綠色工程 – 量化問(wèn)題，解決問(wèn)題

概述
       在資源緊張、溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重的今天，能源與環(huán)境一直以來(lái)都是人們目光關(guān)注的焦點(diǎn)，也是全世界共同面臨的有史以來(lái)最嚴(yán)峻的科技與社會(huì)挑戰(zhàn)。各國(guó)政府，包括發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家都紛紛出臺(tái)了相應(yīng)法規(guī)和節(jié)能減排的約束性指標(biāo)，各大主流媒體和廠商也大大提高了對(duì)“綠色”的強(qiáng)調(diào)力度——這些越來(lái)越多的關(guān)注帶來(lái)了新的課題和需求。為了滿(mǎn)足這些新出現(xiàn)的需求，工程師們需要‘量化問(wèn)題’，并進(jìn)而‘解決問(wèn)題’，綠色工程正是通過(guò)創(chuàng)新的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，為工程師們提供了測(cè)量、自動(dòng)化以及設(shè)計(jì)工具，從而構(gòu)建節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的綠色應(yīng)用。

綠色工程 —— 量化問(wèn)題，解決問(wèn)題
        1983年以來(lái)我國(guó)能源加工轉(zhuǎn)換效率一直徘徊在70％左右，導(dǎo)致能源消耗高、環(huán)境污染重。國(guó)家“十一五”規(guī)劃提出了節(jié)能降耗和污染減排目標(biāo)，并作為約束性指標(biāo)。綠色工程的目的就是降低產(chǎn)品的排污量，開(kāi)發(fā)消耗更少能源的設(shè)備，創(chuàng)造可行的再生能源技術(shù)。
        本質(zhì)上進(jìn)行綠色工程與進(jìn)行任何其他類(lèi)型的工程創(chuàng)新并沒(méi)有任何不同。首先，需要測(cè)量所關(guān)心的參數(shù)，例如功率品質(zhì)和功率消耗；車(chē)輛以及工廠的排污量，例如水銀和氮氧化物等；環(huán)境數(shù)據(jù)，包括二氧化碳、溫度以及水質(zhì)。這不僅是一個(gè)數(shù)據(jù)獲取和過(guò)程分析的過(guò)程，也是促使人們改變行為方式的契機(jī)。
“我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于能源和溫室氣體, 一旦你開(kāi)始測(cè)量具體的數(shù)據(jù)，人們就會(huì)減少使用,” “測(cè)量不僅僅是簡(jiǎn)單的任務(wù), 一旦公司有一個(gè)合適的基準(zhǔn)，他們就會(huì)開(kāi)始考慮改變(使用能源的方式)”
- Linda Fisher, the chief sustainability officer at DuPont
- Excerpt from “A Change in Climate”, published in the January 2008 issue of the Economist
       通過(guò)‘量化問(wèn)題’的過(guò)程，工程師們可以從數(shù)萬(wàn)個(gè)可靠測(cè)量系統(tǒng)獲取前所未有的大量可靠精確數(shù)據(jù)，從而在此基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品和過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)建更高效的技術(shù)與流程，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品和技術(shù)以‘解決問(wèn)題’，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)上的利益。
      來(lái)看一個(gè)更為具體的例子。世界最大的鋼鐵公司之一、美國(guó)最大的鋼鐵回收公司Nucor Steel在新近收購(gòu)的小型鋼鐵廠增加了自動(dòng)化系統(tǒng)，以便提高效率和安全性。工程師使用LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)軟件和NI硬件開(kāi)發(fā)了天平與稱(chēng)重系統(tǒng)，測(cè)量鋼鐵的精確重量，以得出電力加熱爐鑄鐵所需能量的精確值。在開(kāi)發(fā)此系統(tǒng)之前，鋼鐵在每個(gè)熔爐的重量是估計(jì)得到的，時(shí)常產(chǎn)生偏差導(dǎo)致過(guò)度加熱鋼鐵，不僅在過(guò)程中浪費(fèi)了電力，還導(dǎo)致新鑄鋼鐵質(zhì)量不合格，且不合格鋼鐵的重鑄還需要消耗大量能量、花費(fèi)大量資金。這是一個(gè)典型的‘量化問(wèn)題’‘解決問(wèn)題’的綠色案例，借助此稱(chēng)重系統(tǒng)，Nucor將需要重鑄鋼材總批次數(shù)從6000多(2006年)減少到僅10個(gè)批次(2007年)。不僅極大的降低了電力消耗從而節(jié)約生產(chǎn)成本，也為環(huán)境治理做出了不小的貢獻(xiàn)。
綠色工程技術(shù)
       幾十年以來(lái)，科學(xué)家和工程師一直為世界上一些共同的挑戰(zhàn)而不斷創(chuàng)新，尋求可能的解決方案。回顧近30年來(lái)的發(fā)展，如圖1所示，在很多深受關(guān)注的領(lǐng)域都取得了巨大的突破和進(jìn)展，2004年開(kāi)始越來(lái)越多的學(xué)者們把注意力放在了和環(huán)境相關(guān)的課題上，包括開(kāi)發(fā)新的清潔能源利用方式、提高現(xiàn)有產(chǎn)品的能源效率、以及環(huán)境和氣候變化的研究。
 
