作者：Adam Kimmel，作為執(zhí)業(yè)工程師、研發(fā)經(jīng)理和工程內(nèi)容撰寫者擁有近20年的經(jīng)驗。他在垂直市場（包括汽車、工業(yè)/制造、技術(shù)和電子）中創(chuàng)建白皮書、網(wǎng)站副本、案例研究和博客文章。Adam擁有化學(xué)和機械工程學(xué)位，是工程和技術(shù)內(nèi)容撰寫公司ASK Consulting Solutions, LLC的創(chuàng)始人兼負責(zé)人。

2015年12月，196個締約方齊聚巴黎參加COP 21會議，同意積極應(yīng)對氣候變化。成果《巴黎協(xié)定》在法律上約束參與國承諾在前工業(yè)時代和21世紀末之間將全球氣溫上升限制在遠低于2°C（目標是1.5°C）。與會者將通過到2050年實現(xiàn)氣候中立的世界為目標來實現(xiàn)這一目標。氣候中立意味著大幅和立即減少溫室氣體排放。

溫室氣體排放來自二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、水蒸氣、六氟化硫(SF6)以及氯氟烴(CFC)和氫氟烴(HFC)?？茖W(xué)家通過全球變暖潛能值(GWP)來表示溫室氣體的嚴重性，該參數(shù)表示材料的變暖潛能值，作為特定時期內(nèi)CO2基線的量級（通常表示為100年值）。以下是其中一些溫室氣體的100年GWP：

第4頻道：27–30

N2O：273

SF6、CFC、HFC：>1000–10000

雖然二氧化碳的GWP為1（基準），但它會在大氣中存留數(shù)千年并增加水蒸氣濃度，從而提供重要機會。二氧化碳和水蒸氣是主要的燃燒產(chǎn)物。雖然水蒸氣對壓力和溫度高度敏感，但它在大氣中的存在會隨著二氧化碳濃度的增加而增加，從而提高大氣溫度。甲烷和一氧化二氮通過農(nóng)業(yè)、生物質(zhì)、化石燃料開采和工業(yè)過程進入大氣層。

六氟化硫來自高壓電力和化學(xué)加工，而CFC和HFC則來自含氟化合物的大氣泄漏。1987年通過的《蒙特利爾議定書》規(guī)定在全球范圍內(nèi)逐步淘汰CFC，而該議定書的《基加利修正案》制定了從2019年開始逐步減少HFC的計劃。2022年12月，美國環(huán)境保護署提出了一項規(guī)則，以限制適用于存在低GWP替代品的應(yīng)用的氫氟碳化合物。

正如參與《巴黎協(xié)定》所證明的那樣，大多數(shù)國家都承認世界必須從使用化石燃料過渡到使用可再生（綠色）能源，到2030年這個市場機會預(yù)計將達到2萬億美元。本文將概述當前狀態(tài)和最近綠色能源領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

可再生能源已經(jīng)占全球能源生產(chǎn)的很大一部分。水力發(fā)電遙遙領(lǐng)先，但風(fēng)能和太陽能正在迅速趕上。圖1顯示了2021年的全球能源生產(chǎn)情況，說明了風(fēng)能和太陽能如何獲得牽引力。

太陽能和光伏電池

科學(xué)家和工程師在太陽能和光伏(PV)能源方面取得了重大進展。從歷史上看，實施太陽能的一些障礙包括：

· 所需電力所需的土地使用足跡

· 太陽能電池板的資本和初始成本

· 逆變器

· 電網(wǎng)集成技術(shù)

· 在消費者的屋頂或農(nóng)田上安裝大面積太陽能電池板

鑒于增加太陽能比例的重要性以及履行巴黎承諾的時機，各國政府開始強制安裝太陽能電池板，以消除消費者的選擇權(quán)。例如，東京強制要求2025年后建造的新房必須安裝太陽能電池板。

集成光伏

可再生能源的兩個主要缺點是效率低下和不可靠。與經(jīng)過更多加工的能源相比，來自大自然的能源效率和可靠性較低。例如，商業(yè)太陽能電池板僅在15-20%之間，單一材料的理論最大值約為30%，主要受能量轉(zhuǎn)換損失和太陽能散射的驅(qū)動。

工程師們正在盡可能地集成PV，以增加低效過程的總功率輸出。大部分機會來自在遺留化石燃料廠和市政當局注銷的有毒土地上安裝光伏發(fā)電。由于最高的太陽能效率來自朝南的無陰影表面，系統(tǒng)設(shè)計人員可以優(yōu)化PV集成以獲得價值。此外，太陽能電池板陣列的大占地面積可以產(chǎn)生次要好處，例如用太陽能電池板覆蓋的停車結(jié)構(gòu)擴散停車場的環(huán)境熱量。最后，即使在陰天，陽光也會照到裸露的屋頂，因此安裝太陽能電池板以收集盡可能多的能量是有意義的。

