2023年的15個綠色能源趨勢

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(yīng)對氣候變化。此次大會的成果《巴黎協(xié)定》對與會國具有法律約束力，各國均承諾將前工業(yè)化時代直至21世紀(jì)末的全球氣溫上升幅度限制在遠(yuǎn)低于2°C（目標(biāo)為1.5°C）的水平。為實(shí)現(xiàn)上述承諾，與會各國均把2050年前實(shí)現(xiàn)世界氣候中和作為了目標(biāo)。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)?？茖W(xué)家通過全球變暖潛能 (GWP) 值來表示溫室氣體的嚴(yán)重程度。這個參數(shù)表示一種物質(zhì)在特定時間長度內(nèi)導(dǎo)致升溫的潛能與二氧化碳基準(zhǔn)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(zhǔn)值），但它會在大氣中存留數(shù)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(chǎn)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(dǎo)致更多水蒸氣進(jìn)入大氣，從而提高大氣溫度。甲烷和一氧化二氮則是通過農(nóng)業(yè)、生物質(zhì)、化石燃料開采和工業(yè)過程進(jìn)入大氣的。

圖源：Adobe Stock/robu_s

六氟化硫來自高壓電和化學(xué)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(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》則規(guī)定從2019年開始按計(jì)劃逐步淘汰HFC。2022年12月，美國環(huán)境保護(hù)局提出了一項(xiàng)規(guī)則，在可以采用更低GWP替代品的應(yīng)用中限制HFC的使用。

從各國都積極加入《巴黎協(xié)定》這一點(diǎn)看，大多數(shù)國家都認(rèn)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(yù)計(jì)到2030年，這一市場機(jī)遇將達(dá)到2萬億美元的規(guī)模。本文將要介紹的，就是綠色能源行業(yè)的現(xiàn)狀以及技術(shù)新發(fā)展。

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

圖1 2021年全球按能源分類的可再生能源發(fā)電概況

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

太陽能和光伏電池

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

●   發(fā)電設(shè)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(wǎng)技術(shù)

●   在用戶屋頂或農(nóng)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(xié)定》承諾的緊迫性，各國政府開始強(qiáng)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(qiáng)制要求新建房屋安裝太陽能電池板。

集成式光伏系統(tǒng)

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(zhuǎn)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(shù)集成起來，以期提高這個低效過程的總功率輸出。利用傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電廠和市政當(dāng)局棄用的有毒土地安裝光伏發(fā)電設(shè)備，可以為太陽能發(fā)電帶來很大的機(jī)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)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(diǎn)還能帶來其他優(yōu)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(huán)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(tǒng)

太陽能發(fā)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(fā)電。地球上的大面積開放水域?yàn)楹Ｉ咸柲馨l(fā)電提供了天然優(yōu)勢，例如可以直接利用海水實(shí)現(xiàn)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(fā)電。液冷系統(tǒng)比空氣冷卻系統(tǒng)具有更高的熱傳導(dǎo)效率，可以在產(chǎn)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(chǔ)設(shè)施，從而提高了系統(tǒng)效率。

農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng)

與浮式光伏系統(tǒng)一樣，農(nóng)業(yè)光伏（也稱農(nóng)光互補(bǔ)）發(fā)電也充分利用了大面積安裝光伏板帶來的優(yōu)勢，也就是在農(nóng)田上方安裝太陽能電池板，與農(nóng)作物生產(chǎn)工作相配合。這種做法還可為無法隨時接入電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供靈活的供電方案，或者在通過電網(wǎng)為農(nóng)業(yè)供電的基礎(chǔ)上提供補(bǔ)充。在已經(jīng)能夠產(chǎn)生收益的農(nóng)業(yè)用地上部署發(fā)電設(shè)施，有助于提升土地產(chǎn)生的價值，而且太陽能電池板還可降低土壤溫度、減少蒸發(fā)，從而提高農(nóng)田產(chǎn)量。

