引言

2015年12月，196個締約方齊聚巴黎，參加COP 21氣候變化大會，并在會上一致同意積極應對氣候變化。此次大會的成果《巴黎協定》對與會國具有法律約束力，各國均承諾將前工業化時代直至21世紀末的全球氣溫上升幅度限制在遠低于2°C（目標為1.5°C）的水平。為實現上述承諾，與會各國均把2050年前實現世界氣候中和作為了目標。所謂氣候中和，就是要立即大幅減少溫室氣體排放。

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)、氯氟烴 (CFC) 和氫氟烴 (HFC)。科學家通過全球變暖潛能 (GWP) 值來表示溫室氣體的嚴重程度。這個參數表示一種物質在特定時間長度內導致升溫的潛能與二氧化碳基準的比值（通常取的是100年的值）。以下是部分溫室氣體的100年全球升溫潛能值：

●   CH₄：27–30

●   N₂O：273

●   SF₆、CFC、HFC：>1000–10000

雖然二氧化碳的GWP只有1（等于基準值），但它會在大氣中存留數千年，而且會提高水蒸氣濃度，因而仍然具有非常大的變暖潛能。二氧化碳和水蒸氣主要都是燃燒的產物。雖然水蒸氣對壓力和溫度非常敏感，但二氧化碳濃度增加會導致更多水蒸氣進入大氣，從而提高大氣溫度。甲烷和一氧化二氮則是通過農業、生物質、化石燃料開采和工業過程進入大氣的。

圖源：Adobe Stock/robu_s

六氟化硫來自高壓電和化學加工，而CFC和HFC則來自于含氟化合物泄漏到大氣中。1987年通過的《蒙特利爾議定書》規定在全球范圍內逐步淘汰CFC，而該議定書的《基加利修正案》則規定從2019年開始按計劃逐步淘汰HFC。2022年12月，美國環境保護局提出了一項規則，在可以采用更低GWP替代品的應用中限制HFC的使用。

從各國都積極加入《巴黎協定》這一點看，大多數國家都認為世界必須從使用化石燃料過渡到使用可再生（綠色）能源，預計到2030年，這一市場機遇將達到2萬億美元的規模。本文將要介紹的，就是綠色能源行業的現狀以及技術新發展。

可再生能源已然成為全球發電能源的重要組成部分。水力發電占據了絕大多數，但風力發電和太陽能發電也將很快迎頭趕上。圖1顯示了2021年的全球發電情況，從圖中可以看出近幾年風力發電和太陽能發電正呈現增長態勢。

圖1 2021年全球按能源分類的可再生能源發電概況

（圖源：Hannah Ritchie、Max Roser和Pablo Rosado (2022) -《Energy》。在線發布于：OurWorldInData.org。檢索位置：https://ourworldindata.org/energy）

太陽能和光伏電池

科學家和工程師在太陽能和光伏 (PV) 能源方面取得了巨大成果。從歷史上看，實施太陽能的一些阻礙包括：

●   發電設施需要占用的土地

●   太陽能電池板的資本和初始成本

●   逆變器

●   并網技術

●   在用戶屋頂或農田上安裝大面積太陽能電池板的美觀性

鑒于提高太陽能比例的重要性，以及履行《巴黎協定》承諾的緊迫性，各國政府開始強制安裝太陽能電池板，而不是讓用戶自行選擇。例如，東京將在2025年后強制要求新建房屋安裝太陽能電池板。

集成式光伏系統

可再生能源的兩大主要缺陷是低效率和不可靠性。從大自然取得電能，相比通過能源深加工取得電能而言，效率更低，可靠性也更差。例如，盡管單一光伏材料的理論最高效率約為30%，但商用太陽能電池板的效率只有15–20%，這主要是由于能量轉換損耗和陽光自身耗散造成的。

工程師們正在盡可能地將光伏技術集成起來，以期提高這個低效過程的總功率輸出。利用傳統化石燃料發電廠和市政當局棄用的有毒土地安裝光伏發電設備，可以為太陽能發電帶來很大的機遇。由于朝南、無遮蔽的電池板表面太陽能效率最高，因此系統設計人員可以優化光伏集成，以獲得更高的效率。此外，太陽能電池板陣列占地面積大的特點還能帶來其他優勢，比如將停車場用太陽能電池板覆蓋后，可以降低停車場的環境溫度。最后，即使在陰天，陽光也會照射到裸露的屋頂上，因此在屋頂上安裝太陽能電池板，就可以收集盡可能多的能量。

