在過(guò)去的幾年中，各大主要媒體都大大提高了對(duì)“綠色”的強(qiáng)調(diào)力度。對(duì)于全球氣候變化、能源價(jià)格飆升以及政府法規(guī)等越來(lái)越多的關(guān)注帶來(lái)了新的課題和期待——從消費(fèi)產(chǎn)品直至企業(yè)責(zé)任以及可持續(xù)計(jì)劃。為了滿足這些新出現(xiàn)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(chuàng)造了各種產(chǎn)品和技術(shù)去解決這些問(wèn)題，而且還改變了這些問(wèn)題發(fā)展的方式和過(guò)程。全世界的工程師和科學(xué)家正帶領(lǐng)著解決社會(huì)所面臨最大挑戰(zhàn)之一的沖鋒，而且他們有著比任何一個(gè)政府政策對(duì)環(huán)境影響都大的獨(dú)一無(wú)二的機(jī)會(huì)。綠色工程為促進(jìn)這個(gè)創(chuàng)新提供了工具、技能和技術(shù)。
目錄
什么是綠色工程？
綠色工程技術(shù)和商業(yè)機(jī)遇
投入使用的綠色工程
改進(jìn)世界
更多相關(guān)資源
1. 什么是綠色工程？
工程師希望降低他們產(chǎn)品的排污量，希望開(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)，能夠更好地理解全球生態(tài)系統(tǒng)對(duì)綠色工程的需求。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)，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)上的利益。
盡管綠色是現(xiàn)在的熱門(mén)話題，本質(zhì)上進(jìn)行綠色工程與進(jìn)行任何其他類型的工程創(chuàng)新并沒(méi)有任何不同。首先，需要測(cè)量所關(guān)心的變量，然后就可以開(kāi)始設(shè)計(jì)過(guò)程，或是對(duì)產(chǎn)品和過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)以便達(dá)到期望目標(biāo)。綠色工程涵蓋了多種基本測(cè)量，例如功率品質(zhì)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(huán)境數(shù)據(jù)，包括二氧化碳、溫度以及水質(zhì)。
NI為了支持綠色工程提供了測(cè)量、自動(dòng)化以及設(shè)計(jì)工具，使工程師和科學(xué)家首先能夠?qū)F(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化并理解；其次，能夠以更為有效同時(shí)對(duì)環(huán)境影響更小的方式，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品和技術(shù)解決問(wèn)題。
2. 綠色工程技術(shù)和商業(yè)機(jī)遇
在綠色工程中有兩個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題：現(xiàn)在的科技是否能夠產(chǎn)生影響？是否真的存在商業(yè)機(jī)遇？要解答這些問(wèn)題，首先需要通過(guò)考察幾個(gè)案例進(jìn)一步闡述綠色工程。
技術(shù)
綠色工程所需要的技術(shù)現(xiàn)在不僅更容易得到，而且比過(guò)去更加易于使用，價(jià)格也更低。綠色工程中包含的一些重要技術(shù)列舉如下：
用于測(cè)量和修復(fù)的圖形化軟件
高速及高分辨率測(cè)量
領(lǐng)域?qū)Ｓ梅治鰩?kù)
用于高級(jí)控制的FPGA
這些新技術(shù)中的一部分是伴隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的。這個(gè)發(fā)展為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的功能帶來(lái)了重大改進(jìn)，由于消費(fèi)電子中大量使用ADC，其成本也隨之降低。其他的一些技術(shù)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但是對(duì)設(shè)計(jì)和工程工具的新增改進(jìn)使它們更加能夠?yàn)轭I(lǐng)域?qū)＜宜褂?，而不僅僅局限于技術(shù)專家。這種變化將必須的技術(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。
商業(yè)機(jī)遇
綠色產(chǎn)品帶來(lái)了創(chuàng)造利潤(rùn)和降低成本的巨大機(jī)遇。隨著石油價(jià)格不斷突破新高，新的技術(shù)應(yīng)該能夠幫助公司減少機(jī)器和過(guò)程的石油使用量，同時(shí)保持相同的產(chǎn)出，對(duì)這些技術(shù)的需求正不斷加強(qiáng)。也有些公司需要購(gòu)買監(jiān)督和報(bào)告工具，避免由于沒(méi)有遵守環(huán)境法規(guī)導(dǎo)致的巨額罰款。這種趨勢(shì)仍在繼續(xù)發(fā)展，最近由普華永道完成的一項(xiàng)研究表明投入節(jié)能、回收、水凈化、排污控制以及可再生資源等清理技術(shù)應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)投資在2006年增加了三倍，超過(guò)14億美元，并且在2007年又增加了將近50％，超過(guò)了20億美元。
3. 投入使用的綠色工程
綠色工程的應(yīng)用涵蓋幾乎各個(gè)行業(yè)，包括監(jiān)視森林的健康狀況，幫助生態(tài)學(xué)家更好的了解全球變暖的影響，還包括使用新的控制系統(tǒng)對(duì)陳舊的生產(chǎn)設(shè)備和機(jī)器進(jìn)行改造，使它們能夠更為有效地工作。盡管對(duì)這些綠色工程的應(yīng)用有許多分類方法，大部分應(yīng)用可以歸入以下五個(gè)類別：
1、可再生能源發(fā)電
2、電能質(zhì)量監(jiān)控
3、環(huán)境監(jiān)控
4、優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)的效率
5、環(huán)保產(chǎn)品和技術(shù)的開(kāi)發(fā)與測(cè)試
下面的例子展示了綠色工程在可再生能源發(fā)電以及機(jī)器與過(guò)程優(yōu)化中的應(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)。
