秦方云，王 凌

（1.中國國家鐵路局，北京 100038；2.中國科學技術部，北京 100862）

美國國家可再生能源實驗室（NREL）是美國能源部下屬17家國家實驗室中唯一從事可再生能源與能源效率技術研發(fā)和示范的實驗室，在推動可再生能源、能效、可持續(xù)交通和能源系統(tǒng)集成等領域的技術進步和應用方面取得重要成果，在相關領域的研究、創(chuàng)新、應用和推廣方面發(fā)揮了關鍵作用。本報告從實驗室基本情況、推動科研創(chuàng)新、促進產(chǎn)業(yè)技術應用等方面對美國國家可再生能源實驗室承擔的角色和任務做一綜合介紹。

1 國家可再生能源實驗室的基本情況

美國國家可再生能源實驗室位于科羅拉多州戈爾登市，由能源部能源效率與可再生能源辦公室（EERE）管理，是美國唯一專門從事可再生能源與能效技術研發(fā)和示范的國家實驗室。國家可再生能源實驗室前身為1977年成立的太陽能研究所（SERI），其是首個專門開發(fā)太陽能電力的聯(lián)邦研究機構，1991年升級為國家實驗室并被重新命名為國家可再生能源實驗室。

國家可再生能源實驗室屬于政府所有、承包商運營（GOCO）的國家實驗室，現(xiàn)由非營利機構可持續(xù)能源聯(lián)盟（Alliance for Sustainable Energy）負責日常運營。國家可再生能源實驗室實施的研發(fā)任務大多來自能源效率與可再生能源辦公室。2019財年，國家可再生能源實驗室總預算為4.92億美元，其中能源效率與可再生能源辦公室出資3.91億美元，占比79.5%[1]。

國家可再生能源實驗室主任由可持續(xù)能源聯(lián)盟總裁擔任，兩名副主任由聯(lián)盟兩位高級副總裁擔任，分別負責研究和運營事務。國家可再生能源實驗室的研究事務主要依托生物能科技（BST）分部，能源系統(tǒng)集成（ESI）分部，材料、化學與計算機科學（MCCS）分部，機械與熱能工程科學（MTES）分部共4個科技分部開展，此外還設有創(chuàng)新與合作學部負責政產(chǎn)學研合作事宜。2019財年，國家可再生能源實驗室共有2 265名員工，研發(fā)人員和業(yè)務支持人員分別占63%和37%，96.4%持有學士以上學位，最高學歷為學士、碩士和博士的員工比例分別為27.5%、32.5%和36.4%[2]。

國家可再生能源實驗室主要在可再生電力、可持續(xù)交通、能效和能源系統(tǒng)集成4大方面開展科學研究與工程技術開發(fā)，其研究項目細分為16個領域，其中可再生電力涵蓋地熱能、太陽能、水能和風能，可持續(xù)交通聚焦生物能源、氫與燃料電池、交通和移動性，能效重點關注先進制造和建筑，能源系統(tǒng)整合包括電網(wǎng)現(xiàn)代化和集成能源解決方案。此外，國家可再生能源實驗室還從事化學與納米科學、計算機科學、能源分析、儲能和材料科學各領域的研究。

國家可再生能源實驗室在可再生能源、可持續(xù)交通和能效技術創(chuàng)新方面取得了重要成果。截至目前，國家可再生能源實驗室研發(fā)的相關領域技術已獲得616項專利，69項技術被授予有“創(chuàng)新界奧斯卡”之稱的R&D 100創(chuàng)新獎（R&D 100 Awards）。據(jù)國家可再生能源實驗室統(tǒng)計，1977年至2017年，國家可再生能源實驗室技術創(chuàng)新大幅降低了可再生能源和燃料的成本，例如，對電池設計、模塊可靠性和材料的改進使太陽能發(fā)電成本降低96%；在風機葉片設計、渦輪變速箱及控制研究方面取得的進步使風能成本從每千瓦時40美分降至4~7美分，降幅達90%；生化過程和發(fā)酵催化劑的效率提升使纖維素乙醇成本降低78%[3]。

