2023年的15个绿色能源趋势
引言
2015年12月，196个缔约方齐聚巴黎，参加COP 21气候变化大会，并在会上一致同意积极应对气候变化。此次大会的成果《巴黎协定》对与会国具有法律约束力，各国均承诺将前工业化时代直至21世纪末的全球气温上升幅度限制在远低于2°C（目标为1.5°C）的水平。为实现上述承诺，与会各国均把2050年前实现世界气候中和作为了目标。所谓气候中和，就是要立即大幅减少温室气体排放。
温室气体排放来自二氧化碳 (CO2)、甲烷 (CH4)、一氧化二氮 (N2O)、水蒸气、六氟化硫 (SF6)、氯氟烃 (CFC) 和氢氟烃 (HFC)。科学家通过全球变暖潜能 (GWP) 值来表示温室气体的严重程度。这个参数表示一种物质在特定时间长度内导致升温的潜能与二氧化碳基准的比值（通常取的是100年的值）。以下是部分温室气体的100年全球升温潜能值：
● CH4：27–30
● N2O：273
● SF6、CFC、HFC：>1000–10000
虽然二氧化碳的GWP只有1（等于基准值），但它会在大气中存留数千年，而且会提高水蒸气浓度，因而仍然具有非常大的变暖潜能。二氧化碳和水蒸气主要都是燃烧的产物。虽然水蒸气对压力和温度非常敏感，但二氧化碳浓度增加会导致更多水蒸气进入大气，从而提高大气温度。甲烷和一氧化二氮则是通过农业、生物质、化石燃料开采和工业过程进入大气的。
图源：Adobe Stock/robu_s
六氟化硫来自高压电和化学加工，而CFC和HFC则来自于含氟化合物泄漏到大气中。1987年通过的《蒙特利尔议定书》规定在全球范围内逐步淘汰CFC，而该议定书的《基加利修正案》则规定从2019年开始按计划逐步淘汰HFC。2022年12月，美国环境保护局提出了一项规则，在可以采用更低GWP替代品的应用中限制HFC的使用。
从各国都积极加入《巴黎协定》这一点看，大多数国家都认为世界必须从使用化石燃料过渡到使用可再生（绿色）能源，预计到2030年，这一市场机遇将达到2万亿美元的规模。本文将要介绍的，就是绿色能源行业的现状以及技术新发展。
可再生能源已然成为全球发电能源的重要组成部分。水力发电占据了绝大多数，但风力发电和太阳能发电也将很快迎头赶上。图1显示了2021年的全球发电情况，从图中可以看出近几年风力发电和太阳能发电正呈现增长态势。
图1 2021年全球按能源分类的可再生能源发电概况
（图源：Hannah Ritchie、Max Roser和Pablo Rosado (2022) -《Energy》。在线发布于：OurWorldInData.org。检索位置：https://ourworldindata.org/energy）
太阳能和光伏电池
科学家和工程师在太阳能和光伏 (PV) 能源方面取得了巨大成果。从历史上看，实施太阳能的一些阻碍包括：
● 发电设施需要占用的土地
● 太阳能电池板的资本和初始成本
● 逆变器
● 并网技术
● 在用户屋顶或农田上安装大面积太阳能电池板的美观性
鉴于提高太阳能比例的重要性，以及履行《巴黎协定》承诺的紧迫性，各国政府开始强制安装太阳能电池板，而不是让用户自行选择。例如，东京将在2025年后强制要求新建房屋安装太阳能电池板。
集成式光伏系统
可再生能源的两大主要缺陷是低效率和不可靠性。从大自然取得电能，相比通过能源深加工取得电能而言，效率更低，可靠性也更差。例如，尽管单一光伏材料的理论最高效率约为30%，但商用太阳能电池板的效率只有15–20%，这主要是由于能量转换损耗和阳光自身耗散造成的。
工程师们正在尽可能地将光伏技术集成起来，以期提高这个低效过程的总功率输出。利用传统化石燃料发电厂和市政当局弃用的有毒土地安装光伏发电设备，可以为太阳能发电带来很大的机遇。由于朝南、无遮蔽的电池板表面太阳能效率最高，因此系统设计人员可以优化光伏集成，以获得更高的效率。此外，太阳能电池板阵列占地面积大的特点还能带来其他优势，比如将停车场用太阳能电池板覆盖后，可以降低停车场的环境温度。最后，即使在阴天，阳光也会照射到裸露的屋顶上，因此在屋顶上安装太阳能电池板，就可以收集尽可能多的能量。
