推动绿色能源系统发展的主要趋势

储能系统

2015年巴黎气候变化大会（COP21）是全球迈向实现气候变化目标的重要一步。大会上各国做出对《巴黎协定》的承诺，即，各国承诺到2100年将全球平均气温上升幅度控制在2°C以内（目标为1.5°C）。与会各国为实现上述承诺把在2050年前实现世界气候中和作为了目标。

对全球经济利好的一面是，绿色（或可再生）能源不仅可以极大地解决气候变化问题，同时还可以创造预计到2030年达到2万亿美元的市场机遇。本文将介绍绿色能源行业的现状与新技术的发展。

可再生能源已然成为全球发电能源的重要组成部分。水力发电占据大半壁江山，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1中可以看出近几年风力发电和太阳能发电正在逼近水力发电。

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) 创作的《Energy》。在线发布于：OurWorldInData.org。检索位置：“https://ourworldindata.org/energy”）

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太阳能

太阳能和光伏（PV）发电已有了重大创新，但具体实施仍然遇到一些阻碍，其中包括：

部署电力基础设施的土地

设备与安装成本

逆变器和功率转换设备

集成到电网的技术

在用户房顶或农业土地上安装大面积太阳能电池板的美学设计

鉴于提高太阳能比例的重要性，再加上兑现《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年后强制新建的房屋上安装太阳能电池板。

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太阳能电池与集成光伏

太阳能的两大主要缺陷是不稳定性和低效率。一般来讲，从大自然取得电能要比通过能源深加工取得电能效率要低、可靠性要差。例如，尽管单一材料的理论最高效率约为30%，但商用太阳能电池板的效率也仅为15–20%。这些限制主要受能源转换损耗以及太阳光到达电池板表面之前自身耗散的影响。

工程师们正在尽一切可能集成光伏技术，以期提高这个低效过程的总功率输出。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尽量在这种位置多安装太阳能电池板以获得最大效率。此外，太阳能电池板阵列的大占地面积还可提供附加优势，如利用太阳能阵列结构遮蔽停车场，或美化楼下居民看不到其平顶轮廓线的高楼大厦。

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海上太阳能

由于空间是太阳能的一个重要考量因素，因此在海面上部署太阳能系统成为了另一个新兴趋势。地球上的大面积开放水域为“海上漂浮式光伏”（也称“漂浮式光伏电站”）提供了天然优势，例如用液冷的方式汇集海水，通过水反射太阳光将能量加到电池板。而且，液冷系统比空气冷却系统具有更高的热传导效率，可以用更小的组件尺寸生成同等的能量。

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农业用太阳能

与漂浮式光伏电站一样，农业光伏（也称农光互补）发电也需要大面积安装光伏板，本文中，是在农田上安装太阳能电池板，与农作物种植融为一体。这种做法还可为尚未连接到电网的地区提供远程弹性供电，或者可以为农业扩大电网供电。在土地上部署发电设施有益于农耕，电池板还可降低土壤温度、减少蒸发，从而提高农田产量。

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聚光太阳能热发电

解决太阳能天然低效还有另一种方法，即利用聚光太阳能热发电（CSP）反射镜或透镜将可再生能量收集到小面积板上，然后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，CSP的支持因素还包括进入高压输电线路的权限、充足的土地面积，以及高质量的日照（如在美国西南部）。

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光伏材料的创新

商用单一材料的光伏转换效率非常低，大约为20%。但是在材料方面已经取得了重大进步，打破了这一限制。例如，减少光伏电池的材料厚度可增加材料柔性、降低成本，而用料更少还提高了可持续性。此外，光伏材料更薄可降低沿材料厚度的传导损耗（加热更厚的材料），从而提高能源转换效率。

光伏材料的另一个进步是采用基于铋（Bi）的材料和涂层来突破大约30%的理论限值。目前比较领先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%，从而增加了可用能量。虽然钙钛矿的长期耐用性依然有争议，但在太阳能电池的生命周期内还是可以提高能源转换效率。其他薄膜和涂层，类似于CSP，通过捕获和重定向光束将效率提高了5–10%。

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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装置目前比建设煤炭或天然气装置更加经济，但与可再生能源相比，石油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暴增，而且，每单位（kWh）风能和太阳能发电成本也在下降，有时甚至比每kWh石油燃料的成本还要低。因此，与石油燃料发电相比，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，充分利用了水的分布优势。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，许多风能创新也利用了海洋资源的优势。