2 國家可再生能源實驗室在推動可再生能源科技創(chuàng)新中發(fā)揮的作用

國家可再生能源實驗室是能源部開展能效、可再生能源和可持續(xù)交通領域等相關技術研發(fā)的重要依托力量，負責牽頭實施國家重大研發(fā)計劃、組織開展相關領域基礎研究和應用技術研究，在推動技術進步與應用方面發(fā)揮重要作用。

（1）牽頭高校開展基礎研究，整合多學科、多機構研究力量，解決阻礙能源技術創(chuàng)新的關鍵科學難題，推動變革性科學進展，為技術創(chuàng)新提供源頭支撐。

2009年，能源部科學辦公室下屬基礎能源科學辦公室發(fā)起能源前沿研究中心（EFRC）計劃，由大學或國家實驗室牽頭設立能源前沿研究中心，聚焦某一重大變革性能源技術挑戰(zhàn)，加速推進高風險高回報基礎研究。國家可再生能源實驗室先后牽頭反求設計中心、下一代材料設計中心和能源用混合有機無機半導體中心（CHOISE）。目前，能源用混合有機無機半導體中心仍在運行，國家可再生能源實驗室牽頭杜克大學、圣地亞哥州立大學、科羅拉多大學等7所大學的多學科研究人員合作開展基礎研究，為先進能效技術奠定基礎。此外，國家可再生能源實驗室還與所在科羅拉多州的高校合作設立聯(lián)合研究所，由能源部、州政府或產(chǎn)業(yè)界提供資金支持，開展能源技術研究或綜合戰(zhàn)略分析，推動能源技術創(chuàng)新和轉(zhuǎn)移，為能源投資和政策制定提供指導。

（2）牽頭國家實驗室聯(lián)盟，聚焦特定難題和關鍵障礙與產(chǎn)學研部門開展研發(fā)合作，形成國家實驗室與產(chǎn)學研合作網(wǎng)絡，加強產(chǎn)學研用結合。

2016年，能源部能源效率與可再生能源辦公室發(fā)起能源材料網(wǎng)絡（EMN）倡議，支持國家實驗室牽頭組建聯(lián)盟開展先進材料設計、測試與生產(chǎn)研發(fā)，與產(chǎn)學研部門加強技術對接與成果共享，旨在加速清潔能源技術商業(yè)化。目前正在運行的7個能源材料網(wǎng)絡聯(lián)盟中，有4個由國家可再生能源實驗室牽頭：先進水裂解材料聯(lián)盟（HydroGEN）旨在加速先進水裂解材料與工藝研發(fā)，加速制氫商業(yè)化；耐用模塊材料聯(lián)盟（DuraMAT）旨在推動光伏模塊新材料、新設計和新模型的商業(yè)化，以提升光伏發(fā)電效率、延長壽命并擴大應用范圍，最終實現(xiàn)光電成本降至3美分/千瓦時以下；氫材料先進研究聯(lián)盟（HyMARC）旨在加速發(fā)現(xiàn)適用于車載儲氫設備的固態(tài)材料；生物能化學催化聯(lián)盟（ChemCatBio）旨在加速將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可再生燃料與化學品的催化劑研發(fā)。

腦出血是一種極為普遍的慢性疾病[3],臨床上多以肢體活動不協(xié)調(diào)最為常見,重癥病人會出現(xiàn)肺部感染及腎功能衰竭等并發(fā)癥發(fā)生[5],嚴重影響病人的生活質(zhì)量,危及病人的生命安全,因此如何為腦出血病人提供有效的護理措施,已引起醫(yī)護人員的高度重視。

這些聯(lián)盟由國家可再生能源實驗室專家擔任主任，能源部及各參與實驗室專家組成指導委員會確立聯(lián)盟研發(fā)重點方向和目標。聯(lián)盟圍繞目標征集項目，由能源部出資，企業(yè)提供配套資金，國家實驗室與產(chǎn)學研開展研發(fā)合作，企業(yè)對研究成果先行先試，以加速推進相關技術整合納入現(xiàn)有系統(tǒng)。部分聯(lián)盟還設有產(chǎn)業(yè)顧問委員會，由產(chǎn)業(yè)代表組成，為聯(lián)盟研究活動提供反饋建議。