表1 列舉了幾個(gè)政府為可再生能源所設(shè)置的目標(biāo)。
目標(biāo)在2010年之前達(dá)到60％的能源來(lái)自可再生資源，在達(dá)到這些目標(biāo)中投入的創(chuàng)新和資源是工程界的重要挑戰(zhàn)。為了更形象地了解這個(gè)目標(biāo)，在2007年全世界消耗的能源中只有3％是來(lái)自可再生資源。盡管看上去要完成這個(gè)目標(biāo)似乎任務(wù)艱巨，在過(guò)去的兩年中已經(jīng)為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)取得了重大進(jìn)展。工程師和科學(xué)家在歷史上已經(jīng)完成過(guò)看似幾乎不可能完成的挑戰(zhàn)，例如將人類送上月球，而現(xiàn)在由于全球化的背景，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)更有希望。要完成這些目標(biāo)，工程師正在努力設(shè)計(jì)新的技術(shù)，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(fù)雜設(shè)計(jì)規(guī)范的需求。
風(fēng)能技術(shù)為工程師開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證新的設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多難以置信的挑戰(zhàn)。其中最大的挑戰(zhàn)之一是開(kāi)發(fā)精確的控制系統(tǒng)降低由于強(qiáng)風(fēng)對(duì)渦輪組件產(chǎn)生的破壞。工程師必須利用復(fù)雜的算法調(diào)節(jié)扇葉節(jié)奏，以便在變化的風(fēng)力條件下維持恒定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。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，風(fēng)力渦輪工程師還需要根據(jù)更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)闉榱藵M足更大發(fā)電量的需求，需要安裝尺寸高達(dá)350英尺的扇葉。
太陽(yáng)能制造商還要面對(duì)巨大的工程難題，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)備進(jìn)行光伏輸出性能測(cè)試，例如電流－電壓（I-V）特性；半導(dǎo)體封裝過(guò)程細(xì)致和精確的控制；以及將太陽(yáng)能電池陣列連接到網(wǎng)格變換器的精確功率品質(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。
優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)的效率
世界最大的鋼鐵公司之一、美國(guó)最大的回收公司Nucor Steel在2005年收購(gòu)了Marion Steel公司，它所進(jìn)行的初期舉措之一是在所有新近收購(gòu)的位于美國(guó)俄亥俄州馬利安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。
Nucor Steel是美國(guó)最大的回收公司，它使用NI工具開(kāi)發(fā)了多個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)，降低電力消耗并消除了潛在的安全問(wèn)題。
僅僅在過(guò)去一年中，Nucor就回收了超過(guò)2200萬(wàn)噸鋼材，其中包括900萬(wàn)輛汽車。熔化并重鑄鋼鐵的過(guò)程需要大量電力，其效率中甚至一點(diǎn)點(diǎn)的改進(jìn)都能夠節(jié)省大量的能源，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的利益。
Dave Brandt是Nucor Steel馬利安的一位電氣工程師，由他負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)。Brandt使用了NI工具，包括可編程自動(dòng)化控制器（PAC）以及LabVIEW開(kāi)發(fā)一系列自動(dòng)化系統(tǒng)，例如天平與稱重系統(tǒng)、串聯(lián)鍋爐的在線反應(yīng)器以及遠(yuǎn)程切換站，這些系統(tǒng)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(huán)境治理做出了先驅(qū)的貢獻(xiàn)。
Brandt使用了LabVIEW和NI Compact FieldPoint硬件，開(kāi)發(fā)了天平與稱重系統(tǒng)，從而可以了解鋼鐵的精確重量，因此就可以得到對(duì)其進(jìn)行加熱的電力加熱爐所需要能量的精確值。在Nucor開(kāi)發(fā)這個(gè)系統(tǒng)之前，公司估計(jì)鋼鐵在每個(gè)熔爐的重量，這樣會(huì)形成“命中或不命中”的結(jié)果，會(huì)時(shí)常導(dǎo)致過(guò)度加熱鋼鐵，這樣不僅在過(guò)程中浪費(fèi)了電力，還生產(chǎn)出了質(zhì)量無(wú)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(fèi)Nucor大量資金。自從Nucor開(kāi)發(fā)了這個(gè)稱重系統(tǒng)之后，Nucor大大降低了需要重新加熱的鋼材，將2007年總批次數(shù)從6000多個(gè)批次減少到10個(gè)批次。
4. 改進(jìn)世界
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)。要獲得更多啟發(fā)，可以參考利用綠色工程改進(jìn)世界，了解一些處理環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)大問(wèn)題的富有創(chuàng)造意識(shí)的解決方案。我們希望綠色工程能夠幫助您提高自身的產(chǎn)品和過(guò)程。
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5. 更多相關(guān)資源
綠色工程中文主頁(yè)
在線研討會(huì)：綠色工程的產(chǎn)品與技術(shù)
