基于LabVIEW的綠色離網(wǎng)的能源解決方案

"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NICompactRIO硬件和NILabVIEW軟件來監(jiān)控氨分解，從而產(chǎn)生直流穩(wěn)壓電流，且其分解剩余物只是一些干凈的水和氮?dú)狻＿@個全新的PowerCube系統(tǒng)能為非洲的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供無污染而又穩(wěn)定的電力供應(yīng)，由此也使得手機(jī)信號的覆蓋變得穩(wěn)定而又深廣。

介紹

根據(jù)聯(lián)合國報告顯示，2003年到2008年間，非洲地區(qū)的手機(jī)使用率增長超過500%，并還將以指數(shù)方式繼續(xù)增長。由此，手機(jī)業(yè)已成為全球第二大洲非洲的一個新興產(chǎn)業(yè)。

然而，在沒有足夠信號覆蓋的地方，手機(jī)就幾乎完全失去了功能。如果需要使手機(jī)信號覆蓋一個區(qū)域，你需要一個基站，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)。一個基站能覆蓋的地理區(qū)域是非常有限的，對于一個城市來說就需要一個分布式的基站網(wǎng)絡(luò)來提供足夠的信號覆蓋區(qū)域，也就是需要一個分布式且易于維護(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。在僅有的幾個被電網(wǎng)覆蓋的地區(qū)，一天也只能提供短短幾個小時電力供應(yīng)，而且并不十分穩(wěn)定。

曾有建議使用柴油發(fā)電機(jī)來解決這個問題，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一個理想的方案。柴油發(fā)電機(jī)的噪聲很大，并且在不完全運(yùn)行時效率非常低。它們還每300小時就需要進(jìn)行常規(guī)換油維護(hù)，以保證其運(yùn)動部件正常運(yùn)轉(zhuǎn)。除此之外，它們還會將煤灰和硫磺微粒排放到大氣中，對環(huán)境產(chǎn)生惡劣的影響。還有另一個問題是，柴油發(fā)動機(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)猓缓髮錃鈴幕旌蠚怏w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)控整個轉(zhuǎn)換過程。

分解物同樣有益

PowerCube系統(tǒng)不僅不會對環(huán)境產(chǎn)生任何污染，而且會產(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。

對一些小型公司來說，迅速地展開市場推廣是其營銷模式中十分重要的一個環(huán)節(jié)。如果在推廣過程中花費(fèi)太長時間，必將錯過一些黃金機(jī)會。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”，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，我們決定更換平臺。CompactRIO平臺還在機(jī)箱背板的位置集成了一塊現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，我們使用LabVIEW圖形化界面對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，對于降低系統(tǒng)成本和減少搭建時間有著顯著的幫助。

基于LabVIEW的可擴(kuò)展特性，當(dāng)我們把硬件平臺從Compact FieldPoint更換成CompactRIO時，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)時間和成本。我們花費(fèi)了8個月的時間來開發(fā)和測試“PowerCube 1號”，但只用了兩周時間就把它遷移到了CompctRIO平臺上，其中還包括重寫了一個定制的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獨(dú)立的測試站來測試燃料電池模塊。我們將Compact FieldPoint與一個數(shù)據(jù)庫對接，這樣一旦有任何針對PowerCube部署的代碼修改，都會由測試站在下一次運(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間和投入。

展望未來

我們現(xiàn)在在非洲投放了五個PowerCube，現(xiàn)在還準(zhǔn)備將另外五個運(yùn)往英國投放。LabVIEW和CompactRIO平臺非常適合用于開發(fā)和現(xiàn)場試驗(yàn)系統(tǒng)，它們有一個很大的好處是，在開發(fā)新系統(tǒng)時，能夠便捷地監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)，并且快速地應(yīng)用修改的代碼。