（3）牽頭組建產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟，整合產(chǎn)學研部門研究力量，以企業(yè)發(fā)展需求為導向開展技術研發(fā)合作，支持企業(yè)突破關鍵技術障礙，提升產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新能力。

碲化鎘太陽能在全美公用事業(yè)規(guī)模光伏市場中占比40%，目前商用效率已達19%，但尚未達到30%的理論轉(zhuǎn)換效率[4]。2021年3月，能源部太陽能技術辦公室投資2 000萬美元發(fā)起“碲化鎘光伏加速器計劃”，由國家可再生能源實驗室牽頭組建碲化鎘光伏加速器聯(lián)盟，整合國家實驗室、企業(yè)和大學的研究力量，制定技術路線圖，旨在提升美國碲化鎘光伏技術研發(fā)水平和降低制造成本，在2030年前將碲化鎘太陽能電池效率從目前的19%提升至26%以上、模塊成本降至15美分/瓦以下。國家可再生能源實驗室將根據(jù)技術路線圖進行具體項目招標，并開展相關應用研究，對美國國內(nèi)碲化鎘供應鏈進行評估分析，確定關鍵材料或能力障礙，推動新型材料和設計的商業(yè)化，加快實現(xiàn)上述目標。

（4）組織開展清潔能源技術創(chuàng)新競賽。

國家可再生能源實驗室面向中學、大學和初創(chuàng)企業(yè)組織開展一系列可再生能源和能效技術創(chuàng)新競賽，如中學生汽車模型競賽、大學風能競賽、太陽能十項全能競賽、美國制造挑戰(zhàn)（American-Made Challenges）等，一方面激勵先進能源技術創(chuàng)新，加速技術開發(fā)與商業(yè)化，另一方面提高學生和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者的科研創(chuàng)新熱情，培養(yǎng)下一代清潔能源技術研發(fā)人才。

其中，“美國制造挑戰(zhàn)”獎勵計劃規(guī)模大、涉及領域廣、參與主體全，是推動清潔能源技術加速進入市場的重要激勵力量。該計劃于2018年發(fā)起，由能源部能效與可再生能源辦公室資助、國家可再生能源實驗室管理，設有地熱制造獎、太陽能獎、水電先進制造創(chuàng)新獎、鋰電池回收利用獎、海水脫鹽獎等十余個獎項，面向初創(chuàng)企業(yè)征集新概念、新技術，旨在推動解決重大技術挑戰(zhàn)，加速先進能源技術創(chuàng)新和商業(yè)化。國家可再生能源實驗室組織能源部17家國家實驗室、大學、企業(yè)、加速器、孵化器等機構的專家和研究人員構建起“美國制造網(wǎng)絡”（American-Made Network），負責競賽戰(zhàn)略制定、隊伍選拔，為參賽者提供多學科、多機構的資源和專業(yè)指導，建立長期研發(fā)合作關系。

3 國家可再生能源實驗室在聯(lián)通可再生能源創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮的作用

作為可再生能源領域唯一的國家實驗室，國家可再生能源實驗室實際承載著產(chǎn)業(yè)技術研發(fā)、技術轉(zhuǎn)移和商業(yè)化、清潔能源初創(chuàng)企業(yè)孵化以及重大科研基礎設施共享4項重要功能，參與了可再生能源領域的基礎研究、產(chǎn)業(yè)共性技術研發(fā)和技術推廣應用，發(fā)揮了聯(lián)通創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的重要樞紐作用。

3.1 產(chǎn)業(yè)技術研發(fā)中心

國家可再生能源實驗室統(tǒng)籌國家實驗室、高校和科研院所研發(fā)資源和力量，面向可再生能源、建筑、交通等產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，組織開展最緊迫、最棘手、最具挑戰(zhàn)性的清潔高效能源技術研發(fā)和集成攻關，推動技術從實驗室走向市場，實現(xiàn)技術產(chǎn)業(yè)化，服務企業(yè)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，已經(jīng)成為清潔能源產(chǎn)業(yè)技術研發(fā)的重要平臺。在這一過程中，國家可再生能源實驗室建立了龐大的開源數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了一系列軟件、建模仿真工具和分析方法，為可再生能源和能效技術研究與分析提供了共性平臺和關鍵支撐，在企業(yè)開展技術研發(fā)過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。

