城市的发展需要更可靠、更智能、更环保的能源基础设施，因为它们是推动国民经济、创造力、文化和可能性的引擎。然而，随着越来越多的人迁移到城市，许多城市面临着公共事业和服务方面的问题，例如住房、水、废水、能源和交通运输等。拥堵、污染和经济适用房是世界许多地方的主要问题。另一方面，城市正在迎头赶上。许多人都致力于实现《巴黎协定》在2050年前实现气候中和的目标。为了实现这一目标，他们必须大幅减少温室气体排放。他们还需要有强大的电力基础设施，能够可靠地提供大量可再生能源。
为了减缓和消除气候变化，我们必须将有害排放量削减至零。为了实现这一目标，我们必须改造我们的能源系统，以生产完全可持续、可再生的能源。我们还需要有更可持续和更可靠的电力系统，即能够以最有效和最有弹性的方式混合各种可再生能源。
我们都需要感觉自己在应对气候变化方面有所作为，而节能则是首要措施之一。对政府和国家来说，实施逐步从化石燃料转向可再生能源的计划是不够的。
2022年对于绿色增长和减缓气候变化至关重要。来年，从化石燃料到可再生能源的转变将会加剧，对面向下一代电力解决方案的长寿命储能系统和先进半导体生态系统的需求巨大。现在是时候采用包括风能、太阳能和水力发电等在内的可再生能源产生的碳中和能源取代化石燃料了，这将有助于对抗全球变暖。未来几年对于地球的生存至关重要。现在向绿色能源的转变比以往任何时候都更为重要。由于科技的发展，我们拥有接受可再生能源的所有工具，但问题是我们将如何利用这些工具。我们生活在一个解决这些问题很重要的年代。第一步是要承认这是必不可少的，这样做是正确的做法，我们会做出回应。这涉及到考虑和分发有关我们气候任务影响的信息。我们将不得不做出什么样的妥协？从长远来看，它们的生存能力如何？
低碳和零碳交通是任何城市实现碳中和战略的关键。也就是说，我们越来越需要从内燃机汽车过渡到电动汽车(EV)，包括汽车和公共汽车，以及电动有轨电车和火车。交通是任何城市取得成功的关键部分。电动汽车体现了许多智慧城市的愿景：以零排放能源运行的智能汽车、卡车、公共汽车和火车——所有这些都是可持续的、绿色的和开源的。“到2030年，预计将有超过1亿辆电动汽车上路，同时，未来10年预计城市公交活动将增加50%。尤其是城市公共汽车，其排放的二氧化碳将占交通部门排放总量的四分之一。显然，由可再生能源驱动的电动汽车和公共汽车，是使城市空气变清洁的必要条件。”日立ABB电网公司电网集成业务部门的产品管理和战略主管André Burdet表示。
据估计，为这些电动汽车供电需要500TWh以上的电力，这样就可能减少二氧化碳排放。即便如此，预计电动汽车将需要使用全球约10%的能源，因此也就需要使用面向高效能源管理的新智能系统。也就是说，自适应、数字化的电网基础设施，可以容纳大量可再生能源并将其可靠地提供给广大消费者。“应对这些挑战，需要经验丰富的、从技术提供商、能源供应商和车辆制造商到交通运营商和城市规划者等利益相关者之间强有力的合作。”Burdet表示。智能电网应该能够平衡更大的供需变化，同时仍能支持包括电动汽车在内的所有形式的储能系统。
智能移动解决方案使运营商能够有效扩大其运营规模，并有望为生活在城市地区的数百万人的可持续社会做出贡献，从而加速智能移动的未来。日立ABB电网公司在2020年年中推出了面向公共交通和商用车队的“电网即插即用”电动汽车充电系统，作为其对城市交通电气化承诺的一部分，该公司将其视为一种颠覆性技术。这款被称为Grid-eMotion Fleet的产品是一种一体化的解决方案，可连接到任何类型的电力网络(交流、直流、低压或中压)以及任何类型的充电器，从而为电动车队提供可操作性(图1)。据Burdet所说，它包括一个集装箱化的大功率充电系统和变电站，以及能源管理和车队管理技术，所有这些都包含在一个小空间内，从而可以快速在仓库部署。Grid-eMotion Fleet经过适当设计，可提供与公用电网连接的灵活性，并确保符合电能质量要求。充电器可提供50至600kW功率，并组合在机柜中，便于维护。充电点的设计目的是要确保与当前和未来通过插头或受电弓进行直流充电的电动汽车车队实现完全互操作性。
图1：Grid eMotion Fleet。(图片来源：日立ABB电网公司)