浮動光伏

太陽能的另一個趨勢是在水體中安裝太陽能電池板，有時也稱為浮動光伏發(fā)電。地球上大量的開闊水域為海上太陽能提供了天然優(yōu)勢，例如與海水進行液冷集成，并通過水將太陽光線反射到面板上來增加源能。液體冷卻比風(fēng)冷系統(tǒng)具有更高的傳熱效率，在相當數(shù)量的能量下減小了組件尺寸。此外，水反射到面板上的能量增加了源能轉(zhuǎn)換為電能而無需額外的基礎(chǔ)設(shè)施，從而提高了系統(tǒng)效率。

農(nóng)用光伏

與漂浮光伏一樣，農(nóng)用光伏（或農(nóng)用光伏）能源利用大面積放置光伏——在這種情況下，在農(nóng)田上安裝太陽能電池板以與作物種植活動相結(jié)合。這種做法還在可能無法隨時接入電網(wǎng)或可以增加分配給農(nóng)業(yè)的電網(wǎng)電力的地方提供遠程、有彈性的能源。在已經(jīng)可用于耕作的土地上增加發(fā)電量可以增加其價值，面板可以降低土壤溫度和蒸發(fā)量，從而增加農(nóng)田的產(chǎn)量。

聚光太陽能

另一種緩解太陽能自然低效率的方法是使用聚光太陽能(CSP)反射鏡或透鏡將可再生能源收集到一個小區(qū)域，然后將其轉(zhuǎn)換為熱能以供按需使用。這種熱電轉(zhuǎn)換類似于斯特林發(fā)動機和蒸汽輪機的運行方式。此外，CSP的有利因素包括使用高壓輸電線路、足夠的土地面積和高質(zhì)量的陽光（如美國西南部）。

光伏材料的進步

商用單一材料光伏發(fā)電的效率僅為20%左右。然而，重大的物質(zhì)進步正在提高這個上限。例如，一種可持續(xù)的材料方法是簡單地減少光伏電池的材料厚度。這種方法增加了擴展應(yīng)用的材料彈性，降低了成本，并通過減少材料提高了可持續(xù)性。此外，更薄的PV減少了整個材料厚度的平面?zhèn)鲗?dǎo)損耗（較厚材料的加熱），從而提高了能量轉(zhuǎn)換效率。

其他材料改進包括鉍(Bi)基材料和涂層，以突破約30%的理論極限。領(lǐng)先的涂層材料是鈣鈦礦，通過擴大對太陽光譜的波長吸收，將理論效率極限提高到43%，從而增加可用源能量的數(shù)量。然而，鈣鈦礦的耐久性仍然是一個懸而未決的問題，這可能會限制太陽能電池壽命期間效率提高的持續(xù)時間。與CSP類似，其他薄膜和涂層通過捕獲和重定向光束已證明效率提高了5-10%。

風(fēng)能和水電

由于技術(shù)進步和市場采用率的提高，可再生能源變得更加實惠。但是，雖然目前建設(shè)新的風(fēng)能和太陽能發(fā)電廠比煤炭或天然氣發(fā)電廠更經(jīng)濟，但與可再生能源相比，化石燃料仍然主導(dǎo)著全球消費。

然而，隨著全球可持續(xù)發(fā)展承諾對綠色能源的需求猛增，風(fēng)能和太陽能發(fā)電容量的單位(kWh)成本也在下降——有時低于化石燃料的單位kWh成本。因此，與化石能源相比，可再生能源的資本和單位成本更低，在滿足不受限制的全球需求時創(chuàng)造了一個引人注目的商業(yè)案例。

水力發(fā)電在可再生能源生產(chǎn)中所占比例最高，它充分利用了水的普遍性。這種方法利用流水的動能，使渦輪機旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動耦合的發(fā)電機，從而產(chǎn)生電力。此外，許多風(fēng)能創(chuàng)新利用與海洋資源的整合。

海上風(fēng)電

其中一項創(chuàng)新，即利用海上風(fēng)能，利用可用于渦輪機建造的空間，并將其與海浪運動產(chǎn)生的風(fēng)能相結(jié)合。因此，海上風(fēng)力渦輪機和塔架更大，與陸上風(fēng)能相比，每千瓦時的相對成本更低。此外，塔架采用浮動支架進一步降低了部署成本并增加了海上風(fēng)力渦輪機的位置靈活性。盡管仍然是一種間歇性的可再生能源，但由于障礙物更少以及陸地和海洋之間的溫度梯度更大，海上風(fēng)力比陸上風(fēng)力更強、更穩(wěn)定。雖然海上風(fēng)能是一種效率更高的解決方案，但它面臨著腐蝕性海洋環(huán)境的技術(shù)挑戰(zhàn)，而且難以到達偏遠的工廠現(xiàn)場進行維護。

本地渦輪機組裝和建造

風(fēng)力渦輪機的巨大尺寸使得整機的運輸對物流領(lǐng)導(dǎo)者來說是個問題。因此，工程師正在設(shè)計用于模塊化運輸和現(xiàn)場施工的渦輪機。除了減輕運輸難題外，模塊化結(jié)構(gòu)還減少了獨特零件的數(shù)量，同時增加了產(chǎn)量，從而提高了渦輪機的經(jīng)濟性。

