作者：Adam Kimmel，作為執業工程師、研發經理和工程內容撰寫者擁有近20年的經驗。他在垂直市場（包括汽車、工業/制造、技術和電子）中創建白皮書、網站副本、案例研究和博客文章。Adam擁有化學和機械工程學位，是工程和技術內容撰寫公司ASK Consulting Solutions, LLC的創始人兼負責人。

2015年12月，196個締約方齊聚巴黎參加COP 21會議，同意積極應對氣候變化。成果《巴黎協定》在法律上約束參與國承諾在前工業時代和21世紀末之間將全球氣溫上升限制在遠低于2°C（目標是1.5°C）。與會者將通過到2050年實現氣候中立的世界為目標來實現這一目標。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家通過全球變暖潛能值(GWP)來表示溫室氣體的嚴重性，該參數表示材料的變暖潛能值，作為特定時期內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），但它會在大氣中存留數千年并增加水蒸氣濃度，從而提供重要機會。二氧化碳和水蒸氣是主要的燃燒產物。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業、生物質、化石燃料開采和工業過程進入大氣層。

六氟化硫來自高壓電力和化學加工，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》規定在全球范圍內逐步淘汰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，美國環境保護署提出了一項規則，以限制適用于存在低GWP替代品的應用的氫氟碳化合物。

正如參與《巴黎協定》所證明的那樣，大多數國家都承認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年這個市場機會預計將達到2萬億美元。本文將概述當前狀態和最近綠色能源領域的技術發展。

可再生能源已經占全球能源生產的很大一部分。水力發電遙遙領先，但風能和太陽能正在迅速趕上。圖1顯示了2021年的全球能源生產情況，說明了風能和太陽能如何獲得牽引力。

太陽能和光伏電池

科學家和工程師在太陽能和光伏(PV)能源方面取得了重大進展。從歷史上看，實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

· 電網集成技術

· 在消費者的屋頂或農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，各國政府開始強制安裝太陽能電池板，以消除消費者的選擇權。例如，東京強制要求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是效率低下和不可靠。與經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%，主要受能量轉換損失和太陽能散射的驅動。

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。大部分機會來自在遺留化石燃料廠和市政當局注銷的有毒土地上安裝光伏發電。由于最高的太陽能效率來自朝南的無陰影表面，系統設計人員可以優化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生次要好處，例如用太陽能電池板覆蓋的停車結構擴散停車場的環境熱量。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電。地球上大量的開闊水域為海上太陽能提供了天然優勢，例如與海水進行液冷集成，并通過水將太陽光線反射到面板上來增加源能。液體冷卻比風冷系統具有更高的傳熱效率，在相當數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換為電能而無需額外的基礎設施，從而提高了系統效率。

農用光伏

與漂浮光伏一樣，農用光伏（或農用光伏）能源利用大面積放置光伏——在這種情況下，在農田上安裝太陽能電池板以與作物種植活動相結合。這種做法還在可能無法隨時接入電網或可以增加分配給農業的電網電力的地方提供遠程、有彈性的能源。在已經可用于耕作的土地上增加發電量可以增加其價值，面板可以降低土壤溫度和蒸發量，從而增加農田的產量。

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域，然后將其轉換為熱能以供按需使用。這種熱電轉換類似于斯特林發動機和蒸汽輪機的運行方式。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量的陽光（如美國西南部）。

光伏材料的進步

商用單一材料光伏發電的效率僅為20%左右。然而，重大的物質進步正在提高這個上限。例如，一種可持續的材料方法是簡單地減少光伏電池的材料厚度。這種方法增加了擴展應用的材料彈性，降低了成本，并通過減少材料提高了可持續性。此外，更薄的PV減少了整個材料厚度的平面傳導損耗（較厚材料的加熱），從而提高了能量轉換效率。

其他材料改進包括鉍(Bi)基材料和涂層，以突破約30%的理論極限。領先的涂層材料是鈣鈦礦，通過擴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%。

風能和水電

由于技術進步和市場采用率的提高，可再生能源變得更加實惠。但是，雖然目前建設新的風能和太陽能發電廠比煤炭或天然氣發電廠更經濟，但與可再生能源相比，化石燃料仍然主導著全球消費。