开源平台的使用将加速向新技术模式的转变。我们生活在一个“沉浸”在未开发能源中的世界中，尽管我们尽了最大的努力，但我们仍然试图找出如何最大限度地利用它。太阳是唯一完全安全的能源。这颗拥有40亿年历史的恒星可以加热和照亮我们的星球，并控制着地球上所有生物的生命周期，它也是一种无限的能源。必须优先考虑能够促进投资的新商业模式、设计工具和市场监管。只有通过投资研究，才有可能持续降低能源成本，提高能源系统的性能，并投资集成可再生能源的系统。创新也必须发挥作用：揭示和开发有助于我们在合理时间内摆脱煤炭的新技术至关重要。希望我们能继续投资新的可再生技术，这将为我们带来更加可持续的未来。
在所有这些方面，“开源”这个术语表明了对共享知识的承诺，从而鼓励自由再分配和获取解决方案的设计和实施。开源是加速技术模式的变化，实现100%绿色能源转型所需考虑的重要问题之一。开源能源系统的目标是通过降低开发费用和简化系统连接来降低总体成本。系统集成商可以通过可扩展的模块化即插即用解决方案以更快的方式向市场交付产品。在理想情况下，解决方案的实施速度将更快、更灵活，可以适应不断变化的商业模式。
通过真正协作的开源计划来发展和支持可再生能源是LF Energy的目标——LF Energy是Linux基金会的一项非盈利、供应商中立的计划，其行动计划是通过开放框架、参考架构和互补项目的支持生态系统实现全球电气系统的现代化。“我们的使命是通过托管、构建、促进和启用分布式计算模式来加速能源转型，因为它与分布式能源有关。这就是从控制基础设施到新市场基础、微交易、边缘设备的一切。”LF Energy执行董事Shuli Goodman表示。能量是由包括人类在内的整个宇宙产生的，这取决于我们如何通过能量采集技术来采集它。最好的开源能源系统不会对环境造成负面影响，而且设备维护和运营费用非常便宜。
特别是在农村地区，获得能源可以支持经济发展、当地企业和就业机会的创造、卫生服务、教育、妇女赋权、环境保护、减缓气候变化、食物保护和清洁用水。有三种不同的策略——电网扩展、微电网和太阳能家庭系统——有助于实现这一目标，每种策略都有它适用的特定领域。微电网是充分利用数字计量(智能电表)和智能技术(智能电网、智慧社区和智慧城市)的电力系统(图2)。需要考虑的基本要素是：
图2：微电网智能电源解决方案。(图片来源：ABB)
从集中位置控制网络与从分散位置控制网络有很大区别。“想象一下控制一个双控开关(也即只有开和关两种状态的开关)和管理互联网之类的东西之间的差别——在互联网上必须不断移动负载和资源以适应需求模式。”Goodman解释说。微电网可以连接到电网并与之同步工作，但它们也可以分离并独立运行，这取决于物理和经济因素。由于新兴的基于人工智能的技术，所有这一切都可能得到鼓励和控制，从而使最可持续的微电网和传统电网的集成变得更加易于管理和高效。
电动汽车是能源革命的关键驱动力，预计这将促进对可再生能源发电的需求。因此，对电力系统灵活性的需求正在快速增加。随着智能电网和可再生能源的普及，在该领域，储能将变得越来越重要。随着储能价格的下降，许多技术将在备份和时移应用中找到一席之地。因为地球的资源是有限的，我们都必须通过生活在一个相互联系的世界中做出贡献。我们必须齐心协力，加入并参与进来。科技、自然和社会都需要交织在一起。所有这些都需要创新，而创新则是一种学习把事情做得比之前更好的能力。因此，任何改进，无论多么微小，都被认为是一项发明。改变我们的运作方式是创新的一个很好的典范。创新需要每个人的共同参与。如果你能创新，你就可以去解决一个问题，面对它，然后修复它，不管五年后出现什么问题，我们都能做到这一点，并为未来的气候变化挑战做好准备。
（原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb，参考链接：Green Energy and Smart Cities，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2022年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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