清洁技术中的发展与创新

可持续技术

2024年11月，联合国气候变化大会（COP29）发布了《COP29绿色数字行动宣言》，其前三大目标是“……利用数字技术和工具开展气候行动……建设具有韧性的数字基础设施……［以及］减轻数字化对气候的影响。”此次大会及其宣言强调了全球对清洁技术日益增长的投入。清洁技术旨在减轻或扭转人类活动对环境的影响。

随着全球社会持续扩大现有技术和新技术的应用，打造创新解决方案以减轻这些技术对环境和人类的影响正变得尤为重要。本文将概述贸泽此前探索过的可持续技术，并阐述其中的每一项对清洁技术总体目标的重要性。

Part 1储能

太阳能、风能和水力发电等可再生能源在清洁技术领域发挥着重要作用。到2022年，可再生能源发电总量已超过8,500TWh，较2021年增加600TWh（近8%）。要将更多可再生能源并入电网，就需要在储能系统和备用电源领域加以创新。

传统的机械式储能系统（ESS），如抽水蓄能和飞轮储能，都是有效且简单的方案，但却受制于成本和效率限制。诸如熔盐系统等热储能解决方案在储热方面具备优势，并且随着技术进步，正逐渐成为可行方案。至于氢储能技术，由于电解材料的改进降低了对昂贵组件的需求，因而也越来越接近广泛应用，其发展势头也愈发强劲。

与此同时，电池储能技术也在迅速发展。虽然锂离子电池一直广受青睐，但因热失控引发的安全担忧正促使这方面的研发转向新型拓扑结构。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。

Part 2能源基础设施

对可再生能源的日益重视，也对电网的发展产生了重大影响。传统电网初时设计为单向电力传输，往往效率低下、缺乏灵活性，并且难以整合可再生能源。

采用数字技术、传感器和软件的智能电网能够更好地匹配实时电力供需，同时尽可能降低成本并保持稳定性和可靠性。先进传感器、双向通信和实时数据分析有助于优化能源使用、整合可再生能源并提升电网韧性。

智能电网非常显著的特征是分布式能源资源（DER）构成的生态系统。智能电网基础设施必须考虑到将众多小型、分散的能源来源整合到电网中的场景。这些DER可实现本地化的能源生产和存储，并且通常通过微电网进行管理，以支持可再生能源的采用并增强电网韧性。

微电网是将不断增长的能源生产向提升能源安全性的方向引导的一种巧妙解决方案。微电网作为本地化、自给自足的系统，可确保能源在更靠近消费地点的位置进行生产、存储和分配。

规模更大的母智能电网必须与微电网建立通信，以确保电网的可靠性和效率。高级计量基础设施（AMI）系统可提供双向通信，以实现实时能源管理、精准的需求预测和自适应的电力流动调整。物联网（IoT）、5G和人工智能（AI）等工业4.0元素也正在融入电网，以构建能源互联网（IoE）。

Part 3智能交通

与电网类似，车辆也已实现数字化。现代车辆配备了传感器、软件和互联功能，能够与其他车辆、基础设施甚至电网进行通信。这种车联网（V2X）通信的集成，为提升车辆性能、安全性和效率奠定了基础，同时还能够支持自动驾驶和能源管理等新兴技术。

随着车辆与智能电网的融合，它们不再仅仅是能源消费者，而是成为能源生态系统的积极参与者，为提升电网稳定性和能源效率做出贡献，并支持未来的可持续发展。

Part 4空气与环境

随着气候变化问题日益突出，空气质量已成为大家关注的焦点。我们都知道空气污染物会导致长期环境影响，但室内空气质量（IAQ）的问题往往更为紧迫，因为不良的室内空气状况可能导致严重的健康问题。室内空气质量可能比室外空气质量差两到五倍，因而改善IAQ至关重要，尤其是在人们长时间停留的场所，如办公室、住宅和学校。

传感器技术的进步使IAQ监测变得更加便捷且经济高效。如今，空气质量传感器比以往体积更小、精度更高，而且物联网和AI也正在提升传感器的数据驱动精度。此外，无线传感器也日益流行，因其灵活性而备受青睐，尤其是在现有建筑的改造中。选择合适的传感器并平衡成本、性能和能效，对于提供有意义且可操作的数据至关重要。

IAQ的直接目标是提供可操作的深度认知。例如，传感器可以帮助识别挥发性有机化合物（VOC）、灰尘或霉菌等污染物的来源，并提示采取简单的应对措施（如重新布置设备或改善通风），而不是进行昂贵的全面改造。

在这个领域中，清洁技术的创新具有更广泛的意义。将先进传感器集成到物联网中，可实现空气和水质实时监测与维护。传感器技术的持续发展为自动化环境监测系统奠定了基础，从而提升系统可靠性和精度。

Part 5工业5.0

工业4.0时代，物联网、5G、AI和机器学习（ML）等技术推动了各行各业实现数字化，其带来的效率提升可谓影响深远。而新一代的工业5.0，则旨在充分利用人类专家的创造力，并结合机器的高效、智能和精准，通过人机合作打造资源高效、用户青睐的制造解决方案。

协作机器人（cobot）是这场变革的关键所在。与传统机器人不同，协作机器人与人类并肩工作，提升高生产力并减轻人类的负担，而非取代人类。协作机器人可在监督下自主工作，并将战略和创意决策权交给人类。这种模式可以实现工业4.0缺失的工作流程灵活性。它还可以通过优化生产流程，实现劳动力和材料的高效利用。

制造业灵活性的真正要义，在于能够快速调整生产规模以适应不断变化的消费者需求，从而减少产量过剩和相关的浪费问题。这种“即时生产”模式能够尽可能减少库存过剩，促进可持续发展。

Part 6半导体材料

清洁技术领域的许多进步都源于材料创新。例如，宽禁带（WBG）半导体正在提升众多领域的能源效率，包括汽车、电源管理、可再生能源、工业、通信基础设施以及航空航天和国防等领域。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料在功率转换过程中能够尽可能减少能量损耗，这得益于其高开关频率、低导通损耗、高击穿电压和极小的寄生电容。此外，SiC和GaN的热效率也更高，可以在高压和高温环境下工作，同时发热量远低于硅器件。

WBG半导体及其不断发展的拓扑结构，对当今盛行的高能量密度趋势至关重要。其中，GaN具有更小的物理尺寸以及在更高温度和电压下工作的能力，因而能够实现更高的功率密度。GaN拓扑结构可实现高达40W/in²的功率密度，从而减少电力电子系统中所需的元器件数量。

Part 7未来展望

随着全球对绿色解决方案的推动力度不断加大，人们的关注焦点将逐渐转向清洁技术领域中的其他新兴细分市场。