A cura di: Dr. Mike Rendall - Diverse Energy Ltd
La sfida: Sviluppare una soluzione sostenibile per alimentare una stazione base per telefoni cellulari nelle zone rurali dell'Africa.
La soluzione: Utilizzare NI CompactRIO ed NI LabVIEW per controllare e monitorare la reazione di cracking dell'ammoniaca e utilizzare le celle combustibili a idrogeno per fornire una potenza elettrica DC regolata, generata solo da sottoprodotti di acqua e azoto.
Introduzione
In base a un resoconto delle Nazioni Unite, tra il 2003 e il 2008 la diffusione di telefoni cellulari in Africa è cresciuta del 500 percento e si stima che continui in maniera esponenziale contribuendo a rivoluzionare l'economia del secondo continente più grande al mondo. Tuttavia, un telefono cellulare serve a ben poco senza un'adeguata copertura del segnale. Per creare un'area coperta dal segnale, è necessaria una stazione base che a sua volta ha bisogno di una considerevole fornitura elettrica. L'area geografica coperta da un'unica stazione base è limitata. Nel caso di un intero Paese sarebbe necessaria una rete distribuita di stazioni base in grado di fornire una copertura adeguata che a sua volta richiederebbe una sorgente di elettricità distribuita e manutenibile. L'attuale rete elettrica in Africa non è affatto distribuita nè affidabile e le aree rurali versano in condizioni ben peggiori. Nelle poche zone in cui la rete è disponibile, spesso questa viene alimentata solo per poche ore al giorno durante le quali si verificano delle perdite. Per risolvere questo problema si è pensato a dei generatori diesel, una soluzione non proprio ideale. I generatori diesel sono rumorosi e innefficienti quando non vanno a pieno regime, inoltre richiedono una manutenzione regolare e cambio d'olio ogni 300 ore per via delle parti in movimento. In fin dei conti, non rappresentano un soluzione sostenibile a causa delle emissioni di particolato e polveri sottili nell'atmosfera. Un'altra questione relativa ai generatori diesel e alle stazioni di rifornimento è l'elevata rivendibilità del gasolio che li rende obiettivo primario di furti specialmente in aree remote non sorvegliate.
Tecnologia a cella combustibile
La soluzione di Diverse Energy sostituisce i generatori diesel con una tecnologia a cella combustibile che impiega gas industriale convertendolo in elettricità a zero emissioni di CO2. Attualmente, il gas industriale utilizzato è l'ammonica, ampiamente diffuso nel mondo della refrigerazione e nell'industria farmaceutica. Questo viene inoltre utilizzato in notevoli quantità per la produzione di fertilizzazioni nel settore agricolo. Per convertirla in elettricità, bisogna utilizzare un grande quantitativo di ammonica, trasformarla in idrogeno e azoto, separare l'idrogeno dal flusso di gas misto e passare il flusso di idrogeno a una cella combustibile per produrre elettricità e acqua pura. Nel PowerCube di Diverse Energy, NI CompactRIO controlla e monitora l'intero processo. PowerCube non ha solo un impatto zero nell'ambiente ma genera una serie di sottoprodotti utili. Il principale sottoprodotto di Powercube è acqua pura deionizzata e si stima che un'unità possa produrre fino a 50 litri al giorno; una risorsa preziosa in aree dove la scarsità di acqua potabile è elevata. Per le piccole e medie imprese, il time to market è un fattore importante nel modello di business. Far passare troppo tempo vuol dire perdere un'opportunità d'oro. L'ambiente di programmazione grafica LabVIEW consente di sviluppare e produrre in serie con notevole rapidità. Se avessimo intrapreso le stesse sfide di programmazione in un linguaggio testuale non avremmo raggiunto gli stessi risultati. LabVIEW consente di effettuare rapide modifiche al codice per testare e anlizzare diverse modalità di funzionamento. La programmazione convenzionale richiede un certo numero di specialisti per supportare gli sviluppatori e di conseguenza far lievitare i costi e le risorse umane.
Utilizzare NI Compact FieldPoint e NI CompactRIO
Abbiamo sviluppato un primo modello di PowerCube basato inizialmente su NI Compact FieldPoint. Quando abbiamo realizzato che CompactRIO includeva delle funzioni di elaborazione, controllo e comunicazioni più potenti abbiamo deciso di cambiare piattaforma. CompactRIO include inoltre un chip FPGA accessibile, alloggiato nel backplane dello chassis. Tramite l'interfaccia grafica di LabVIEW, abbiamo programmato l'FPGA per migliorare la funzionalità dei canali di I/O standard, inclusa la produzione di PWM custom e segnali di output sinusoidale. Dopo aver integrato questa funzionalità sull'FPGA, abbiamo liberato il controller da carichi computazionali per far sì che eseguisse altri task. Questo ha ridotto la quantità di hardware custom, il quale ha un notevole impatto sulla riduzione dei costi e dei tempi di realizzazione. Grazie alla scalibilità inerente di LabVIEW, abbiamo riutilizzato oltre l'80 percento del nostro codice nel passaggio da Compact FieldPoint e CompactRIO, risparmiando costi e tempi di sviluppo. Ci sono voluti otto mesi per sviluppare e testare il primo PowerCube e solo due settimane per migrare il progetto su CompactRIO, incluso la scrittura di un'immagine ad hoc dell'FPGA. Per evitare che i sistemi Compact FieldPoint prendessero polvere, li abbiamo riprogrammati per controllare tre stazioni di test indipendenti per il test dei moduli a celle combustibili. Connettendo il Compact FieldPoint a un database, qualsiasi aggiornamento al codice per la replica su PowerCube passa automaticante alle stazioni di test. In questo modo i test effettuati sulle celle combustibile rimangono assolutamente rilevanti con l'evolversi del progetto e del prodotto finale, con un minimo sforzo o tempo di programmazione.
Il futuro
Attualmente abbiamo cinque PowerCube in esecuzione in Africa. Altri cinque si trovano in Regno Unito pronti per essere spediti. LabVIEW e la piattaforma CompactRIO sono perfette per lo sviluppo e l'utilizzo in campo. La capacità di monitorare facilmente i dati in tempo reale e di applicare rapidamente le modifiche al codice è un grande vantaggio nello sviluppo di nuovi sistemi.