     這些綠色工程相關(guān)的課題所需要的技術(shù)及其廣泛，從測(cè)試測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化控制到嵌入式系統(tǒng)。比如前文提到的Nucor Steel綠色案例就涉及到如下一些重要技術(shù)：
• 用于測(cè)量和解決問(wèn)題的圖形化軟件
• 高速及高分辨率測(cè)量技術(shù)
• 領(lǐng)域?qū)Ｓ玫姆治龊吞幚砗瘮?shù)庫(kù)
• 用于高級(jí)控制的FPGA

       上述技術(shù)中的一部分是隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的——半導(dǎo)體的發(fā)展為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的功能帶來(lái)了重大改進(jìn)，相應(yīng)的也為高速及高分辨率測(cè)量技術(shù)帶來(lái)了新的發(fā)展。其他的一些技術(shù)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但是通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)和工程工具進(jìn)行改進(jìn)，領(lǐng)域?qū)＜乙材軌虮容^方便的直接使用這些技術(shù)，而無(wú)需依賴(lài)于相應(yīng)的技術(shù)人員。這種方式將必須的技術(shù)直接交給了最接近問(wèn)題本身的人們，因此相比過(guò)去，他們能夠更成功地開(kāi)發(fā)各種解決方案。
通過(guò)NI圖形化平臺(tái)構(gòu)建綠色應(yīng)用及客戶(hù)案例分析
綠色工程的應(yīng)用涵蓋幾乎各個(gè)行業(yè)，盡管對(duì)這些綠色工程的應(yīng)用有許多分類(lèi)方法，大部分應(yīng)用可以歸入以下五個(gè)類(lèi)別：
1、可再生能源發(fā)電
2、功率品質(zhì)
3、環(huán)境監(jiān)測(cè)
4、機(jī)器與過(guò)程優(yōu)化
5、綠色產(chǎn)品與技術(shù)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試
下面的例子展示了綠色工程在可再生能源發(fā)電以及環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

可再生能源發(fā)電
       可再生能源發(fā)電涵蓋了很多方面技術(shù)，包括風(fēng)能、太陽(yáng)能（光伏發(fā)電與熱能發(fā)電）、生物燃料、水能、潮汐能、地?zé)嵘踔吝€包括高能物理。在環(huán)境適應(yīng)目標(biāo)和不斷加強(qiáng)的政府法規(guī)的驅(qū)使下，這些領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)在全世界發(fā)展地很快?，F(xiàn)在，超過(guò)50個(gè)不同政治、地理和經(jīng)濟(jì)條件的國(guó)家都在可再生資源進(jìn)行發(fā)電中設(shè)置了較高的目標(biāo)（見(jiàn)表1）。
 