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本地涡轮机总成与结构

风力涡轮发电机的巨大体量使得运输整个装置困难重重，令物流中心头疼无比。因此，工程师们设计的涡轮机采用现场拼装或分件运输。这种方法简化了涡轮机的运输，同时也减少了独特部件的数量。另外还增加了其余部件的生产数量，通过规模经济提升涡轮发电机的经济性。

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叶片空气动力学和数字建模

为提高风力发电的效率，工程师们重点关注叶片设计。例如，工程师利用3D数字建模或计算机辅助工程法（也称为计算流体动力学，CFD），分析静态与动态条件，从而预测最佳设计。

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数字孪生

数字孪生，顾名思义，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，制造商在开始新的实体原型之前，就能够快速进行数字版本的设计更新，从而可以节省大量的时间和成本。

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能量收集

能量收集充分利用属性差来创造发电机会。例如，许多住宅楼储水箱被架高，从而提供稳定的水压。工程师们已经设计出多种方法来利用海洋中的天然热能差、盐分差和潮汐压力差来进行水力发电。

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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甚远。海水温差发电（OETC）设备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，能源效率和输出越高。同样，渗透和潮汐波压差也可产生能量，因为初始状态会寻求与较低能量状态之间的平衡。

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储能与并网

人类在绿色能源的储能方面正在做出重大创新。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公司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）、钠离子、固态等技术旨在提升功率密度、充电/放电速度以及安全性。

电池化学的进步对电气化解决方案的长寿命至关重要。不过，随着工程师们开发电池产品并将其应用到更广泛的领域，确保其安全性也变得同等重要。这一目标对于易受热逃逸影响的锂离子电池而言尤为重要。

产品聚焦：

Analog Devices LTC6811多节电池监控器

Analog Devices已开发出能解决电池监控问题的强大系统，可用于符合ISO 26262标准的系统：LTC6811 12通道多节电池监控器（图2）可测量多达12节串联电池，最大测量误差为1.2毫伏。LTC6811的电池测量范围为0V至5V，测量误差为1%甚至更低，测量所有系统电池只需290µs。此外，LTC6811采用isoSPI接口进行高速远距离通信，其主机处理器不易受到射频干扰的影响。

图2：Analog Devices LTC6811 12通道多节电池监控器。（图源：贸泽电子）

在每节电池内，监控器采用被动平衡和PWM占空比控制，用于功率调节和延长电池使用寿命。该器件可从电池本身或外部电源供电，还采用了具有可编程三阶噪声滤波器的16位Σ­-Δ模数转换器（ADC）。该特性非常重要，因为噪声是电气系统的关键指标之一。

LTC6811在多种电池化学和系统中的应用广泛、可靠，因此非常适合用于电池电动汽车（BEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、电网储能、电池备份系统、大功率便携式设备，等等。此外，当解决方案使用指定负载的电池时，LTC6811监控器能够测量其性能，在性能指标下降时发出警示，并帮助预测即将发生的故障。

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，该技术还提供替代能源形式的分布式储能。

电网电子系统还支持微电网 — 可独立运行（如发电机），或并入电网的本地电源集合。这些布局为所有可再生能源提供累加效应，从而提升主电网电力或增强断电期间的供电弹性，最终提高电力利用效率。因此，类似于LTC6811的电池监控器对远程微电网无法接入主电网时确保性能稳定至关重要。

微控制器

操作人员可利用微控制器控制可再生能源的分布。在AI驱动的智能系统中集成这些控制器可自动实现电力平衡，从而提供最佳效率，按需适应各种变化或峰值需求。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）

电气化运动带来的最重要转变之一就是工程师如何看待能源，他们越来越多地将其视为按需要来回流动的液体。不过，绿色能源大规模推广面临的重大挑战是难以获取或其本身匮乏，即便成本持平也无济于事。

针对这种现象，电动汽车的普及或许可以解决能源获取问题，因为它们可用作移动的电池，或者在车辆与电网之间实现双向充电。这对无法接入电网的偏远地区特别有益，这些区域如能获得额外存储的电能，就可以实现供电弹性。这还可以提高VIII级（公路、重载）卡车的商业应用，同时降低现有电网的电力需求和不稳定性。因此，V2G将成为重要的绿色能源助推器。

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结语

在绿色能源所有进步和趋势的加持下，采用绿色能源的主要障碍依然是不稳定性和低效率。为克服这些障碍，最新研究利用去中心化的优势，增加了中间存储机制，将电力部署转移到最后阶段。作为补充，工程师们利用天然能源的现有特性进一步提高其使用效率。

这些发明如何并入现有电网将决定广泛采用绿色能源的速度和效率。

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