葉片空氣動力學(xué)和數(shù)值建模

為了提高風(fēng)力發(fā)電的生產(chǎn)效率，工程師們正著力于葉片設(shè)計。例如，3D數(shù)值建模或計算機輔助工程(CAE)可以評估渦輪葉片上的氣流以快速優(yōu)化性能。這種稱為計算流體動力學(xué)(CFD)的分析可以查看瞬態(tài)和靜態(tài)條件以選擇最佳設(shè)計。例如，通過CFD分析，設(shè)計工程師可以修改葉片的形狀和尖端曲線幾何形狀以提高風(fēng)能效率。

數(shù)字孿生

越來越流行的數(shù)字設(shè)計工具是數(shù)字孿生，它通過數(shù)字匹配復(fù)制物理部件。數(shù)字雙胞胎結(jié)合了來自物理部分的性能數(shù)據(jù)以進行模型校準。然后，在制造商開始新的物理原型之前，可以在數(shù)字領(lǐng)域快速進行設(shè)計更新，從而節(jié)省大量時間和成本。

能量收集

任何屬性差異都會為發(fā)電創(chuàng)造機會。例如，許多住宅儲水罐被抬高以提供一致的輸送壓力。同樣，可以利用海洋中自然產(chǎn)生的熱能、鹽度和潮汐壓力的差異來進行水力發(fā)電。

海洋熱能轉(zhuǎn)換與梯度能量捕獲

從地表到數(shù)百米深的水溫差異很大。海洋熱能轉(zhuǎn)換(OETC)轉(zhuǎn)換器使用冷熱海水在蒸汽壓縮制冷循環(huán)中蒸發(fā)和冷凝工作流體。溫差越大，能源效率和產(chǎn)量越高。類似地，滲透壓和潮汐壓差可以在初始狀態(tài)尋求與較低能量狀態(tài)的平衡時產(chǎn)生能量。

儲能與并網(wǎng)

綠色能源創(chuàng)新的一個重要來源是儲能?？稍偕茉词遣灰恢碌?，因此儲存電力允許用戶或公用事業(yè)公司決定如何消除間歇性。

電池化學(xué)

隨著電氣化的興起，電池化學(xué)也在不斷發(fā)展。磷酸鐵鋰(LFP)、鈉離子和固態(tài)等技術(shù)有望提高功率密度、充電/放電速度和安全性。

分布式儲能和微電網(wǎng)

隨著風(fēng)能和太陽能的趨勢和創(chuàng)新不斷發(fā)展，將這些能源與電網(wǎng)整合將成為推動能源轉(zhuǎn)型的下一個關(guān)鍵障礙。與氮化鎵和碳化硅半導(dǎo)體一樣，電網(wǎng)電子允許各種能量形式通過功率集成進行通信。此外，該技術(shù)還提供了替代電源形式的分布式儲能。

電網(wǎng)電子設(shè)備還支持微電網(wǎng)——可以像發(fā)電機一樣獨立運行或與電網(wǎng)集成的本地電源集合。這些安排提供了所有可再生能源的附加效應(yīng)，以增加主電網(wǎng)功率或增強停電期間的彈性，從而提高電力利用效率。

微控制器

微控制器通過讓運營商控制他們分配可再生能源的方式，在可再生能源整合中發(fā)揮作用。將這些控制器與AI驅(qū)動的智能系統(tǒng)集成可以實現(xiàn)功率平衡的自動化，以實現(xiàn)最佳效率，適應(yīng)需求變化或高峰期。控制器還可以通過電源間歇性適應(yīng)電壓波動，并在應(yīng)用中對其進行校正。

車輛到電網(wǎng)(V2G)

廣泛采用綠色能源的一個重大挑戰(zhàn)是無法獲得。越來越多的工程師開始將能量視為流體，能夠在需要的地方來回移動?？紤]到這一點，電動汽車的普及可能會解決接入問題，因為它們可以充當移動電池或在車輛和電網(wǎng)之間創(chuàng)建雙向路徑。這對于未連接到電網(wǎng)的偏遠地區(qū)特別有利，使這些地區(qū)能夠在儲存過多能量的情況下產(chǎn)生電力彈性。此應(yīng)用程序還可以改進電動VIII卡車的商業(yè)案例，同時減少現(xiàn)有電網(wǎng)的電力需求和間歇性。因此，V2G將成為重要的綠色能源推動者。

結(jié)論

許多綠色能源創(chuàng)新針對自然能源的主要挑戰(zhàn)：間歇性和低效率。本文的主要主題涉及權(quán)力下放、將電力部署轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)過深思熟慮的最終交付方案，以及利用自然、可再生能源的現(xiàn)有特性來提高其社會使用效率。這些發(fā)明如何與現(xiàn)有電網(wǎng)相結(jié)合，將決定綠色能源普及的速度和有效性。