表1  政府為可再生能源所設(shè)置的目標(biāo)
        風(fēng)力發(fā)電以40%的比率，在全球可再生能源（不包括大型水電）的利用中高居榜首。此外，根據(jù)預(yù)期：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量將繼續(xù)以每年25%至30%的速率遞增。2007年，風(fēng)力發(fā)電總瓦數(shù)已逾90 GW。風(fēng)電機(jī)組的各項(xiàng)開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用十分復(fù)雜，涉及結(jié)構(gòu)分析、機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控、電能質(zhì)量與性能監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、汽輪機(jī)控制、測(cè)功機(jī)和性能測(cè)試等各個(gè)領(lǐng)域。其中最大的挑戰(zhàn)之一是開(kāi)發(fā)精確的控制系統(tǒng)降低強(qiáng)風(fēng)對(duì)風(fēng)電機(jī)產(chǎn)生的破壞。工程師必須利用復(fù)雜的算法控制來(lái)控制風(fēng)電機(jī), 當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí),能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最佳利用, 當(dāng)風(fēng)速在大于額定風(fēng)速時(shí), 能通過(guò)調(diào)節(jié)葉片的漿距角來(lái)使系統(tǒng)維持在恒定的轉(zhuǎn)速。NI LabVIEW實(shí)時(shí)軟件以及PXI硬件是對(duì)這些算法進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)、測(cè)試其可靠性以及驗(yàn)證其性能的關(guān)鍵組件。此外，為了滿(mǎn)足更大發(fā)電量的需求，需要安裝更大尺寸高達(dá)350英尺的葉片, 風(fēng)電工程師必須根據(jù)結(jié)構(gòu)和空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)葉片進(jìn)行更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)。
      太陽(yáng)能制造商希望降低太陽(yáng)能電池的材料成本并且提高其工作效率。他們需要更簡(jiǎn)單、更快捷的方法對(duì)設(shè)備光伏輸出性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)半導(dǎo)體封裝過(guò)程進(jìn)行細(xì)致和精確的控制，以及對(duì)太陽(yáng)能電池陣列并網(wǎng)進(jìn)行精確的功率品質(zhì)測(cè)量。
風(fēng)能和太陽(yáng)能應(yīng)用的要求雖然并不能代表所有應(yīng)用的需求，但是它們能夠大致反應(yīng)出所有開(kāi)發(fā)可再生能源應(yīng)用的工程師為了尋求測(cè)量和設(shè)計(jì)下一代技術(shù)更好方法的需求。
環(huán)境監(jiān)測(cè)
      聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）2007年的評(píng)估報(bào)告聲明隨著全球氣溫與海洋溫度的上升趨勢(shì)，大面積冰雪的熔化擴(kuò)散以及海洋水位的上升等證據(jù)的出現(xiàn)，全球變暖是十分明顯的。通常認(rèn)為在氣候變暖中的一個(gè)主要因素是大氣中溫室氣體的增加。
      控制和降低溫室氣體排放的措施在不斷實(shí)施中。1997年，京都協(xié)定書(shū)指定了在2012年之前將溫室氣體（GHG）排放減少到低于1990年水準(zhǔn)的藍(lán)圖。
      精確跟蹤并監(jiān)督GHG的實(shí)際排放是京都協(xié)定書(shū)的核心，如果不可能直接測(cè)量實(shí)際GHG排放，使用基于活動(dòng)的功率消耗來(lái)替代測(cè)量和計(jì)算也是很有效的方法。不管在哪種情況中，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可用性和可靠性都隨著越來(lái)越多制度的實(shí)施和經(jīng)濟(jì)影響的產(chǎn)生而變得越來(lái)越重要。
 
