Literature Analysis of Energy Storage Research Based on Object Hierarchy

以太阳能和风能为代表的可再生能源是电力行业减碳、脱碳的关键。随着可再生能源装机比例的提升，其间歇性、波动性问题让电力系统对储能的依赖性不断增加^[1]。因此，储能在未来电力系统中将扮演重要角色，大规模储能技术应用势在必行^[2]。近年来，在“碳达峰、碳中和”战略和新型能源体系建设的大背景下，储能在我国发展迅速，已成为新型电力系统的关键组成部分^[3-4]。根据中关村储能产业技术联盟（CNESA）的统计^[5]，截至2022年底我国已投运电力储能项目累计装机规模达到59.8 GW。可以预见，未来几十年我国必定是全球储能产业发展的引领者之一。

科学研究是储能产业发展的基础和动力。目前，中国已成为全球在储能领域发表文献最多的国家^[6]。在开展储能研究的同时，国内外学者也在不断总结研究成果^[7-8]，这对行业发展具有重要的指导意义。在回顾一个领域的研究成果时，常见的分类方法是根据研究性质将成果分为基础理论、应用技术、软科学等。在储能领域，学者们通常是根据研究对象所属技术路线进行分类。例如文献[9]从多个角度对不同储能技术路线进行文献检索统计，并分析了发展趋势。文献[10]在总结几种常见储能技术路线基本原理、特点与实际应用案例的基础上，综合比较各路线的优缺点，最后分析了发展前景。文献[11]和文献[12]则分别从压缩空气储能和飞轮储能路线出发，对相关技术进展和应用等进行了回顾。由于不同储能技术路线的工作原理差异较大，该方法对成果解读具有较好的针对性。

随着储能技术的发展，技术方案和应用场景愈加复杂，还出现了复合应用技术，因此现有分类方法在某些情况下存在一定局限性。为此，文章提出了一种基于研究对象层级的储能研究分类方法。应用该方法，以中国知网（CNKI）数据库期刊文献检索结果为数据来源，对2022年文献和2001~2022年被引次数前200位文献进行了分析，并对2001~2022年文献变化趋势及其与新型储能装机的关系进行了研究。

按照研究对象从微观到宏观的层级顺序，将储能研究依次分为材料级、器件设备级、系统电站级、电力系统级，如图1所示。材料级研究的对象是储能相关的材料科学及工艺技术；器件设备级研究的对象是储能系统可能用到的机件、元件、设备或者若干设备的组合；系统电站级研究的对象是设备所构成能够独立实现电能存储、转换及释放的组合；电力系统级研究的对象是储能系统在电力系统中的应用等。

Figure 1.  The classification method of energy storage research based on object hierarchy

在各类型研究中，材料级研究偏向于基础研究，是储能技术进步的原动力^[13]。器件设备级研究的对象是微观和基础研究成果开始实现应用价值的第一步，具备了一项或若干项功能，但无法完全独立实现储能功能。系统电站级研究的对象是具备完全储能功能的，其下边界是能够独立实现电能存储、转换及释放的最小设备组合（例如《电化学储能电站设计规范》提出的储能单元^[14]），上边界是储能电站，不涉及电力系统的范畴。储能系统、电站需在电力系统中才能发挥作用^[15]，所以系统电站级和电力系统级研究多偏向于应用层面^[8]。需要说明的是，本文将宏观政策、电力市场这类与电力系统密切相关的研究也归为电力系统级。

应用上述分类方法，对我国储能领域研究类期刊文献进行分析。

为了保证文献的集中度，便于对其进行分类，本文在CNKI数据库中以“篇名=储能OR关键词=储能”为条件，检索2001~2022年期刊文献。为保证文献质量，仅保留北大核心、SCI、EI收录期刊，共得到6 212条结果。在这些结果中，筛除综述、通信、书评类文献。此外，考虑到抽水蓄能技术的特殊性，本文仅关注新型储能，即除抽水蓄能以外的储能技术。经人工筛除不符合项后，得到5 397条结果。

采用基于对象层级的储能研究分类方法对2022年的707篇文献进行分类，得到结果如图2所示。由图2可知，电力系统级研究文献明显多于其他类型文献，总共329篇，占总文献量的46.5%；接下来是系统电站级和器件设备级研究文献，分别为135篇（19.1%）和130篇（18.4%）；材料级研究文献相对较少，数量和占比分别为81篇和11.5%；另有32篇文献无法分类。无法分类的文献内容主要包括储能技术在其他行业中的应用、储能教育等。

Figure 2.  The classification results of energy storage research literatures in 2022

根据被引次数对2001~2022年文献进行排序（以2023年3月23日检索结果为准），其中排名前10位的文献如表1所示。选取被引次数前200位文献（单篇被引次数范围＝96~1 021次/篇，总累计被引次数＝37 747次，平均被引次数＝188.7次/篇）进行分类，得到结果如图3（a）所示。由图3（a）可知，在被引次数前200位文献中，电力系统级研究文献达到152篇（76.0%），占有绝对优势；排第二的系统电站级研究文献为33篇（16.5%）；材料级和器件设备级文献相对较少。通过式（1）对各类研究文献累计被引次数进行统计，得到结果如图3（b）所示。由图3（b）可知，电力系统级研究文献累计被引次数为28 849次，占比达76.4%；系统电站级研究文献为6 174次，占比16.4%；材料级和器件设备级研究文献累计被引次数相对较少。图4进一步给出了各类研究文献平均被引次数。由图4可看出，电力系统级研究文献平均被引次数最多（189.8次/篇）；系统电站级研究文献为187.1次/篇，与电力系统级研究文献相近；器件设备级和材料级研究文献的平均被引次数依次为170.5次/篇和140.0次/篇。由此可见，储能作为新型电力系统和新型能源体系建设的重要组成部分，电力系统级研究的热度最高。

