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(yàn)。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(jī)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(fù)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(jì)末之間將全球氣溫上升限制在遠(yuǎn)低于2°C（目標(biāo)是1.5°C）。與會者將通過到2050年實(shí)現(xiàn)氣候中立的世界為目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。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(yán)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(zhǔn)），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(jī)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(jìn)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(hù)署提出了一項(xiàng)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(rèn)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(jī)會預(yù)計將達(dá)到2萬億美元。本文將概述當(dāng)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(jìn)展。從歷史上看，實(shí)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(fèi)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(jī)，各國政府開始強(qiáng)制安裝太陽能電池板，以消除消費(fèi)者的選擇權(quán)。例如，東京強(qiáng)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(diǎn)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(jī)會來自在遺留化石燃料廠和市政當(dāng)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(kuò)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?yàn)楹Ｉ咸柲芴峁┝颂烊粌?yōu)勢，例如與海水進(jìn)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(dāng)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(yuǎn)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(jī)和蒸汽輪機(jī)的運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(kuò)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(jìn)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(kuò)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(jìn)步和市場采用率的提高，可再生能源變得更加實(shí)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(jì)，但與可再生能源相比，化石燃料仍然主導(dǎo)著全球消費(fèi)。

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(jī)旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動耦合的發(fā)電機(jī)，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(xiàng)創(chuàng)新，即利用海上風(fēng)能，利用可用于渦輪機(jī)建造的空間，并將其與海浪運(yùn)動產(chǎn)生的風(fēng)能相結(jié)合。因此，海上風(fēng)力渦輪機(jī)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(jìn)一步降低了部署成本并增加了海上風(fēng)力渦輪機(jī)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(qiáng)、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(dá)偏遠(yuǎn)的工廠現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)。

本地渦輪機(jī)組裝和建造

風(fēng)力渦輪機(jī)的巨大尺寸使得整機(jī)的運(yùn)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(yùn)輸和現(xiàn)場施工的渦輪機(jī)。除了減輕運(yùn)輸難題外，模塊化結(jié)構(gòu)還減少了獨(dú)特零件的數(shù)量，同時增加了產(chǎn)量，從而提高了渦輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)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?；蛴嬎銠C(jī)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(jìn)行模型校準(zhǔn)。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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)一樣獨(dú)立運(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(shí)現(xiàn)功率平衡的自動化，以實(shí)現(xiàn)最佳效率，適應(yīng)需求變化或高峰期?？刂破鬟€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(jìn)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(diǎn)，電動汽車的普及可能會解決接入問題，因?yàn)樗鼈兛梢猿洚?dāng)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(yuǎn)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(jìn)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。