运用绿色离网的能源解决方案将手机信号覆盖到偏远的地区

挑战: 开发一个绿色离网的能源解决方案，为非洲偏远地区的手机基站提供电力供应。

解决方案: 使用NI CompactRIO硬件和NI LabVIEW软件来监控氨分解，从而产生直流稳压电流，且其分解剩余物只是一些干净的水和氮气。这个全新的PowerCube系统能为非洲的偏远地区提供无污染而又稳定的电力供应，由此也使得手机信号的覆盖变得稳定而又深广。



作者: Dr. Mike Rendall - Diverse Energy Ltd

介绍

根据联合国报告显示，2003年到2008年间，非洲地区的手机使用率增长超过500%，并还将以指数方式继续增长。由此，手机业已成为全球第二大洲非洲的一个新兴产业。

然而，在没有足够信号覆盖的地方，手机就几乎完全失去了功能。如果需要使手机信号覆盖一个区域，你需要一个基站，这也意味着需要具备一定规模并且稳定的电力供应。一个基站能覆盖的地理区域是非常有限的，对于一个城市来说就需要一个分布式的基站网络来提供足够的信号覆盖区域，也就是需要一个分布式且易于维护的电力供应网络。非洲现有的电网既不是分布式的，也不稳定，偏远地区的情况则更糟。在仅有的几个被电网覆盖的地区，一天也只能提供短短几个小时电力供应，而且并不十分稳定。

曾有建议使用柴油发电机来解决这个问题，但这远远不是一个理想的方案。柴油发电机的噪声很大，并且在不完全运行时效率非常低。它们还每300小时就需要进行常规换油维护，以保证其运动部件正常运转。除此之外，它们还会将煤灰和硫磺微粒排放到大气中，对环境产生恶劣的影响。还有另一个问题是，柴油发动机和它所使用的燃料都可以用来转售，所以很容易成为偷窃目标，尤其是在一些偏远或无人看管的地区。

Diverse Energy公司使用燃料电池技术来解决这个问题，利用工业用气转换成电能，杜绝任何碳排放。目前使用比较多的工业用气是氨气，它在制冷和药物行业中被广泛使用。此外，氨气也还被大量应用在农业化肥领域。为了使氨气转化为电能，首先需要将散装的氨气集中在一起，将氨气分解成氢气和氮气，然后将氢气从混合气体中分离出来，再将纯净的氢气输入到燃料电池中，从而产生电能和水。在Diverse Energy公司的PowerCube系统中，NI CompactRIO将监控整个转换过程。

分解物同样有益

PowerCube系统不仅不会对环境产生任何污染，而且会产生有益的分解物。PowerCube系统主要的分解物是干净的去离子水，一个PowerCube一天能产生50升水，这可以为一些缺乏干净、清洁水源的地区提供巨大的资源。

对一些小型公司来说，迅速地展开市场推广是其营销模式中十分重要的一个环节。如果在推广过程中花费太长时间，必将错过一些黄金机会。而LabVIEW的图形化编程环境能够加速开发和部署的过程，如果我们使用的是文本语言编程来面对同样的编程挑战我们无论如何也无法达到现在的开发程度。工程师和科学家使用LabVIEW，可以根据分析测试操作模式的不同，快速修改代码。传统的编程模式需要很多编程专家来支持开发团队，从而增加了人力成本和经济成本。

我们起初使用NI Compact FieldPoint开发了“PowerCube 1号”，但当我们发现CompactRIO可以提供更快的处理速度，并且能够更好地支持全球控制和通讯时，我们决定更换平台。CompactRIO平台还在机箱背板的位置集成了一块现场可编程门阵列（FPGA），我们使用LabVIEW图形化界面对FPGA编程，提高了标准I/O的功能，包括自定义PWM和正弦信号输出。通过将这些功能嵌入到FPGA中，我们减少了控制器的处理负担，进而可以让控制器完成其他的一些任务。这样也能够减少自定义硬件的数量，对于降低系统成本和减少搭建时间有着显著的帮助。

基于LabVIEW的可扩展特性，当我们把硬件平台从Compact FieldPoint更换成CompactRIO时，80%的代码都能够被重复利用，这为我们节省了大量的开发时间和成本。我们花费了8个月的时间来开发和测试“PowerCube 1号”，但只用了两周时间就把它迁移到了CompctRIO平台上，其中还包括重写了一个定制的FPGA图像。

我们不再使用Compact FieldPoint系统来采集粉尘，而是让它去控制三个独立的测试站来测试燃料电池模块。我们将Compact FieldPoint与一个数据库对接，这样一旦有任何针对PowerCube部署的代码修改，都会由测试站在下一次运行中更新。以这样的方式在燃料电池上进行的测试，与最终产品设计的形成息息相关，同样也能最大程度降低编程的时间和投入。

展望未来

我们现在在非洲投放了五个PowerCube，现在还准备将另外五个运往英国投放。LabVIEW和CompactRIO平台非常适合用于开发和现场试验系统，它们有一个很大的好处是，在开发新系统时，能够便捷地监测实时数据，并且快速地应用修改的代码。