浮式光伏系统
太阳能发电的另一个趋势是在水体上安装太阳能电池板，这种做法有时也称为浮式光伏发电。地球上的大面积开放水域为海上太阳能发电提供了天然优势，例如可以直接利用海水实现液冷，而且水面反射到太阳能电池板上的太阳光也可以用来发电。液冷系统比空气冷却系统具有更高的热传导效率，可以在产生同等能量的情况下减小组件尺寸。此外，借助水面将太阳光反射到太阳能电池板上，也有助于充分利用能源，而无需增加额外的基础设施，从而提高了系统效率。
农业光伏系统
与浮式光伏系统一样，农业光伏（也称农光互补）发电也充分利用了大面积安装光伏板带来的优势，也就是在农田上方安装太阳能电池板，与农作物生产工作相配合。这种做法还可为无法随时接入电网的偏远地区提供灵活的供电方案，或者在通过电网为农业供电的基础上提供补充。在已经能够产生收益的农业用地上部署发电设施，有助于提升土地产生的价值，而且太阳能电池板还可降低土壤温度、减少蒸发，从而提高农田产量。
聚光太阳能热发电
解决太阳能天然低效还有另一种方法，就是利用聚光太阳能热发电 (CSP) 反射镜或透镜将这种可再生能源集中到一个小区域上，再将其转换为热能按需使用。这种热电转换的工作原理类似于斯特林发动机和蒸汽涡轮机。此外，能够支持建设CSP的因素还包括便于接入高压输电线路、充足的土地面积，以及高质量的日照（如在美国西南部）。
光伏材料的进步
商用单一材料光伏发电的效率只有20%左右，但是材料方面的重大进步正在提升这一上限。例如，减少光伏电池的材料厚度就是一种可持续的方法，可以提高材料柔性、扩大应用范围、降低成本，并通过减少用料来提高可持续性。此外，更薄的光伏材料还可以降低材料厚度上的平面传导损耗（减少浪费在加热更厚材料上的能量），从而提高能源转换效率。
光伏材料的另一项进步，是采用基于铋 (Bi) 的材料和涂层来突破“约30%效率”的理论限值。目前比较先进的涂层材料为钙钛矿，它通过扩展太阳能光谱中能吸收的波长，将理论效率限值提升到43%，从而让更多能量可以得到利用。不过，钙钛矿的长期耐用性依然有争议，因而这种高转换效率的持续时间可能无法涵盖太阳能电池的整个使用寿命。其他薄膜和涂层通过类似于CSP那样捕获和重定向光束，可将效率提高5–10%。
风能和水力发电
随着技术进步和市场采用率的提升，可再生能源越来越经济实惠。尽管建设新的风能和太阳能发电厂目前比建设煤炭或天然气发电厂更加经济，但与可再生能源相比，化石燃料依然占据全球消费的主导地位。
即便如此，由于全球可持续性的承诺，世界对绿色能源的需求猛增，而且风能和太阳能的每单位（千瓦时）发电成本也在下降，有时甚至低于化石燃料的每千瓦时成本。因此，与化石燃料发电相比，可再生能源的投入资本和每单位成本更低，在满足无上限的全球需求时，有着出色的商业表现。
水力发电是可再生能源发电中占比最高的一种，它充分利用了水在全球普遍分布这一优势。这种发电方式利用流水的动能，带动涡轮机转动，从而驱动耦合发电机，产生电力。此外，许多风能发电创新技术也利用了海洋资源的优势。
海上风电
其中一项创新，便是利用海上的风能来发电。风电机组在海上有充足的建造空间，而且海浪运动也会产生风能。因此，海上风电机组和塔架的体积更大，与陆上风电相比，每千瓦时相对成本更低。此外，海上塔架还可以采用浮动支架，以进一步降低部署成本，提高海上风机选址的灵活性。虽然海上风电依然是一种间歇性的可再生能源，但由于障碍物较少，而且陆地和海洋之间的温度梯度更大，因而海上的风比陆地上的风更强劲、更稳定。虽然海上风电是一种效率更高的解决方案，但它也面临着技术上的挑战，如腐蚀性的海洋环境，以及难以到达偏远的现场进行维护等。
风机本地组装与建造