Figure 3.  The classification results of top 200 energy storage research literatures cited from 2001 to 2022

Figure 4.  Average citation times of different types of research literatures

式中：

C_i ——第i类研究文献累计被引次数（次）；

P_i,j ——第i类研究文献中第j篇文献的被引次数（次/篇）；

n ——第i类研究文献的数量（篇）。

对2001~2022年的5 397条结果进行分类，得到的历年结果如图5所示。由图5可知，从2001~2022年，每年的储能研究文献由12篇增长至707篇，增长率达5 791.7%。总体来看，2001~2010年期间增速较缓，2010年以后增速加快。在2010年以前，材料级和器件设备级研究文献占比较高，二者总共可占到58.8%~75.4%。2010年以后，系统电站级和电力系统级研究文献的比例逐渐增加。电力系统级研究文献增速尤为明显，占比由27.1%增至46.5%，其中2013年曾达到最高点50.2%。从“十二五”开始，我国开始重视新型储能技术的发展，并加大了科研投入，在化学和物理规模储能技术方面取得了明显进步^[16]。由图5的结果还可看出，储能研究的重心已由基础过渡到基础和应用齐头并进的局面。

Figure 5.  The classification results of energy storage research literatures from 2011 to 2022

根据中关村储能产业技术联盟（CNESA）的统计结果^[5,17]，图6给出了2011~2022年我国新型储能历年新增装机容量。由图6可看出，2011~2022年间的新型储能年新增量整体符合指数增长趋势（R²＝0.963 0），其中2011~2017年间的年新增量上升较慢，2018年以后大幅上升。这主要受益于经过之前一段时间的研究，我国大规模电化学储能关键技术已趋于成熟^[18]，再加上政策的引导，产业发展方向和商业模式逐渐明朗。在百兆瓦级电化学储能电站应用方面，已逐步实现了从“技术创新引领”向“规模化应用”的过渡^[19]。

Figure 6.  Annual newly installed capacity of new energy storage from 2011 to 2022

图7给出了2011~2022年新型储能年新增装机容量与文献数量的关系，并对二者的关系曲线进行了拟合，如表2所示。由图7可看出，年新增装机容量与研究文献数量之间呈正相关。由表2可知，年新增装机容量与系统电站级研究文献数量的相关性最佳，R²＝0.916 8；其次是与电力系统级研究文献数量，R²＝0.897 2；再次是与器件设备级研究文献数量，R²＝0.879 3；与材料级研究文献数量的相关性较弱，R²＝0.747 3。由此可见，储能产业的发展与其技术研究是相辅相成的。系统电站级和电力系统级研究文献数量与储能新增装机规模的相关程度较高。这主要是由于系统电站级和电力系统级研究较偏重于应用层面，关注的一般是实际问题，在时间尺度上与项目落地更为接近。同时产业发展也会对技术研究提出要求，而应用研究与产业的关系最为密切。对于系统电站级和电力系统级研究，前者的文献数量与储能新增装机规模的相关程度高于后者，主要是因为系统电站级研究通常是直接面向实际工程的^[20]。

Figure 7.  The relationship between the newly installed capacity of new energy storage and the number of literatures from 2011 to 2022

本文提出了一种基于研究对象层级的储能研究分类方法，并应用该方法对来源于CNKI的2001~2022年期刊文献检索结果进行了分析，得到如下结论：

1）按照研究对象从微观到宏观的层级顺序，储能研究可依次分为材料级、器件设备级、系统电站级、电力系统级。

2）电力系统级研究文献占2022年总文献量的46.5%，明显多于其他类型文献，接下来是系统电站级和器件设备级研究文献，材料级研究文献相对较少。在2001~2022年被引次数前200位文献中，电力系统级研究文献数量和累计被引次数分别占76.0%和76.4%，占绝对优势，排第二的是系统电站级研究文献，材料级和器件设备级研究文献相对较少。

3）在2010年以前，材料级和器件设备级研究文献占比较高。从2010年开始，系统电站级和电力系统级研究文献比例逐渐增加，其中电力系统级研究文献增速较明显，占比由27.1%增至46.5%。

4）2011~2022年新型储能年新增装机容量与文献数量之间呈正相关。偏重于应用的系统电站级和电力系统级研究文献数量与储能新增装机规模的相关程度较高。而对于系统电站级和电力系统级研究文献，前者数量与储能新增装机规模的相关程度高于后者。

本分类方法为回顾和总结储能研究成果提供了一种新思路，必要时可与基于技术路线的分类方法相结合，进一步细化研究定位，以便快速锁定技术热点。此外，不同层级的研究在研发时间轴上的位置也存在差异，本分类方法有助于分析储能研究与产业发展的关系，在储能相关政策（例如科技研发计划）制定、产业链布局等方面发挥作用。

在后续工作中，本课题组将从本分类方法出发，结合基于技术路线的分类方法，通过聚类分析等手段从更多维度对储能技术发展趋势展开研究。此外，本阶段研究仅分析了国内期刊文献，今后的研究范围将会扩展到技术专利成果以及国内学者发表在国外期刊上的文献。