分析师研究清洁能源技术从实验室到市场的路径

研究与开发(R&D)对于开发新的清洁能源技术至关重要。然而，要使技术从研究实验室发展为可行的商业产品，必须克服许多障碍。要为未来的清洁能源技术复制这些途径，了解研究示范和首次商业化之间的关键时期非常重要。

来自国家可再生能源实验室(NREL)、战略能源分析联合研究所(JISEA)和美国能源部(DOE)的分析师分析了四种清洁能源技术首次商业化的案例研究：薄膜光伏(PV)太阳能面板、风力涡轮机、用于制冷的双级蒸发器和用于材料处理设备的燃料电池。

案例研究的结果——发表在《能源研究前沿》一文中——揭示了成功推进商业化的三个共同组成部分：(1)公私合作伙伴关系、研发基础设施和技术本身之间的良好契合;(2)政府法规、研发重点和市场力量的适当结合;(3)技术准备和市场机会之间的正确时机。

美国能源部技术经理兼合著者WyattMerrill说：“这些发现有助于为清洁能源投资决策提供信息，最大限度地从研发中获益，并推动向高效、低排放的未来过渡。”

薄膜太阳能光伏：满足标准的解决方案激发了技术突破

从1980年代到2000年代初期，美国能源部资助了薄膜光伏电池的研究，包括由NREL牵头的合作伙伴计划以及对FirstSolar等太阳能制造商的直接资助。

创新生态系统展示了创纪录的(当时)15.8%的电池效率和一种新的制造技术，使FirstSolar能够更大规模地生产薄膜光伏组件——这是速度较慢、成本较高的突破性替代方案当时的制作过程。

随着更高的设备效率和可扩展的制造程序到位，研发重点转移到测试和验证。在亚利桑那州立大学和NREL的支持下，FirstSolar在2003年证明其组件已准备好进入太阳能市场。

数字渲染显示了现代弯曲扭曲的平背风力涡轮机叶片。左上角显示了平背的横截面图。图片来源：BesikiKazaishvili，NREL

次年，美国能源部资助了薄膜光伏组件排放和可回收性的独立研究，使FirstSolar能够满足德国的能源绩效和监管要求，并于同年进入市场。为此，FirstSolar在2005年推出了组件回收计划——这是薄膜光伏商业化的一个重要转折点。

“薄膜光伏案例研究表明解决该技术第一个主要市场监管需求的重要性，”美国能源部技术经理兼合著者MarieMapes说。“此外，在市场准备好时以合适的价格和时间开发出经过验证的产品，从而使其早日取得成功。”

创新生态系统资助先进的风力涡轮机叶片设计

风力涡轮机叶片的长度历来随着时间的推移而增加，以捕获更多的能量;然而，较重的叶片会导致更高的负载并增加成本。从1995年到2008年，大学、国家实验室和私营公司资助改进风力涡轮机叶片设计的进步。

对特定方法或设计解决方案漠不关心的私人-公共支持和开放式创新导致了平背和弯曲扭曲叶片设计的并行发展。这些叶片明显更长，可以在不显着增加质量或降低可靠性的情况下捕获更多能量。这些创新被风能技术专家认为是导致风能价格下降的最大因素之一，自2009年以来，风能价格下降了60%以上。

在没有专利保护创新的情况下，私营公司将这些设计整合到他们自己的专有刀片和分析工具中，从而加速了商业化。今天，大多数主要的商业涡轮机都包括平背和弯曲扭曲设计的元素。

效率标准确立了第一台双蒸发器冰箱，引发了额外的研发

过去，冰箱和冰柜的电力需求是通过采用单一压缩机、蒸发器和冷凝器的蒸汽压缩制冷技术来满足的。这种设计将新鲜食品和冷冻食品之间的空气混合在一起，这会导致水分流失、结霜和食品变质。采用双蒸发器方法，后冷凝器阀门系统可校正冷却负荷并提高能源效率，但实现此设计需要额外的组件和更高的生产成本。

2014年，WhirlpoolCorporation和DOE合作提高电器效率。一项合作研发协议允许惠而浦使用橡树岭国家实验室的建模工具和设施。该协议不仅支持新技术的设计、验证和原型制作，还允许Whirlpool保留知识产权的所有权。合作团队展示了一种先进的冰箱设计，每单位体积的能源减少超过50%，成本增加不到100美元。

“惠而浦的双蒸发器技术是由于需要满足更高的效率标准要求而实现的，”共同作者AntonioBouza说。“这反过来又促使其他公司开发类似的系统，并投资于冰箱部件的研发，以提高效率，同时降低复杂性和成本。”

叉车和其他物料搬运设备历来由用于户外操作的汽油、丙烷或柴油发动机提供动力，用于室内应用的铅酸电池。

与传统动力技术不同，氢燃料电池不会排放有害空气污染物或二氧化碳，在寒冷环境中也不会出现性能问题。仓库是这项技术的第一个明智的市场，因为它们只需要一个加油站，而不是大型网络汽车应用程序所需的。

2009年的美国复苏和再投资法案资助了大型燃料电池材料处理设备的示范。有了这笔资金，美国能源部部署了数百辆燃料电池驱动的叉车和先进的加油基础设施、数据收集和分析以及操作员培训。美国国防部还在三个中心和一个陆军基地部署了100辆燃料电池驱动的叉车。在整个2010年代，后续工作支持整合了40,000台物料搬运设备。

最终，燃料电池展示出的能量密度、快速加注燃料和燃料存储能力超过了一些当代替代技术的性能——材料处理设备市场对新创新的开放催生了设备的进一步电气化以及行业兴趣在清洁技术方面。

JISEA、NREL和DOE的专家分析的四个案例研究强调了技术、研发和公私合作伙伴关系的良好平衡——以及监管和市场力量的协调以及正确的时机——如何能够成功实现清洁能源的首次商业化能源技术。

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