浮式光伏系統

太陽能發電的另一個趨勢是在水體上安裝太陽能電池板，這種做法有時也稱為浮式光伏發電。地球上的大面積開放水域為海上太陽能發電提供了天然優勢，例如可以直接利用海水實現液冷，而且水面反射到太陽能電池板上的太陽光也可以用來發電。液冷系統比空氣冷卻系統具有更高的熱傳導效率，可以在產生同等能量的情況下減小組件尺寸。此外，借助水面將太陽光反射到太陽能電池板上，也有助于充分利用能源，而無需增加額外的基礎設施，從而提高了系統效率。

農業光伏系統

與浮式光伏系統一樣，農業光伏（也稱農光互補）發電也充分利用了大面積安裝光伏板帶來的優勢，也就是在農田上方安裝太陽能電池板，與農作物生產工作相配合。這種做法還可為無法隨時接入電網的偏遠地區提供靈活的供電方案，或者在通過電網為農業供電的基礎上提供補充。在已經能夠產生收益的農業用地上部署發電設施，有助于提升土地產生的價值，而且太陽能電池板還可降低土壤溫度、減少蒸發，從而提高農田產量。

聚光太陽能熱發電

解決太陽能天然低效還有另一種方法，就是利用聚光太陽能熱發電 (CSP) 反射鏡或透鏡將這種可再生能源集中到一個小區域上，再將其轉換為熱能按需使用。這種熱電轉換的工作原理類似于斯特林發動機和蒸汽渦輪機。此外，能夠支持建設CSP的因素還包括便于接入高壓輸電線路、充足的土地面積，以及高質量的日照（如在美國西南部）。

光伏材料的進步

商用單一材料光伏發電的效率只有20%左右，但是材料方面的重大進步正在提升這一上限。例如，減少光伏電池的材料厚度就是一種可持續的方法，可以提高材料柔性、擴大應用范圍、降低成本，并通過減少用料來提高可持續性。此外，更薄的光伏材料還可以降低材料厚度上的平面傳導損耗（減少浪費在加熱更厚材料上的能量），從而提高能源轉換效率。

光伏材料的另一項進步，是采用基于鉍 (Bi) 的材料和涂層來突破“約30%效率”的理論限值。目前比較先進的涂層材料為鈣鈦礦，它通過擴展太陽能光譜中能吸收的波長，將理論效率限值提升到43%，從而讓更多能量可以得到利用。不過，鈣鈦礦的長期耐用性依然有爭議，因而這種高轉換效率的持續時間可能無法涵蓋太陽能電池的整個使用壽命。其他薄膜和涂層通過類似于CSP那樣捕獲和重定向光束，可將效率提高5–10%。

風能和水力發電

隨著技術進步和市場采用率的提升，可再生能源越來越經濟實惠。盡管建設新的風能和太陽能發電廠目前比建設煤炭或天然氣發電廠更加經濟，但與可再生能源相比，化石燃料依然占據全球消費的主導地位。

即便如此，由于全球可持續性的承諾，世界對綠色能源的需求猛增，而且風能和太陽能的每單位（千瓦時）發電成本也在下降，有時甚至低于化石燃料的每千瓦時成本。因此，與化石燃料發電相比，可再生能源的投入資本和每單位成本更低，在滿足無上限的全球需求時，有著出色的商業表現。

水力發電是可再生能源發電中占比最高的一種，它充分利用了水在全球普遍分布這一優勢。這種發電方式利用流水的動能，帶動渦輪機轉動，從而驅動耦合發電機，產生電力。此外，許多風能發電創新技術也利用了海洋資源的優勢。

海上風電

其中一項創新，便是利用海上的風能來發電。風電機組在海上有充足的建造空間，而且海浪運動也會產生風能。因此，海上風電機組和塔架的體積更大，與陸上風電相比，每千瓦時相對成本更低。此外，海上塔架還可以采用浮動支架，以進一步降低部署成本，提高海上風機選址的靈活性。雖然海上風電依然是一種間歇性的可再生能源，但由于障礙物較少，而且陸地和海洋之間的溫度梯度更大，因而海上的風比陸地上的風更強勁、更穩定。雖然海上風電是一種效率更高的解決方案，但它也面臨著技術上的挑戰，如腐蝕性的海洋環境，以及難以到達偏遠的現場進行維護等。

