的迷你核反应炉“千瓦动力”(kilopower)，在2017年11月开始进行全功率测试，并于2018年3月完成测试，整个实验过程相当顺利，这将是核能技术的重要发展，因为它将成为未来最重要的太空船原件，并安装在月球或是火星基地上。洛斯阿拉莫斯国家实验室反应堆设计总负责人表示，Kilopower系统是40多年来美国开发的首个新型裂变反应堆概念，而且最近的试验提供了宝贵的数据并有效评估了其基础设施，接下来的18个月将会继续测试，包括任务研究和风险分析等工作，并且希望能在2020年代的中期，将反应炉送上太空。

●俄罗斯研发用血液中的葡萄糖获取电力的方法

俄罗斯科学研究中心代表向俄媒表示，库尔恰托夫研究所的学者研制出利用人血液中的葡萄糖获取电力的方法，这将确保心脏起搏器的不间断运行。该研究所国家研究中心NVIS技术综合体生物技术和生物能源部副主任巴维尔•戈托夫采夫介绍说，新方法可以从人体血液所含葡萄糖中获得15微瓦至40微瓦的电流。这足够保障一部现代心脏起搏器运转，与此同时，患者不会感到任何不适。目前，学者们计划在动物身上进行这项新技术的生物实验。但即使取得成功，仍需10年左右的时间才能开展临床试验。

2.储能技术

●新加坡研发电池新技术 10小时内容量恢复至95%

新加坡南洋理工大学的科研人员成功研发一项新的电池技术，该项技术不是改进电池结构、提升电池密度，而是针对用旧的老电池，号称能让锂离子电池在10个小时内，恢复至95%的容量，等于“返老还童”。具体来说，这项新技术是在每个锂离子电池中已有的两电极间增加第三电极，从而将残留的锂离子从一极排出到另一极，去除影响电池性能的“杂质”。因为天然属性限制，锂电池使用时间越长，容量就睡损失越明显，一般300~500次充放电循环后就会损失15~20%的容量，而且无法逆转。

但是新加坡南洋理工大学 Yazami教授称，他的发明可以让老旧锂电池很快恢复青春，而且每隔几年就能在相同的电池上重复进行恢复容量操作，既能延长电池使用寿命，也有利于环保。这一发明已经在智能手机上做了测试，不过对于电动汽车行业的改变意义更加重大，因为一般人可能会两年换一部手机，但汽车会用上十年以上。据悉，苹果、三星和松下等产业巨头都对这项发明兴趣浓厚。

●研究人员发明生产出有史以来最高性能的倒置钙钛矿太阳能电池

在《科学》杂志的一项研究中，来自北京大学、萨里大学，牛津大学和剑桥大学的一组研究人员详细介绍了一种减少有害的非辐射复合过程的新方法，在该过程中钙钛矿太阳能电池的能量和效率都会降低。

该团队发明了一种称为溶液二次生长(SSG)的技术，该技术将倒置钙钛矿太阳能电池的电压提高了100毫伏，达到1.21伏的高电压，同时不会影响太阳能电池的质量或通过器件的电流。他们在一台设备上测试了该技术，测得了创记录的20.9%的PCE，这是迄今为止记录的倒置钙钛矿太阳能电池最高认证的PCE。

●德国科学家研制超级电池组汽车续航能力有望提高一倍

欧洲最大的应用科学研究机构——德国Fraunhofer-Gesellschaft(弗劳恩霍夫应用研究促进协会)日前宣布，其研制出一种超级电池组，在不增加体积的前提下可提高电动汽车续航能力。该研究团队称，以特斯拉Model S为例，其目前电池续航为540公里，若可使用该超级电池组，续航能力有望则有望提高一倍至1000公里左右。这种新型电池组名为EMBATT，该研究项目的经理Mareike Wolter称，这种新型电池组最大的技术突破是改变了电池内部电极的形态。

像特斯拉这样的电动汽车，其电池板内部是由大量圆柱形18650锂电池连接而成，这样的设计会出现很大空间浪费，而Fraunhofer-Gesellschaft的新型电池设计就是为了消除这种空间浪费。所谓的18650型是一种电池的规格，是电子产品中比较常用的锂电池，常在笔记本电脑的电池中作为电芯使用。该型号具体定义的法则指的是，电池直径为18mm，长度为65mm，圆柱体形的电池。特斯拉最新车型Model S具有100千瓦时的电池板，包含8000多节18650型锂离子电池。

●美国研究出一种新的水基锌电池称可以替代锂电池

美国马里兰大学、陆军研究实验室和国家标准与技术研究院研究人员组成的研究小组，将传统的锌电池技术与水电池技术相结合，开发出了容量更大、安全性更高的可充电电池。他们使用新型的含水电解质，替代传统锂离子电池中使用的易燃有机电解质，大大提高了电池的安全性;而通过添加金属锌以及在电解液中添加盐，则有效提高了电池的能量密度。

研究人员指出，锌电池是一种安全且生产成本相对较低的电池，但能量密度低，寿命也短，因而并不完美。新型水基锌电池则克服了传统锌电池的这些缺点，不仅大大提高了电池的能量密度，电池寿命也延长了许多。而与锂电池相比，水基锌电池不仅可在能量密度方面与其一较高下，而且安全得多，不会有爆炸或引发火灾的风险。