長期以來，氫積聚是拋物槽式聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）廠發(fā)電效率提升的重要掣肘因素，引起的熱損耗最高可將發(fā)電廠整體效率和收入降低15%，全球80余座拋物槽式聚光太陽能熱發(fā)電廠每年累計損失750兆瓦發(fā)電能力、約2.5億美元收入。2015年，國家可再生能源實驗室與Acciona太陽能電力公司達成研發(fā)合作協(xié)議，開始研究解決氫積聚問題。國家可再生能源實驗室設計出集成式氫傳感器/分離器模塊，經(jīng)Acciona的聚光太陽能熱發(fā)電廠試用發(fā)現(xiàn)，該模塊不僅能夠有效預防氫積聚，還能回收此前積聚的氫氣，使設備恢復高效運行，顯著提升了聚光太陽能熱發(fā)電廠的發(fā)電效率和收益[6]。目前，國家可再生能源實驗室正努力將該模塊推廣應用于其他聚光太陽能熱發(fā)電廠。

3.2 技術轉(zhuǎn)移中心

國家可再生能源實驗室重視將科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，設有技術轉(zhuǎn)移辦公室專門負責實驗室研發(fā)技術的轉(zhuǎn)讓與商業(yè)化事宜（見圖1），持續(xù)推廣應用實驗室技術，改造提升產(chǎn)業(yè)技術水平。自2000年起，國家可再生能源實驗室已向企業(yè)授予260余項許可，目前約有700項專利技術和250余項軟件解決方案可供使用。企業(yè)可通過能源部的“實驗室合作服務”（Lab Partnering Service）網(wǎng)站查看國家可再生能源實驗室提供許可的技術專利，與技術轉(zhuǎn)移辦公室進行協(xié)商后達成協(xié)議。國家可再生能源實驗室的技術轉(zhuǎn)移方式靈活多樣，根據(jù)技術類型、企業(yè)規(guī)模和需求提供多種協(xié)議類型，盡可能促進實驗室技術的商業(yè)化應用。

圖1 國家可再生能源實驗室技術轉(zhuǎn)移圖示[7]

此外，能源部設有技術商業(yè)化資金（TCF），專門促進國家實驗室技術商業(yè)化，企業(yè)需要提供配套資金，由國家實驗室與企業(yè)共同進行技術開發(fā)，加速推動技術轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。2020財年，能源部投資3 300萬美元支持82個項目，其中國家可再生能源實驗室共有21個項目獲資超過680萬美元。

3.3 清潔能源企業(yè)孵化器

除積極推動實驗室研發(fā)技術轉(zhuǎn)移與商業(yè)化，國家可再生能源實驗室還組織協(xié)調(diào)投資方、大學、孵化器和行業(yè)領軍企業(yè)等各方力量，為清潔能源初創(chuàng)企業(yè)提供技術服務和資金支持，推動企業(yè)創(chuàng)新成果加速進入市場，在清潔能源技術孵化方面發(fā)揮重要作用。

1995年，國家可再生能源實驗室舉辦首屆行業(yè)成長論壇（Industry Growth Forum, IGF），為清潔能源初創(chuàng)企業(yè)與潛在投資者提供交流對接平臺，自此開啟孵化初創(chuàng)企業(yè)之路。據(jù)統(tǒng)計，2003年至2020年，共計400余家初創(chuàng)企業(yè)參與該論壇，籌集資金超過70億美元。2008年，國家可再生能源實驗室新設創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)中心（IEC），專門負責初創(chuàng)企業(yè)孵化工作。2014年，能源部發(fā)起清潔能源國家孵化器倡議（NIICE），出資支持國家可再生能源實驗室和電力研究院（EPRI）合作構建孵化能源網(wǎng)絡（Incubatenergy Network），旨在促進全美孵化器的信息交流和最佳實踐共享，以提升孵化器服務水平，為清潔能源初創(chuàng)企業(yè)提供資源和工具，推動創(chuàng)新成果加速轉(zhuǎn)化。2014年和2018年，創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)中心分別與富國銀行基金會（WFF）和殼牌公司聯(lián)合發(fā)起“富國銀行創(chuàng)新孵化器”（IN2）計劃和“國家可再生能源實驗室支持的殼牌變革者加速器”（GCxN）計劃，聚焦清潔能源關鍵技術初創(chuàng)企業(yè)，由富國銀行基金會和殼牌分別出資，國家可再生能源實驗室提供科研設施、技術驗證與示范支持，推動初創(chuàng)企業(yè)研發(fā)技術加速進入市場[8]。