風機本地組裝與建造

風電機組的體量巨大，整機運輸對于物流業者而言非常困難。因此，工程師們正在設計可以模塊化運輸并在現場裝配施工的風機。除了緩解運輸難題外，模塊化結構還可以減少獨特零件的數量，同時提高產量，從而提高風機發電的經濟效益。

葉片空氣動力學和數字建模

為提高風力發電的效率，工程師們非常關注風機葉片的設計。例如，通過3D數值建模或計算機輔助工程 (CAE)，可以評估風機葉片上的氣流，從而快速優化性能。這種分析稱為計算流體動力學 (CFD)，可以通過分析瞬態和靜態條件，選出合適的設計。例如，通過CFD分析，設計工程師可以修改葉片的形狀和葉尖曲線的幾何形狀，以提高風能利用效率。

數字孿生

數字孿生是一種日益流行的數值設計工具，就是為實體部件創建一份相同的數字版本。數字孿生融入了實體部件的性能數據，用于模型校準。然后，制造商在開始打造新的實體原型之前，就能夠在數字版本上快速更新設計，從而節省大量時間和成本。

能量收集

任何屬性差異都可以創造發電機會。例如，許多住宅樓的儲水箱被架高，以提供穩定的水壓。同樣，海洋中自然產生的熱能差、鹽度差和潮汐壓力差也可用于水力發電。

海洋熱能轉換和梯度能量捕獲

表層水溫與水下幾百米深的水溫相差是很大的。海洋溫差發電 (OETC) 轉換器利用熱海水和冷海水對蒸汽壓縮制冷循環中的工作流體進行蒸發與冷凝。溫差越大，能源效率和輸出就越高。同樣，滲透壓差和潮汐壓差也可產生能量，因為初始狀態會尋求與較低能量狀態之間的平衡。

儲能與并網

人類在綠色能源的儲能方面正在做出豐富的創新。可再生能源穩定性不佳，因此，儲存電能可幫助用戶或公用事業單位解決電力穩定性問題。

電池化學

隨著電氣化的興起，電池化學正在不斷發展。諸如磷酸鐵鋰 (LFP) 電池、鈉離子電池、固態電池等技術有望提升功率密度、充電/放電速度以及安全性。

分布式儲能和微電網

隨著風能和太陽能的趨勢與創新不斷演變，將這些電能并入電網是推動能源轉換的下一個關鍵環節。與氮化鎵和碳化硅半導體一樣，電網電子系統支持各種能量形式通過功率集成進行融合。此外，該技術還能提供新能源分布式儲能。

電網電子系統還支持微電網，就是既可以像發電機一樣獨立運行，也可以與電網整合的本地電源集合。這些布局為所有可再生能源提供累加效應，從而對主電網提供的電力起到補充作用，也可以增強斷電期間的供電靈活性，最終提高電力利用效率。

微控制器

微控制器可讓操作人員控制可再生能源的分配方式，因而在可再生能源集成中發揮著重要作用。在AI驅動的智能系統中集成這些控制器，可以實現自動化的電力平衡，從而提供最佳效率，并適應需求變化或高峰時段需求。這些控制器還可適應電力不穩定帶來的電壓波動，并在應用中予以糾正。

汽車對電網(V2G)

綠色能源的廣泛應用面臨的一個重大挑戰是缺乏獲取途徑。越來越多的工程師開始將能源視為一種流體，能夠根據需要來回流動。有鑒于此，電動汽車的普及或許可以解決能源獲取問題，因為它們可以充當移動的電池，或者在車輛與電網之間實現雙向供電。這對無法接入電網的偏遠地區特別有益，這些區域只要能獲得額外存儲的電能，就可以實現靈活供電。這項應用還可以改善VIII類電動卡車的商業應用，同時降低電力需求并應對現有電網的不穩定性。因此，V2G將成為重要的綠色能源助推器。

結語

許多綠色能源創新都針對自然能源帶來的主要挑戰，也就是間歇性和低效率。本文的主要主題涉及供電去中心化、將電力調配轉變為經過深思熟慮的最終輸送方案，以及利用自然、可再生能源的現有特點提高其社會使用效率。

這些創新技術如何并入現有電網，將決定綠色能源普及的速度和效率。

作者簡介

Adam Kimmel擁有近20年執業工程師、研發經理和工程內容撰稿人經驗，編寫過白皮書、網站副本、案例研究以及博客文章，涉及汽車、工業/制造業、科技和電子等垂直細分領域。Adam擁有化學和機械工程學位，并且是工程和技術內容寫作公司ASK Consulting Solutions, LLC的創始人兼總負責人。