圖2：二氧化碳、甲烷、一氧化二碳是京都協(xié)定書(shū)中六種溫室氣體的三種，并且被IPCC確認(rèn)為需要控制和減少的對(duì)象氣體

理解氣候和碳
      隨著政府和工業(yè)界在努力減少GHG的排放，科學(xué)界也在不斷努力以求更完全地理解世界氣候、碳交換機(jī)理、生態(tài)互動(dòng)以及全球變暖的影響，并對(duì)它們進(jìn)行建模。像這些復(fù)雜、混沌的系統(tǒng)需要十分精細(xì)的模型和仿真、大量超級(jí)計(jì)算機(jī)資源以及盡可能精確的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
       舉例而言，嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感中心（CENS）的研究員正在使用NI CompactRIO硬件平臺(tái)研究多種生態(tài)系統(tǒng)中碳的動(dòng)態(tài)交換過(guò)程。CO2的特性之一是它會(huì)增強(qiáng)溫室效應(yīng)，因?yàn)樗軌蛭占t外（IR）區(qū)域的光線。這種特性可以利用在包含紅外光源、光學(xué)濾波器和紅外探測(cè)器的光譜傳感器上。將濾波器調(diào)節(jié)到被CO2所吸收的紅外線波長(zhǎng)，紅外探測(cè)器輸出就與CO2濃度成比例。研究員能夠方便地將這個(gè)傳感器的模擬輸出連接到例如CompactRIO等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電壓輸入或4至20 mA電流輸入。此外，許多如CO2探測(cè)器等環(huán)境傳感器具有SDI-12串行數(shù)據(jù)接口，利用這個(gè)接口可以把傳感器通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)易適配器連接到CompactRIO上。將CO2濃度的數(shù)據(jù)與氣體流速的測(cè)量結(jié)果結(jié)合在一起，研究員就可以計(jì)算在森林頂蓋之間與其上方實(shí)際CO2的流量。其他CompactRIO系統(tǒng)測(cè)量在土壤表面下多個(gè)位置的CO2濃度和濕度，以便找出CO2的源頭。CompactRIO系統(tǒng)的分組使用了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從而可以同時(shí)采集并記錄來(lái)自多個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)正在研究的區(qū)域進(jìn)行特征提取，將數(shù)據(jù)通過(guò)蜂窩(cell)節(jié)點(diǎn)或無(wú)線鏈路周期性地傳送到中心在線數(shù)據(jù)庫(kù)（見(jiàn)圖3）。
 
圖3：在哥斯達(dá)黎加的熱帶雨林中，CENS研究員使用CompactRIO和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同步采集并記錄來(lái)自多個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并計(jì)算碳交換CompactRIO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是作為原型系統(tǒng)所開(kāi)發(fā)的，用于美國(guó)國(guó)家生態(tài)觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)（NEON），它是由美國(guó)國(guó)家自然基金會(huì)（NSF）所支持的洲際研究平臺(tái)。橫跨大洲的NEON工作站將會(huì)使用此系統(tǒng)測(cè)量在森林、土壤、大氣之間的CO2以及其他氣體的交換，以及植物、土壤、水體的物理、化學(xué)和微生物特性。數(shù)據(jù)將傳送到中央處理中心，并且與世界其他地區(qū)的科學(xué)家進(jìn)行共享。目前，CompactRIO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在哥斯達(dá)黎加的La Selva生物站持續(xù)工作， CompactRIO系統(tǒng)還被發(fā)布在加州的James San Jacinto和Stunt Ranch Santa Monica山脈保護(hù)站中。
總結(jié)
      隨著社會(huì)的環(huán)境和能源挑戰(zhàn)變化越來(lái)越嚴(yán)峻，我們比過(guò)去更加需要具備專(zhuān)業(yè)技能的創(chuàng)新工程師和科學(xué)家對(duì)世界進(jìn)行變革和改進(jìn)。綠色工程利用測(cè)量和控制技術(shù)對(duì)產(chǎn)品、技術(shù)和過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，通過(guò)‘量化問(wèn)題’‘解決問(wèn)題’構(gòu)建綠色應(yīng)用，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)上的利益。