在此過程中，創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)中心組織構建起由全美60余家孵化器、加速器和大學組成的渠道合作伙伴網(wǎng)絡（Network of Channel Partners），形成了覆蓋清潔技術研發(fā)、測試、示范、商業(yè)化全過程，初創(chuàng)企業(yè)、投資方、大學、孵化器和行業(yè)領軍企業(yè)良性互動的清潔能源初創(chuàng)企業(yè)孵化培育格局，為初創(chuàng)企業(yè)成長發(fā)展、創(chuàng)新成果加速轉(zhuǎn)化提供了重要支撐。

創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)中心還負責組織開展能源部的“能源創(chuàng)新兵團”（Energy I-Corps）計劃，聘請產(chǎn)業(yè)專家為國家實驗室能源技術研究人員提供產(chǎn)業(yè)培訓，探索技術商業(yè)化前景和途徑，推動實驗室技術開發(fā)與產(chǎn)業(yè)及市場需求接軌，提升技術創(chuàng)新水平，加速使技術進入市場。此外，創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)中心還設有國家可再生能源實驗室商業(yè)化援助計劃（NCAP），專門面向可再生能源與能效小企業(yè)，免費提供40小時的技術咨詢、設備使用等支持，幫助其解決具體技術問題，推動技術商業(yè)化進程。

3.4 科研基礎設施共享平臺

國家可再生能源實驗室擁有太陽能研究設施、風電機組現(xiàn)場試驗場、燃料燃燒實驗室、儲能實驗室等數(shù)十個實驗室和科研基礎設施，為外部產(chǎn)學研機構開展技術研發(fā)、測試、示范與評估提供了重要平臺。產(chǎn)學研機構可以通過與國家可再生能源實驗室開展研發(fā)合作、參與國家可再生能源實驗室組織的競賽等多種形式使用這些設施，實現(xiàn)了國家可再生能源實驗室設備資源的最大化利用，同時解決了企業(yè)和研究機構缺少大型科研基礎設施的難題。

能源系統(tǒng)集成設施（ESIF）是國家可再生能源實驗室的重要科研設施之一。其于2013年建成，是美國第一個能夠在兆瓦級別對清潔能源技術并網(wǎng)進行集成研發(fā)和示范的設施，擁有世界上最快的清潔能源研究專用超級計算機“游隼號”，可模擬任何電網(wǎng)環(huán)境，從而對清潔技術并網(wǎng)影響進行測試。2015年，國家可再生能源實驗室與SolarCity太陽能公司和夏威夷電力公司合作，在能源系統(tǒng)集成設施測試了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)中比例增加導致的甩負荷過電壓（LRO）問題。夏威夷電力公司根據(jù)測試結果批準了約2 500戶光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)申請，并將分布式太陽能電力的日最小負荷從120%提升至250%[9]，較好地解決了分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)比例增加可能引發(fā)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性問題。

4 結語

國家可再生能源實驗室聚焦可再生能源、能效、可持續(xù)交通和能源系統(tǒng)集成4個研究領域，憑借專業(yè)的研究人員、先進的科研基礎設施與豐富的資源和政策工具，在政產(chǎn)學研之間搭建溝通平臺與合作橋梁，推動基礎研究、應用研究和產(chǎn)業(yè)化貫通發(fā)展，在推動相關領域科研創(chuàng)新、技術進步與產(chǎn)業(yè)應用方面發(fā)揮了國家實驗室的牽頭和樞紐作用。美國專業(yè)領域國家實驗室的做法值得我國研究借鑒?！?/p>