报告 | 《全球工程前沿2018》：电力与能源技术领域

2 工程开发前沿

2.1 Top14 工程开发前沿发展态势

能源与矿业工程领域研判的Top14 工程开发 前沿见表2.1.1，它们涵盖了能源和电气科学技术与工程、核科学技术与工程、地质资源科学技术与 工程和矿业科学技术与工程 4 个学科。其中 5 个工 程开发前沿基于科睿唯安共被引聚类分析获得，分 别为“能源与电力系统中的先进储能技术”“无线 电力传输及其相关设备的研究及应用”“可再生能 源发电系统的运行与控制”“石油工程新工具新材 料”“非常规油气藏储层测井识别”，其余是专家 提名前沿。 其中新兴前沿包括“无线电力传输及其相关设 备的研究及应用”“绿色采矿技术（煤、油、气、 矿）”“矿业安全智能精准开采技术与装备”，传统深入研究包括“化石能源（煤炭、非常规油气） 开发利用系统与核心技术装备”“乏燃料后处理及 核设施仪器仪表”“可再生能源发电系统的运行与 控制”“先进反应堆技术及设备研发”“石油工程 新工具新材料”“非常规油气藏储层测井识别”“三 维地质建模技术”， 颠覆性技术包括 “先进核燃 料技术研发”，融合交叉学科前沿包括“电力系 统高压大功率电力电子器件及装备”“能源与电力 系统中的先进储能技术”“矿产和地热宽谱段遥 感勘查”。各个工程开发前沿所涉及的核心专利在 2012 年至 2017 年的逐年发表情况见表 2.1.2。

（1）化石能源（煤炭、非常规油气）开发利用系统与核心技术装备

煤炭开发利用系统与核心技术包括采掘两方 面，其中煤矿综采自动化智能化无人化成套技术与装备一般可泛指在综采成套装备中应用自动化和智 能化控制技术，实现不同程度的工作面少人化或无 人化开采作业。发展综采自动化和智能化技术，最 终实现煤矿工作面无人化开采是煤炭开采技术的发展方向。主要技术方向包括：研发液压支架围岩耦 合自适应控制技术，研发基于智能决策、时序控制、 记忆放煤和人工干预协同控制的自动化放顶煤控制 系统，研发可靠、实时、安全的工作面多机协同控 制系统，研究工作面端头与超前支护系统自动化等。 煤巷智能快速掘进技术与装备是指采用具有感知能 力、记忆能力、学习能力和决策能力的掘锚机、锚 杆机、破碎转载机、带式输送机等煤巷掘进装备， 以自动化控制系统为枢纽，以远程可视监控为手段， 实现掘进工作面巷道掘进系统“全断面快速掘进、 掘支运平行作业”的安全协调高效掘进技术。智能 快速掘进技术创造了掘进、支护、运输“三位一体” 的快速掘进新类型，实现了设备的集中协同控制， 为下一步掘进工作面无人化奠定了基础。主要技术 方向及关键技术包括：智能截割技术、智能锚护技 术、输送带多点驱动功率平衡技术和张紧力自动控 制技术、辅助工序自动化技术、物联网集成技术、 系统的适应性研究等。煤巷智能快速掘进技术的发 展趋势是由掘支运“三位一体”向掘支运辅“四位 一体”方向发展。此外，下一步需要研究构建掘进 机大数据库和云计算中心，这一平台将有效解决掘 进机的智能控制和远程服务问题，“无人值守、智 能掘进”将变成现实。 我国非常规油气资源储量丰富，是重要的战 略接替资源。但由于非常规油气储层具有低孔、 低渗、较大渗流阻力和低采收率的特点，通过传 统手段难以实现非常规油气的经济高效开发。亟 需通过长水平井技术、大规模体积压裂改造技术 和高效“井工厂”技术的工程系统与核心技术装 备的创新，提高非常规油气的产量和采收率，降 低其开发成本，进而实现我国非常规油气领域的 重大突破，为保障我国能源战略安全贡献力量。 长水平井技术是扩大非常规油气储层泄流面积， 提高井眼控制体积，并进行分段压裂改造的有效 方法，它可以显著提高单井产量和采收率。长水 平井钻完井的关键技术包括：旋转导向钻井技术、高效钻井液技术和井筒完整性控制。体积压裂通 过压裂的方式对储层实施改造，在形成一条或者 多条主裂缝的同时，通过分段多簇射孔、高排量、 大液量、低黏液体、以及转向材料及技术，使天 然裂缝与人工裂缝相互交错，从而增加改造体积， 提高初始产量和最终采收率。“工厂化”钻井利 用自动化钻机，通过将各项钻井作业标准化和专 业化，采用流水线式的“工厂化”生产模式批量 完成钻井作业，提高设备、人员和组织施工效率， 从而缩短整体钻井时间，降低了综合开发成本。 因此长水平井技术、体积压裂和“井工厂”钻井 可显著提高非常规油气的产量和采收率，降低作 业成本，已成为国内外竞相研发的前沿。