然而，隨著全球可持續發展承諾對綠色能源的需求猛增，風能和太陽能發電容量的單位(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造了一個引人注目的商業案例。

水力發電在可再生能源生產中所占比例最高，它充分利用了水的普遍性。這種方法利用流水的動能，使渦輪機旋轉以驅動耦合的發電機，從而產生電力。此外，許多風能創新利用與海洋資源的整合。

海上風電

其中一項創新，即利用海上風能，利用可用于渦輪機建造的空間，并將其與海浪運動產生的風能相結合。因此，海上風力渦輪機和塔架更大，與陸上風能相比，每千瓦時的相對成本更低。此外，塔架采用浮動支架進一步降低了部署成本并增加了海上風力渦輪機的位置靈活性。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，海上風力比陸上風力更強、更穩定。雖然海上風能是一種效率更高的解決方案，但它面臨著腐蝕性海洋環境的技術挑戰，而且難以到達偏遠的工廠現場進行維護。

本地渦輪機組裝和建造

風力渦輪機的巨大尺寸使得整機的運輸對物流領導者來說是個問題。因此，工程師正在設計用于模塊化運輸和現場施工的渦輪機。除了減輕運輸難題外，模塊化結構還減少了獨特零件的數量，同時增加了產量，從而提高了渦輪機的經濟性。

葉片空氣動力學和數值建模

為了提高風力發電的生產效率，工程師們正著力于葉片設計。例如，3D數值建?；蛴嬎銠C輔助工程(CAE)可以評估渦輪葉片上的氣流以快速優化性能。這種稱為計算流體動力學(CFD)的分析可以查看瞬態和靜態條件以選擇最佳設計。例如，通過CFD分析，設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能效率。

數字孿生

越來越流行的數字設計工具是數字孿生，它通過數字匹配復制物理部件。數字雙胞胎結合了來自物理部分的性能數據以進行模型校準。然后，在制造商開始新的物理原型之前，可以在數字領域快速進行設計更新，從而節省大量時間和成本。

能量收集

任何屬性差異都會為發電創造機會。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生的熱能、鹽度和潮汐壓力的差異來進行水力發電。

海洋熱能轉換與梯度能量捕獲

從地表到數百米深的水溫差異很大。海洋熱能轉換(OETC)轉換器使用冷熱海水在蒸汽壓縮制冷循環中蒸發和冷凝工作流體。溫差越大，能源效率和產量越高。類似地，滲透壓和潮汐壓差可以在初始狀態尋求與較低能量狀態的平衡時產生能量。

儲能與并網

綠色能源創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公司決定如何消除間歇性。

電池化學

隨著電氣化的興起，電池化學也在不斷發展。磷酸鐵鋰(LFP)、鈉離子和固態等技術有望提高功率密度、充電/放電速度和安全性。

分布式儲能和微電網

隨著風能和太陽能的趨勢和創新不斷發展，將這些能源與電網整合將成為推動能源轉型的下一個關鍵障礙。與氮化鎵和碳化硅半導體一樣，電網電子允許各種能量形式通過功率集成進行通信。此外，該技術還提供了替代電源形式的分布式儲能。

電網電子設備還支持微電網——可以像發電機一樣獨立運行或與電網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，以增加主電網功率或增強停電期間的彈性，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揮作用。將這些控制器與AI驅動的智能系統集成可以實現功率平衡的自動化，以實現最佳效率，適應需求變化或高峰期?？刂破鬟€可以通過電源間歇性適應電壓波動，并在應用中對其進行校正。

車輛到電網(V2G)

廣泛采用綠色能源的一個重大挑戰是無法獲得。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。考慮到這一點，電動汽車的普及可能會解決接入問題，因為它們可以充當移動電池或在車輛和電網之間創建雙向路徑。這對于未連接到電網的偏遠地區特別有利，使這些地區能夠在儲存過多能量的情況下產生電力彈性。此應用程序還可以改進電動VIII卡車的商業案例，同時減少現有電網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。

結論

許多綠色能源創新針對自然能源的主要挑戰：間歇性和低效率。本文的主要主題涉及權力下放、將電力部署轉變為經過深思熟慮的最終交付方案，以及利用自然、可再生能源的現有特性來提高其社會使用效率。這些發明如何與現有電網相結合，將決定綠色能源普及的速度和有效性。