基于LabVIEW的綠色離網(wǎng)的能源解決方案
Diverse Energy公司的PowerCube運(yùn)用燃料電池技術(shù)，能夠?qū)⒐I(yè)用氣轉(zhuǎn)化為電能，且沒有任何碳排放，已經(jīng)逐步了取代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)。
"Labview的圖形化編程環(huán)境能夠加速開發(fā)和部署過程。如果我們使用的是文本語言編程來面對(duì)同樣的編程挑戰(zhàn)，我們無論如何也無法達(dá)到現(xiàn)在的開發(fā)程度。"
- Dr. Mike Rendall, Diverse Energy Ltd
挑戰(zhàn):
開發(fā)一個(gè)綠色離網(wǎng)的能源解決方案，為非洲偏遠(yuǎn)地區(qū)的手機(jī)基站提供電力供應(yīng)。
解決方案:
使用NI
介紹
根據(jù)聯(lián)合國(guó)報(bào)告顯示，2003年到2008年間，非洲地區(qū)的手機(jī)使用率增長(zhǎng)超過500%，并還將以指數(shù)方式繼續(xù)增長(zhǎng)。由此，手機(jī)業(yè)已成為全球第二大洲非洲的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。
然而，在沒有足夠信號(hào)覆蓋的地方，手機(jī)就幾乎完全失去了功能。如果需要使手機(jī)信號(hào)覆蓋一個(gè)區(qū)域，你需要一個(gè)基站，這也意味著需要具備一定規(guī)模并且穩(wěn)定的電力供應(yīng)。一個(gè)基站能覆蓋的地理區(qū)域是非常有限的，對(duì)于一個(gè)城市來說就需要一個(gè)分布式的基站網(wǎng)絡(luò)來提供足夠的信號(hào)覆蓋區(qū)域，也就是需要一個(gè)分布式且易于維護(hù)的電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。非洲現(xiàn)有的電網(wǎng)既不是分布式的，也不穩(wěn)定，偏遠(yuǎn)地區(qū)的情況則更糟。在僅有的幾個(gè)被電網(wǎng)覆蓋的地區(qū)，一天也只能提供短短幾個(gè)小時(shí)電力供應(yīng)，而且并不十分穩(wěn)定。
曾有建議使用柴油發(fā)電機(jī)來解決這個(gè)問題，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一個(gè)理想的方案。柴油發(fā)電機(jī)的噪聲很大，并且在不完全運(yùn)行時(shí)效率非常低。它們還每300小時(shí)就需要進(jìn)行常規(guī)換油維護(hù)，以保證其運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)轉(zhuǎn)。除此之外，它們還會(huì)將煤灰和硫磺微粒排放到大氣中，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生惡劣的影響。還有另一個(gè)問題是，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和它所使用的燃料都可以用來轉(zhuǎn)售，所以很容易成為偷竊目標(biāo)，尤其是在一些偏遠(yuǎn)或無人看管的地區(qū)。
Diverse Energy公司使用燃料電池技術(shù)來解決這個(gè)問題，利用工業(yè)用氣轉(zhuǎn)換成電能，杜絕任何碳排放。目前使用比較多的工業(yè)用氣是氨氣，它在制冷和藥物行業(yè)中被廣泛使用。此外，氨氣也還被大量應(yīng)用在農(nóng)業(yè)化肥領(lǐng)域。為了使氨氣轉(zhuǎn)化為電能，首先需要將散裝的氨氣集中在一起，將氨氣分解成氫氣和氮?dú)?，然后將氫氣從混合氣體中分離出來，再將純凈的氫氣輸入到燃料電池中，從而產(chǎn)生電能和水。在Diverse Energy公司的PowerCube系統(tǒng)中，NI CompactRIO將監(jiān)控整個(gè)轉(zhuǎn)換過程。
分解物同樣有益
PowerCube系統(tǒng)不僅不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何污染，而且會(huì)產(chǎn)生有益的分解物。PowerCube系統(tǒng)主要的分解物是干凈的去離子水，一個(gè)PowerCube一天能產(chǎn)生50升水，這可以為一些缺乏干凈、清潔水源的地區(qū)提供巨大的資源。
對(duì)一些小型公司來說，迅速地展開市場(chǎng)推廣是其營(yíng)銷模式中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。如果在推廣過程中花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間，必將錯(cuò)過一些黃金機(jī)會(huì)。而LabVIEW的圖形化編程環(huán)境能夠加速開發(fā)和部署的過程，如果我們使用的是文本語言編程來面對(duì)同樣的編程挑戰(zhàn)我們無論如何也無法達(dá)到現(xiàn)在的開發(fā)程度。工程師和科學(xué)家使用LabVIEW，可以根據(jù)分析測(cè)試操作模式的不同，快速修改代碼。傳統(tǒng)的編程模式需要很多編程專家來支持開發(fā)團(tuán)隊(duì)，從而增加了人力成本和經(jīng)濟(jì)成本。
我們起初使用NI Compact FieldPoint開發(fā)了“PowerCube 1號(hào)”，但當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)CompactRIO可以提供更快的處理速度，并且能夠更好地支持全球控制和通訊時(shí)，我們決定更換平臺(tái)。CompactRIO平臺(tái)還在機(jī)箱背板的位置集成了一塊現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，我們使用LabVIEW圖形化界面對(duì)FPGA編程，提高了標(biāo)準(zhǔn)I/O的功能，包括自定義PWM和正弦信號(hào)輸出。通過將這些功能嵌入到FPGA中，我們減少了控制器的處理負(fù)擔(dān)，進(jìn)而可以讓控制器完成其他的一些任務(wù)。這樣也能夠減少自定義硬件的數(shù)量，對(duì)于降低系統(tǒng)成本和減少搭建時(shí)間有著顯著的幫助。
基于LabVIEW的可擴(kuò)展特性，當(dāng)我們把硬件平臺(tái)從Compact FieldPoint更換成CompactRIO時(shí)，80%的代碼都能夠被重復(fù)利用，這為我們節(jié)省了大量的開發(fā)時(shí)間和成本。我們花費(fèi)了8個(gè)月的時(shí)間來開發(fā)和測(cè)試“PowerCube 1號(hào)”，但只用了兩周時(shí)間就把它遷移到了CompctRIO平臺(tái)上，其中還包括重寫了一個(gè)定制的FPGA圖像。
我們不再使用Compact FieldPoint系統(tǒng)來采集粉塵，而是讓它去控制三個(gè)獨(dú)立的測(cè)試站來測(cè)試燃料電池模塊。我們將Compact FieldPoint與一個(gè)數(shù)據(jù)庫對(duì)接，這樣一旦有任何針對(duì)PowerCube部署的代碼修改，都會(huì)由測(cè)試站在下一次運(yùn)行中更新。以這樣的方式在燃料電池上進(jìn)行的測(cè)試，與最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形成息息相關(guān)，同樣也能最大程度降低編程的時(shí)間和投入。
展望未來
我們現(xiàn)在在非洲投放了五個(gè)PowerCube，現(xiàn)在還準(zhǔn)備將另外五個(gè)運(yùn)往英國(guó)投放。LabVIEW和CompactRIO平臺(tái)非常適合用于開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，它們有一個(gè)很大的好處是，在開發(fā)新系統(tǒng)時(shí)，能夠便捷地監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且快速地應(yīng)用修改的代碼。
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