作者：Adam Kimmel，作为执业工程师、研发经理和工程内容撰写者拥有近20年的经验。他在垂直市场（包括汽车、工业/制造、技术和电子）中创建白皮书、网站副本、案例研究和博客文章。Adam拥有化学和机械工程学位，是工程和技术内容撰写公司ASK Consulting Solutions, LLC的创始人兼负责人。

2015年12月，196个缔约方齐聚巴黎参加COP 21会议，同意积极应对气候变化。成果《巴黎协定》在法律上约束参与国承诺在前工业时代和21世纪末之间将全球气温上升限制在远低于2°C（目标是1.5°C）。与会者将通过到2050年实现气候中立的世界为目标来实现这一目标。气候中立意味着大幅和立即减少温室气体排放。

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)以及氯氟烃(CFC)和氢氟烃(HFC)。科学家通过全球变暖潜能值(GWP)来表示温室气体的严重性，该参数表示材料的变暖潜能值，作为特定时期内CO2基线的量级（通常表示为100年值）。以下是其中一些温室气体的100年GWP：

第4频道：27–30

N2O：273

SF6、CFC、HFC：>1000–10000

虽然二氧化碳的GWP为1（基准），但它会在大气中存留数千年并增加水蒸气浓度，从而提供重要机会。二氧化碳和水蒸气是主要的燃烧产物。虽然水蒸气对压力和温度高度敏感，但它在大气中的存在会随着二氧化碳浓度的增加而增加，从而提高大气温度。甲烷和一氧化二氮通过农业、生物质、化石燃料开采和工业过程进入大气层。

六氟化硫来自高压电力和化学加工，而CFC和HFC则来自含氟化合物的大气泄漏。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》制定了从2019年开始逐步减少HFC的计划。2022年12月，美国环境保护署提出了一项规则，以限制适用于存在低GWP替代品的应用的氢氟碳化合物。

正如参与《巴黎协定》所证明的那样，大多数国家都承认世界必须从使用化石燃料过渡到使用可再生（绿色）能源，到2030年这个市场机会预计将达到2万亿美元。本文将概述当前状态和最近绿色能源领域的技术发展。

可再生能源已经占全球能源生产的很大一部分。水力发电遥遥领先，但风能和太阳能正在迅速赶上。图1显示了2021年的全球能源生产情况，说明了风能和太阳能如何获得牵引力。

太阳能和光伏电池

科学家和工程师在太阳能和光伏(PV)能源方面取得了重大进展。从历史上看，实施太阳能的一些障碍包括：

· 所需电力所需的土地使用足迹

· 太阳能电池板的资本和初始成本

· 逆变器

· 电网集成技术

· 在消费者的屋顶或农田上安装大面积太阳能电池板

鉴于增加太阳能比例的重要性以及履行巴黎承诺的时机，各国政府开始强制安装太阳能电池板，以消除消费者的选择权。例如，东京强制要求2025年后建造的新房必须安装太阳能电池板。

集成光伏

可再生能源的两个主要缺点是效率低下和不可靠。与经过更多加工的能源相比，来自大自然的能源效率和可靠性较低。例如，商业太阳能电池板仅在15-20%之间，单一材料的理论最大值约为30%，主要受能量转换损失和太阳能散射的驱动。

工程师们正在尽可能地集成PV，以增加低效过程的总功率输出。大部分机会来自在遗留化石燃料厂和市政当局注销的有毒土地上安装光伏发电。由于最高的太阳能效率来自朝南的无阴影表面，系统设计人员可以优化PV集成以获得价值。此外，太阳能电池板阵列的大占地面积可以产生次要好处，例如用太阳能电池板覆盖的停车结构扩散停车场的环境热量。最后，即使在阴天，阳光也会照到裸露的屋顶，因此安装太阳能电池板以收集尽可能多的能量是有意义的。

浮动光伏

太阳能的另一个趋势是在水体中安装太阳能电池板，有时也称为浮动光伏发电。地球上大量的开阔水域为海上太阳能提供了天然优势，例如与海水进行液冷集成，并通过水将太阳光线反射到面板上来增加源能。液体冷却比风冷系统具有更高的传热效率，在相当数量的能量下减小了组件尺寸。此外，水反射到面板上的能量增加了源能转换为电能而无需额外的基础设施，从而提高了系统效率。

农用光伏

与漂浮光伏一样，农用光伏（或农用光伏）能源利用大面积放置光伏——在这种情况下，在农田上安装太阳能电池板以与作物种植活动相结合。这种做法还在可能无法随时接入电网或可以增加分配给农业的电网电力的地方提供远程、有弹性的能源。在已经可用于耕作的土地上增加发电量可以增加其价值，面板可以降低土壤温度和蒸发量，从而增加农田的产量。

聚光太阳能

另一种缓解太阳能自然低效率的方法是使用聚光太阳能(CSP)反射镜或透镜将可再生能源收集到一个小区域，然后将其转换为热能以供按需使用。这种热电转换类似于斯特林发动机和蒸汽轮机的运行方式。此外，CSP的有利因素包括使用高压输电线路、足够的土地面积和高质量的阳光（如美国西南部）。

光伏材料的进步

商用单一材料光伏发电的效率仅为20%左右。然而，重大的物质进步正在提高这个上限。例如，一种可持续的材料方法是简单地减少光伏电池的材料厚度。这种方法增加了扩展应用的材料弹性，降低了成本，并通过减少材料提高了可持续性。此外，更薄的PV减少了整个材料厚度的平面传导损耗（较厚材料的加热），从而提高了能量转换效率。