（2）电力系统高压大功率电力电子器件及装备

高压大功率电力电子器件及装备是电力系统中 实现电能传输、分配和变换的基础和核心，尤其是 特高压交直流输电和智能电网技术的核心，其包含 高压大容量或高频电力电子器件，基于电力电子器 件的柔性交流输电系统（FACTS）, 静止同步补偿 器（STATCOM），静止无功补偿装置（SVC），电 力电子变压器（PET）和能源路由器装备等。随着 国家能源结构调整与迅速增长的能源需求，电力 系统高压大功率电力电子器件及装备领域在向大功 率、高频化和智能化方向发展。高压大容量电力电 子器件的研发，尤其是大容量晶闸管、绝缘栅双极 型晶体管（IGBT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）， 是实现我国发展更经济的远距离大容量特高压交直 流输电，实现长距离大容量的西电东送、南北互供 以及全国联网的核心技术之一，高压大容量电力电 子器件的可靠性、模块内芯片的并联均流、高压模 块封装的热阻以及驱动保护等技术是其主要技术研 究方向。基于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材 料的新型高压高频电力电子器件，能满足智能电网 和新能源技术高能效、高功率密度和更多新功能的 发展需求，其主要技术方向包括高质量SiC 厚外延 和硅衬底GaN 外延技术、栅氧可靠性和电流崩塌问题、器件高压终端保护技术和智能驱动技术等。 高压交直流输电容量的大幅提升需要依靠高性能大 容量电力电子装备来实现，智能化、信息化的大容 量电力电子装备与智能电网的结合将更加紧密。

（3）乏燃料后处理及核设施仪器仪表

乏燃料后处理是指对从反应堆卸出后的核燃料 （称为“乏燃料”）的处理和处置过程。包括乏燃 料的中间贮存、乏燃料的后处理和放射性废物的处 理、最终处置等过程。乏燃料后处理是核燃料循环 后段的核心，是对核电站卸出的乏燃料元件进行处 理、分离和回收未烧尽的铀和新生成的钚，同时对 放射性废物进行处理，满足处置要求。后处理技术 按照乏燃料在主工艺中被处理时的存在状态而分为 湿法（亦称“水法”）和干法两种。水法萃取流程 是目前唯一经济实用的后处理流程，常用的普雷克 斯流程（PUREX）就是将反应堆乏燃料元件经过 适当的预处理转化为硝酸水溶液，然后采用有机溶 剂（常用磷酸三丁酯的煤油溶液）进行萃取分离， 以达到回收核燃料和除去裂变产物的目的。而干法 后处理对于处理高燃耗乏燃料，特别是快堆乏燃料 具有一定的优势，是当前一个重要的研究方向。 为保障核电运行全寿期的安全高效运营，加强 核电关键系统和设备的自动运行监控，提高系统、 设备的可靠性；同时提高核电站运行的可利用率， 提高经济性；实现对人不可达区域进行机器人维 修，减少工作人员的受照剂量；最终为严重事故处 理及退役创造技术条件。包括数字化技术、人工智 能及核测仪表，其他涉及核安全的关键仪表技术。 （4）能源与电力系统中的先进储能技术

在能源的生产和消费链中，任何阶段都可以实 施能量的储存技术。储能技术对新型能源和现代电 力系统而言尤为重要。因为在大型电力系统中，一 直存在着能源生产和需求在空间和时间上的错配 问题，可再生能源都有间歇性和波动性，智能电 网更是需要通过先进储能技术，实现能源的高效 清洁利用。

一般而言，只要能满足能源与电力系统中对功 率和能量的需求，目前已有的和正在开发的储能技 术都能应用于该系统中，具体包括电化学储能技术， 如各种传统和新型二次化学电池，液流电池等；化 学储能技术，如氢气的存储技术；热化学的储能技 术，如氨气的分解和复合反应，甲烷的分解和复合 反应等；储热技术，如显热和潜热利用技术；动能 储能技术，如飞轮储能；势能储热技术，如抽水电 站，压缩空气储能；电磁的储存技术，如超导磁能 储存以及超级电容器等。 优化选择一种或多种储能技术应用于能源与电 力系统中，必须同时考虑技术和经济两方面的问题， 比如投资成本，运行成本，能量或功率密度，循环 次数以及对环境的影响因素等。

（5）无线电力传输及其相关设备的研究及应用

无线电力传输是运用近场谐振耦合、电磁波或 超声波等技术，实现电能由发射端到接收端无线传 输的技术。其中，近场感性谐振耦合技术被广泛用 于研制统一的可携带电子设备无线充电平台、电动 汽车静态无线充电装置、电动汽车动态无线充电系 统、工业机器人无线充电装置、植入式电子设备无 线充电装置、电网监控设备或巡线无人机的无线充 电装置、无人潜艇的海底无线充电系统等设备。基 于微波或激光无线电力传输技术的空间太阳能电站 是未来重要的可再生能源发电方式。大功率远场无 线电力传输技术、大功率高频电力电子技术、大功 率高频电力器件技术、最高效率跟踪技术、动态控 制技术、多场耦合分析、电磁超材料等成为研究前 沿。未来无线电力传输技术将向远距离、高功率、 高效率、高安全性、微型化等方向发展，在交通电 气化、航空航天、植入式电子医疗设备、水下探测、 智能家居等应用领域发挥重要的作用。