聚光太陽能熱發(fā)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(fā)電 (CSP) 反射鏡或透鏡將這種可再生能源集中到一個小區(qū)域上，再將其轉(zhuǎn)換為熱能按需使用。這種熱電轉(zhuǎn)換的工作原理類似于斯特林發(fā)動機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)。此外，能夠支持建設(shè)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(zhì)量的日照（如在美國西南部）。

光伏材料的進(jìn)步

商用單一材料光伏發(fā)電的效率只有20%左右，但是材料方面的重大進(jìn)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(xù)的方法，可以提高材料柔性、擴(kuò)大應(yīng)用范圍、降低成本，并通過減少用料來提高可持續(xù)性。此外，更薄的光伏材料還可以降低材料厚度上的平面?zhèn)鲗?dǎo)損耗（減少浪費(fèi)在加熱更厚材料上的能量），從而提高能源轉(zhuǎn)換效率。

光伏材料的另一項(xiàng)進(jìn)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(jìn)的涂層材料為鈣鈦礦，它通過擴(kuò)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(zhuǎn)換效率的持續(xù)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(fēng)能和水力發(fā)電

隨著技術(shù)進(jìn)步和市場采用率的提升，可再生能源越來越經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。盡管建設(shè)新的風(fēng)能和太陽能發(fā)電廠目前比建設(shè)煤炭或天然氣發(fā)電廠更加經(jīng)濟(jì)，但與可再生能源相比，化石燃料依然占據(jù)全球消費(fèi)的主導(dǎo)地位。

即便如此，由于全球可持續(xù)性的承諾，世界對綠色能源的需求猛增，而且風(fēng)能和太陽能的每單位（千瓦時）發(fā)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(fā)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(yè)表現(xiàn)。

水力發(fā)電是可再生能源發(fā)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(yōu)勢。這種發(fā)電方式利用流水的動能，帶動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動耦合發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電力。此外，許多風(fēng)能發(fā)電創(chuàng)新技術(shù)也利用了海洋資源的優(yōu)勢。

海上風(fēng)電

其中一項(xiàng)創(chuàng)新，便是利用海上的風(fēng)能來發(fā)電。風(fēng)電機(jī)組在海上有充足的建造空間，而且海浪運(yùn)動也會產(chǎn)生風(fēng)能。因此，海上風(fēng)電機(jī)組和塔架的體積更大，與陸上風(fēng)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(jìn)一步降低部署成本，提高海上風(fēng)機(jī)選址的靈活性。雖然海上風(fēng)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(fēng)比陸地上的風(fēng)更強(qiáng)勁、更穩(wěn)定。雖然海上風(fēng)電是一種效率更高的解決方案，但它也面臨著技術(shù)上的挑戰(zhàn)，如腐蝕性的海洋環(huán)境，以及難以到達(dá)偏遠(yuǎn)的現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)等。

風(fēng)機(jī)本地組裝與建造

風(fēng)電機(jī)組的體量巨大，整機(jī)運(yùn)輸對于物流業(yè)者而言非常困難。因此，工程師們正在設(shè)計(jì)可以模塊化運(yùn)輸并在現(xiàn)場裝配施工的風(fēng)機(jī)。除了緩解運(yùn)輸難題外，模塊化結(jié)構(gòu)還可以減少獨(dú)特零件的數(shù)量，同時提高產(chǎn)量，從而提高風(fēng)機(jī)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。

葉片空氣動力學(xué)和數(shù)字建模

為提高風(fēng)力發(fā)電的效率，工程師們非常關(guān)注風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)。例如，通過3D數(shù)值建模或計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE)，可以評估風(fēng)機(jī)葉片上的氣流，從而快速優(yōu)化性能。這種分析稱為計(jì)算流體動力學(xué) (CFD)，可以通過分析瞬態(tài)和靜態(tài)條件，選出合適的設(shè)計(jì)。例如，通過CFD分析，設(shè)計(jì)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(fēng)能利用效率。