风电机组的体量巨大，整机运输对于物流业者而言非常困难。因此，工程师们正在设计可以模块化运输并在现场装配施工的风机。除了缓解运输难题外，模块化结构还可以减少独特零件的数量，同时提高产量，从而提高风机发电的经济效益。
叶片空气动力学和数字建模
为提高风力发电的效率，工程师们非常关注风机叶片的设计。例如，通过3D数值建模或计算机辅助工程 (CAE)，可以评估风机叶片上的气流，从而快速优化性能。这种分析称为计算流体动力学 (CFD)，可以通过分析瞬态和静态条件，选出合适的设计。例如，通过CFD分析，设计工程师可以修改叶片的形状和叶尖曲线的几何形状，以提高风能利用效率。
数字孪生
数字孪生是一种日益流行的数值设计工具，就是为实体部件创建一份相同的数字版本。数字孪生融入了实体部件的性能数据，用于模型校准。然后，制造商在开始打造新的实体原型之前，就能够在数字版本上快速更新设计，从而节省大量时间和成本。
能量收集
任何属性差异都可以创造发电机会。例如，许多住宅楼的储水箱被架高，以提供稳定的水压。同样，海洋中自然产生的热能差、盐度差和潮汐压力差也可用于水力发电。
海洋热能转换和梯度能量捕获
表层水温与水下几百米深的水温相差是很大的。海洋温差发电 (OETC) 转换器利用热海水和冷海水对蒸汽压缩制冷循环中的工作流体进行蒸发与冷凝。温差越大，能源效率和输出就越高。同样，渗透压差和潮汐压差也可产生能量，因为初始状态会寻求与较低能量状态之间的平衡。
储能与并网
人类在绿色能源的储能方面正在做出丰富的创新。可再生能源稳定性不佳，因此，储存电能可帮助用户或公用事业单位解决电力稳定性问题。
电池化学
随着电气化的兴起，电池化学正在不断发展。诸如磷酸铁锂 (LFP) 电池、钠离子电池、固态电池等技术有望提升功率密度、充电/放电速度以及安全性。
分布式储能和微电网
随着风能和太阳能的趋势与创新不断演变，将这些电能并入电网是推动能源转换的下一个关键环节。与氮化镓和碳化硅半导体一样，电网电子系统支持各种能量形式通过功率集成进行融合。此外，该技术还能提供新能源分布式储能。
电网电子系统还支持微电网，就是既可以像发电机一样独立运行，也可以与电网整合的本地电源集合。这些布局为所有可再生能源提供累加效应，从而对主电网提供的电力起到补充作用，也可以增强断电期间的供电灵活性，最终提高电力利用效率。
微控制器
微控制器可让操作人员控制可再生能源的分配方式，因而在可再生能源集成中发挥着重要作用。在AI驱动的智能系统中集成这些控制器，可以实现自动化的电力平衡，从而提供最佳效率，并适应需求变化或高峰时段需求。这些控制器还可适应电力不稳定带来的电压波动，并在应用中予以纠正。
汽车对电网(V2G)
绿色能源的广泛应用面临的一个重大挑战是缺乏获取途径。越来越多的工程师开始将能源视为一种流体，能够根据需要来回流动。有鉴于此，电动汽车的普及或许可以解决能源获取问题，因为它们可以充当移动的电池，或者在车辆与电网之间实现双向供电。这对无法接入电网的偏远地区特别有益，这些区域只要能获得额外存储的电能，就可以实现灵活供电。这项应用还可以改善VIII类电动卡车的商业应用，同时降低电力需求并应对现有电网的不稳定性。因此，V2G将成为重要的绿色能源助推器。
结语
许多绿色能源创新都针对自然能源带来的主要挑战，也就是间歇性和低效率。本文的主要主题涉及供电去中心化、将电力调配转变为经过深思熟虑的最终输送方案，以及利用自然、可再生能源的现有特点提高其社会使用效率。
这些创新技术如何并入现有电网，将决定绿色能源普及的速度和效率。
作者简介
Adam Kimmel拥有近20年执业工程师、研发经理和工程内容撰稿人经验，编写过白皮书、网站副本、案例研究以及博客文章，涉及汽车、工业/制造业、科技和电子等垂直细分领域。Adam拥有化学和机械工程学位，并且是工程和技术内容写作公司ASK Consulting Solutions, LLC的创始人兼总负责人。
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