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        綠色工程——改善環境和基本面

        發布日期:2017-11-29 18:00  來源:上海恩艾儀器有限公司
        概覽

        在過去的幾年中,各大主要媒體都大大提高了對“綠色”的強調力度。對于全球氣候變化、能源價格飆升以及政府法規等越來越多的關注帶來了新的課題和期待——從消費產品直至企業責任以及可持續計劃。為了滿足這些新出現的需求,世界各地大大小小的公司都提出了各種方法,不僅僅創造了各種產品和技術去解決這些問題,而且還改變了這些問題發展的方式和過程。全世界的工程師和科學家正帶領著解決社會所面臨最大挑戰之一的沖鋒,而且他們有著比任何一個政府政策對環境影響都大的獨一無二的機會。綠色工程為促進這個創新提供了工具、技能和技術。
         
        目錄
         
        什么是綠色工程?
        綠色工程技術和商業機遇
        投入使用的綠色工程
        改進世界
        更多相關資源
         
        1. 什么是綠色工程?
         
         工程師希望降低他們產品的排污量,希望開發消耗更少能源的設備,創造可行的再生能源技術,能夠更好地理解全球生態系統對綠色工程的需求。綠色工程利用測量和控制技術對產品、技術和過程進行設計、開發和改進,最終獲得環境以及經濟上的利益。
         
        盡管綠色是現在的熱門話題,本質上進行綠色工程與進行任何其他類型的工程創新并沒有任何不同。首先,需要測量所關心的變量,然后就可以開始設計過程,或是對產品和過程進行改進以便達到期望目標。綠色工程涵蓋了多種基本測量,例如功率品質和功率消耗;車輛以及工廠的排污量,例如水銀和氮氧化物等;環境數據,包括二氧化碳、溫度以及水質。
         
        NI為了支持綠色工程提供了測量、自動化以及設計工具,使工程師和科學家首先能夠將現實世界的數據進行量化并理解;其次,能夠以更為有效同時對環境影響更小的方式,設計并開發下一代產品和技術解決問題。
         
         
        2. 綠色工程技術和商業機遇
         
         在綠色工程中有兩個至關重要的問題:現在的科技是否能夠產生影響?是否真的存在商業機遇?要解答這些問題,首先需要通過考察幾個案例進一步闡述綠色工程。
         
         
        技術
         
        綠色工程所需要的技術現在不僅更容易得到,而且比過去更加易于使用,價格也更低。綠色工程中包含的一些重要技術列舉如下:
         
        用于測量和修復的圖形化軟件
        高速及高分辨率測量
        領域專用分析庫
        用于高級控制的FPGA
        這些新技術中的一部分是伴隨著半導體行業的發展而出現的。這個發展為模擬數字轉換器(ADC)的功能帶來了重大改進,由于消費電子中大量使用ADC,其成本也隨之降低。其他的一些技術已經存在了一段時間,但是對設計和工程工具的新增改進使它們更加能夠為領域專家所使用,而不僅僅局限于技術專家。這種變化將必須的技術直接交給了最接近問題本身的人們,因此相比過去,他們能夠更成功地開發各種解決方案。
         
        商業機遇

        綠色產品帶來了創造利潤和降低成本的巨大機遇。隨著石油價格不斷突破新高,新的技術應該能夠幫助公司減少機器和過程的石油使用量,同時保持相同的產出,對這些技術的需求正不斷加強。也有些公司需要購買監督和報告工具,避免由于沒有遵守環境法規導致的巨額罰款。這種趨勢仍在繼續發展,最近由普華永道完成的一項研究表明投入節能、回收、水凈化、排污控制以及可再生資源等清理技術應用中的風險投資在2006年增加了三倍,超過14億美元,并且在2007年又增加了將近50%,超過了20億美元。
         
        3. 投入使用的綠色工程
         綠色工程的應用涵蓋幾乎各個行業,包括監視森林的健康狀況,幫助生態學家更好的了解全球變暖的影響,還包括使用新的控制系統對陳舊的生產設備和機器進行改造,使它們能夠更為有效地工作。盡管對這些綠色工程的應用有許多分類方法,大部分應用可以歸入以下五個類別:
         
        1、可再生能源發電
         
        2、電能質量監控
         
        3、環境監控
         
        4、優化現有系統的效率
         
        5、環保產品和技術的開發與測試
         
        下面的例子展示了綠色工程在可再生能源發電以及機器與過程優化中的應用。
         
        可再生能源發電
         
        可再生能源發電涵蓋了很多方面技術,包括風能、太陽能(光伏發電與熱能發電)、生物燃料、水能、潮汐能、地熱甚至還包括高能物理。在環境適應目標和不斷加強的政府法規的驅使下,這些領域的研究和開發在全世界發展地很快?,F在,超過50個不同政治、地理和經濟條件的國家都在可再生資源進行發電中設置了較高的目標。