數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是一種日益流行的數(shù)值設(shè)計(jì)工具，就是為實(shí)體部件創(chuàng)建一份相同的數(shù)字版本。數(shù)字孿生融入了實(shí)體部件的性能數(shù)據(jù)，用于模型校準(zhǔn)。然后，制造商在開始打造新的實(shí)體原型之前，就能夠在數(shù)字版本上快速更新設(shè)計(jì)，從而節(jié)省大量時間和成本。

能量收集

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

海洋熱能轉(zhuǎn)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(fā)電 (OETC) 轉(zhuǎn)換器利用熱海水和冷海水對蒸汽壓縮制冷循環(huán)中的工作流體進(jìn)行蒸發(fā)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(chǎn)生能量，因?yàn)槌跏紶顟B(tài)會尋求與較低能量狀態(tài)之間的平衡。

儲能與并網(wǎng)

人類在綠色能源的儲能方面正在做出豐富的創(chuàng)新?？稍偕茉捶€(wěn)定性不佳，因此，儲存電能可幫助用戶或公用事業(yè)單位解決電力穩(wěn)定性問題。

電池化學(xué)

隨著電氣化的興起，電池化學(xué)正在不斷發(fā)展。諸如磷酸鐵鋰 (LFP) 電池、鈉離子電池、固態(tài)電池等技術(shù)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(wǎng)

隨著風(fēng)能和太陽能的趨勢與創(chuàng)新不斷演變，將這些電能并入電網(wǎng)是推動能源轉(zhuǎn)換的下一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與氮化鎵和碳化硅半導(dǎo)體一樣，電網(wǎng)電子系統(tǒng)支持各種能量形式通過功率集成進(jìn)行融合。此外，該技術(shù)還能提供新能源分布式儲能。

電網(wǎng)電子系統(tǒng)還支持微電網(wǎng)，就是既可以像發(fā)電機(jī)一樣獨(dú)立運(yùn)行，也可以與電網(wǎng)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(yīng)，從而對主電網(wǎng)提供的電力起到補(bǔ)充作用，也可以增強(qiáng)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(fā)揮著重要作用。在AI驅(qū)動的智能系統(tǒng)中集成這些控制器，可以實(shí)現(xiàn)自動化的電力平衡，從而提供最佳效率，并適應(yīng)需求變化或高峰時段需求。這些控制器還可適應(yīng)電力不穩(wěn)定帶來的電壓波動，并在應(yīng)用中予以糾正。

汽車對電網(wǎng)(V2G)

綠色能源的廣泛應(yīng)用面臨的一個重大挑戰(zhàn)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(jù)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?yàn)樗鼈兛梢猿洚?dāng)移動的電池，或者在車輛與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)雙向供電。這對無法接入電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)特別有益，這些區(qū)域只要能獲得額外存儲的電能，就可以實(shí)現(xiàn)靈活供電。這項(xiàng)應(yīng)用還可以改善VIII類電動卡車的商業(yè)應(yīng)用，同時降低電力需求并應(yīng)對現(xiàn)有電網(wǎng)的不穩(wěn)定性。因此，V2G將成為重要的綠色能源助推器。

結(jié)語

許多綠色能源創(chuàng)新都針對自然能源帶來的主要挑戰(zhàn)，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(diào)配轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)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(xiàn)有特點(diǎn)提高其社會使用效率。

這些創(chuàng)新技術(shù)如何并入現(xiàn)有電網(wǎng)，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(zhí)業(yè)工程師、研發(fā)經(jīng)理和工程內(nèi)容撰稿人經(jīng)驗(yàn)，編寫過白皮書、網(wǎng)站副本、案例研究以及博客文章，涉及汽車、工業(yè)/制造業(yè)、科技和電子等垂直細(xì)分領(lǐng)域。Adam擁有化學(xué)和機(jī)械工程學(xué)位，并且是工程和技術(shù)內(nèi)容寫作公司ASK Consulting Solutions, LLC的創(chuàng)始人兼總負(fù)責(zé)人。