其他材料改进包括铋(Bi)基材料和涂层，以突破约30%的理论极限。领先的涂层材料是钙钛矿，通过扩大对太阳光谱的波长吸收，将理论效率极限提高到43%，从而增加可用源能量的数量。然而，钙钛矿的耐久性仍然是一个悬而未决的问题，这可能会限制太阳能电池寿命期间效率提高的持续时间。与CSP类似，其他薄膜和涂层通过捕获和重定向光束已证明效率提高了5-10%。

风能和水电

由于技术进步和市场采用率的提高，可再生能源变得更加实惠。但是，虽然目前建设新的风能和太阳能发电厂比煤炭或天然气发电厂更经济，但与可再生能源相比，化石燃料仍然主导着全球消费。

然而，随着全球可持续发展承诺对绿色能源的需求猛增，风能和太阳能发电容量的单位(kWh)成本也在下降——有时低于化石燃料的单位kWh成本。因此，与化石能源相比，可再生能源的资本和单位成本更低，在满足不受限制的全球需求时创造了一个引人注目的商业案例。

水力发电在可再生能源生产中所占比例最高，它充分利用了水的普遍性。这种方法利用流水的动能，使涡轮机旋转以驱动耦合的发电机，从而产生电力。此外，许多风能创新利用与海洋资源的整合。

海上风电

其中一项创新，即利用海上风能，利用可用于涡轮机建造的空间，并将其与海浪运动产生的风能相结合。因此，海上风力涡轮机和塔架更大，与陆上风能相比，每千瓦时的相对成本更低。此外，塔架采用浮动支架进一步降低了部署成本并增加了海上风力涡轮机的位置灵活性。尽管仍然是一种间歇性的可再生能源，但由于障碍物更少以及陆地和海洋之间的温度梯度更大，海上风力比陆上风力更强、更稳定。虽然海上风能是一种效率更高的解决方案，但它面临着腐蚀性海洋环境的技术挑战，而且难以到达偏远的工厂现场进行维护。

本地涡轮机组装和建造

风力涡轮机的巨大尺寸使得整机的运输对物流领导者来说是个问题。因此，工程师正在设计用于模块化运输和现场施工的涡轮机。除了减轻运输难题外，模块化结构还减少了独特零件的数量，同时增加了产量，从而提高了涡轮机的经济性。

叶片空气动力学和数值建模

为了提高风力发电的生产效率，工程师们正着力于叶片设计。例如，3D数值建模或计算机辅助工程(CAE)可以评估涡轮叶片上的气流以快速优化性能。这种称为计算流体动力学(CFD)的分析可以查看瞬态和静态条件以选择最佳设计。例如，通过CFD分析，设计工程师可以修改叶片的形状和尖端曲线几何形状以提高风能效率。

数字孪生

越来越流行的数字设计工具是数字孪生，它通过数字匹配复制物理部件。数字双胞胎结合了来自物理部分的性能数据以进行模型校准。然后，在制造商开始新的物理原型之前，可以在数字领域快速进行设计更新，从而节省大量时间和成本。

能量收集

任何属性差异都会为发电创造机会。例如，许多住宅储水罐被抬高以提供一致的输送压力。同样，可以利用海洋中自然产生的热能、盐度和潮汐压力的差异来进行水力发电。

海洋热能转换与梯度能量捕获

从地表到数百米深的水温差异很大。海洋热能转换(OETC)转换器使用冷热海水在蒸汽压缩制冷循环中蒸发和冷凝工作流体。温差越大，能源效率和产量越高。类似地，渗透压和潮汐压差可以在初始状态寻求与较低能量状态的平衡时产生能量。

储能与并网

绿色能源创新的一个重要来源是储能。可再生能源是不一致的，因此储存电力允许用户或公用事业公司决定如何消除间歇性。

电池化学

随着电气化的兴起，电池化学也在不断发展。磷酸铁锂(LFP)、钠离子和固态等技术有望提高功率密度、充电/放电速度和安全性。

分布式储能和微电网

随着风能和太阳能的趋势和创新不断发展，将这些能源与电网整合将成为推动能源转型的下一个关键障碍。与氮化镓和碳化硅半导体一样，电网电子允许各种能量形式通过功率集成进行通信。此外，该技术还提供了替代电源形式的分布式储能。

电网电子设备还支持微电网——可以像发电机一样独立运行或与电网集成的本地电源集合。这些安排提供了所有可再生能源的附加效应，以增加主电网功率或增强停电期间的弹性，从而提高电力利用效率。

微控制器

微控制器通过让运营商控制他们分配可再生能源的方式，在可再生能源整合中发挥作用。将这些控制器与AI驱动的智能系统集成可以实现功率平衡的自动化，以实现最佳效率，适应需求变化或高峰期。控制器还可以通过电源间歇性适应电压波动，并在应用中对其进行校正。

车辆到电网(V2G)

广泛采用绿色能源的一个重大挑战是无法获得。越来越多的工程师开始将能量视为流体，能够在需要的地方来回移动。考虑到这一点，电动汽车的普及可能会解决接入问题，因为它们可以充当移动电池或在车辆和电网之间创建双向路径。这对于未连接到电网的偏远地区特别有利，使这些地区能够在储存过多能量的情况下产生电力弹性。此应用程序还可以改进电动VIII卡车的商业案例，同时减少现有电网的电力需求和间歇性。因此，V2G将成为重要的绿色能源推动者。

结论

许多绿色能源创新针对自然能源的主要挑战：间歇性和低效率。本文的主要主题涉及权力下放、将电力部署转变为经过深思熟虑的最终交付方案，以及利用自然、可再生能源的现有特性来提高其社会使用效率。这些发明如何与现有电网相结合，将决定绿色能源普及的速度和有效性。