基于LabVIEW的綠色離網的能源解決方案

"Labview的圖形化編程環境能夠加速開發和部署過程。如果我們使用的是文本語言編程來面對同樣的編程挑戰，我們無論如何也無法達到現在的開發程度。"

- Dr. Mike Rendall, Diverse Energy Ltd

挑戰:

開發一個綠色離網的能源解決方案，為非洲偏遠地區的手機基站提供電力供應。

解決方案:

使用NICompactRIO硬件和NILabVIEW軟件來監控氨分解，從而產生直流穩壓電流，且其分解剩余物只是一些干凈的水和氮氣。這個全新的PowerCube系統能為非洲的偏遠地區提供無污染而又穩定的電力供應，由此也使得手機信號的覆蓋變得穩定而又深廣。

介紹

根據聯合國報告顯示，2003年到2008年間，非洲地區的手機使用率增長超過500%，并還將以指數方式繼續增長。由此，手機業已成為全球第二大洲非洲的一個新興產業。

然而，在沒有足夠信號覆蓋的地方，手機就幾乎完全失去了功能。如果需要使手機信號覆蓋一個區域，你需要一個基站，這也意味著需要具備一定規模并且穩定的電力供應。一個基站能覆蓋的地理區域是非常有限的，對于一個城市來說就需要一個分布式的基站網絡來提供足夠的信號覆蓋區域，也就是需要一個分布式且易于維護的電力供應網絡。非洲現有的電網既不是分布式的，也不穩定，偏遠地區的情況則更糟。在僅有的幾個被電網覆蓋的地區，一天也只能提供短短幾個小時電力供應，而且并不十分穩定。

曾有建議使用柴油發電機來解決這個問題，但這遠遠不是一個理想的方案。柴油發電機的噪聲很大，并且在不完全運行時效率非常低。它們還每300小時就需要進行常規換油維護，以保證其運動部件正常運轉。除此之外，它們還會將煤灰和硫磺微粒排放到大氣中，對環境產生惡劣的影響。還有另一個問題是，柴油發動機和它所使用的燃料都可以用來轉售，所以很容易成為偷竊目標，尤其是在一些偏遠或無人看管的地區。

Diverse Energy公司使用燃料電池技術來解決這個問題，利用工業用氣轉換成電能，杜絕任何碳排放。目前使用比較多的工業用氣是氨氣，它在制冷和藥物行業中被廣泛使用。此外，氨氣也還被大量應用在農業化肥領域。為了使氨氣轉化為電能，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氣，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，從而產生電能和水。在Diverse Energy公司的PowerCube系統中，NI CompactRIO將監控整個轉換過程。

分解物同樣有益

PowerCube系統不僅不會對環境產生任何污染，而且會產生有益的分解物。PowerCube系統主要的分解物是干凈的去離子水，一個PowerCube一天能產生50升水，這可以為一些缺乏干凈、清潔水源的地區提供巨大的資源。

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節。如果在推廣過程中花費太長時間，必將錯過一些黃金機會。而LabVIEW的圖形化編程環境能夠加速開發和部署的過程，如果我們使用的是文本語言編程來面對同樣的編程挑戰我們無論如何也無法達到現在的開發程度。工程師和科學家使用LabVIEW，可以根據分析測試操作模式的不同，快速修改代碼。傳統的編程模式需要很多編程專家來支持開發團隊，從而增加了人力成本和經濟成本。

我們起初使用NI Compact FieldPoint開發了“PowerCube 1號”，但當我們發現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平臺還在機箱背板的位置集成了一塊現場可編程門陣列(FPGA)，我們使用LabVIEW圖形化界面對FPGA編程，提高了標準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擔，進而可以讓控制器完成其他的一些任務。這樣也能夠減少自定義硬件的數量，對于降低系統成本和減少搭建時間有著顯著的幫助。

基于LabVIEW的可擴展特性，當我們把硬件平臺從Compact FieldPoint更換成CompactRIO時，80%的代碼都能夠被重復利用，這為我們節省了大量的開發時間和成本。我們花費了8個月的時間來開發和測試“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系統來采集粉塵，而是讓它去控制三個獨立的測試站來測試燃料電池模塊。我們將Compact FieldPoint與一個數據庫對接，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行中更新。以這樣的方式在燃料電池上進行的測試，與最終產品設計的形成息息相關，同樣也能最大程度降低編程的時間和投入。

展望未來

我們現在在非洲投放了五個PowerCube，現在還準備將另外五個運往英國投放。LabVIEW和CompactRIO平臺非常適合用于開發和現場試驗系統，它們有一個很大的好處是，在開發新系統時，能夠便捷地監測實時數據，并且快速地應用修改的代碼。