         
        表1 列舉了幾個政府為可再生能源所設置的目標。
         
        目標在2010年之前達到60%的能源來自可再生資源,在達到這些目標中投入的創新和資源是工程界的重要挑戰。為了更形象地了解這個目標,在2007年全世界消耗的能源中只有3%是來自可再生資源。盡管看上去要完成這個目標似乎任務艱巨,在過去的兩年中已經為達到這個目標取得了重大進展。工程師和科學家在歷史上已經完成過看似幾乎不可能完成的挑戰,例如將人類送上月球,而現在由于全球化的背景,要實現這個目標更有希望。要完成這些目標,工程師正在努力設計新的技術,許多工程師正在使用NI工具以便滿足截止期緊迫的要求和復雜設計規范的需求。
         
        風能技術為工程師開發和驗證新的設計帶來了許多難以置信的挑戰。其中最大的挑戰之一是開發精確的控制系統降低由于強風對渦輪組件產生的破壞。工程師必須利用復雜的算法調節扇葉節奏,以便在變化的風力條件下維持恒定的轉動速度。NI LabVIEW實時軟件以及PXI硬件是對這些算法進行原型開發、測試其可靠性以及驗證其性能的關鍵組件。此外,風力渦輪工程師還需要根據更為復雜的結構動力學進行設計,因為為了滿足更大發電量的需求,需要安裝尺寸高達350英尺的扇葉。
         
        太陽能制造商還要面對巨大的工程難題,降低太陽能電池的材料成本并且提高其工作效率。他們需要更簡單、更快捷的方法對設備進行光伏輸出性能測試,例如電流-電壓(I-V)特性;半導體封裝過程細致和精確的控制;以及將太陽能電池陣列連接到網格變換器的精確功率品質測量。
         
        風能和太陽能應用的要求雖然并不能代表所有應用的需求,但是它們能夠大致反應出所有開發可再生能源應用的工程師為了尋求測量和設計下一代技術更好方法的需求。 
         
        優化現有系統的效率
         
        世界最大的鋼鐵公司之一、美國最大的回收公司Nucor Steel在2005年收購了Marion Steel公司,它所進行的初期舉措之一是在所有新近收購的位于美國俄亥俄州馬利安的小型鋼鐵廠增加了自動化系統,以便提高效率和安全性。
         
         
        Nucor Steel是美國最大的回收公司,它使用NI工具開發了多個自動化系統,降低電力消耗并消除了潛在的安全問題。
         
        僅僅在過去一年中,Nucor就回收了超過2200萬噸鋼材,其中包括900萬輛汽車。熔化并重鑄鋼鐵的過程需要大量電力,其效率中甚至一點點的改進都能夠節省大量的能源,帶來經濟上的利益。
         
        Dave Brandt是Nucor Steel馬利安的一位電氣工程師,由他負責實現自動化系統。Brandt使用了NI工具,包括可編程自動化控制器(PAC)以及LabVIEW開發一系列自動化系統,例如天平與稱重系統、串聯鍋爐的在線反應器以及遠程切換站,這些系統大大降低了電力消耗,消除了潛在的安全隱患,并且使Nucor為環境治理做出了先驅的貢獻。
         
        Brandt使用了LabVIEW和NI Compact FieldPoint硬件,開發了天平與稱重系統,從而可以了解鋼鐵的精確重量,因此就可以得到對其進行加熱的電力加熱爐所需要能量的精確值。在Nucor開發這個系統之前,公司估計鋼鐵在每個熔爐的重量,這樣會形成“命中或不命中”的結果,會時常導致過度加熱鋼鐵,這樣不僅在過程中浪費了電力,還生產出了質量無法接受的新鑄鋼鐵。因此,這些鋼鐵還需要重鑄,這需要消耗大量能量,也要花費Nucor大量資金。自從Nucor開發了這個稱重系統之后,Nucor大大降低了需要重新加熱的鋼材,將2007年總批次數從6000多個批次減少到10個批次。
         
        4. 改進世界
         
         隨著社會的環境和能源挑戰變化越來越嚴峻,我們比過去更加需要具備專業技能的創新工程師和科學家對世界進行變革和改進。要獲得更多啟發,可以參考利用綠色工程改進世界,了解一些處理環境問題和社會大問題的富有創造意識的解決方案。我們希望綠色工程能夠幫助您提高自身的產品和過程。
         
        要了解更多關于綠色工程的信息,或需要下載入門資源材料,請訪問ni.com/info并輸入nsi8201。
         
        5. 更多相關資源
         
        綠色工程中文主頁
        在線研討會:綠色工程的產品與技術
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