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台达建筑能源
管理系统BEMS 1.0
台达建筑能源管理系统BEMS 1.0通过采集、监视、管理和控制楼宇中的各种分类和分项能耗数据,提供丰富的数据图表和报表展示方式,以及数据统计分析功能,可以帮助用户随时随地掌握建筑的能源消耗情况,并找出能源使用异常情况,建立能源削减计划。
台达建筑能源管理系统BEMS 1.0具有以下四大特性:
低耗能。通过跨地域模块设计,与人员感测、排程控制,优化楼宇管理并提升能源使用效率。
此外,台达建筑能源管理系统BEMS 1.0能够帮助企业实现降低能耗、二氧化碳排放和运营成本的目标,并经由耗能改善,持续提升能源管理绩效。
高效率。导入无线传感网络WSN,采用Zigbee无线通信和各式无线传感器,台达建筑能源管理系统BEMS 1.0以简洁而富有弹性的系统架构,便于设计、施工、使用和管理维护。
此外,该系统特别开发了通信模块,能有效管理各传感器与I/O组件,使企业维护更轻松、便捷。
舒适性。台达建筑能源管理系统BEMS 1.0具有人性化的智能设计,能有效保障企业舒适的室内环境和节约能源等多重要求,运用模糊逻辑推论技术、智能自适应温度调控,可以达到舒适与节能的效果。
灵活性。针对跨地域或功能性需求,台达建筑能源管理系统BEMS 1.0开发了多种智能模块,如办公室节能模块、商场空调节能模块和光伏发电监测模块等,可依使用者需求灵活运用,因地制宜。这些智能模块具有弹性与可扩展等特点,兼具实用与未来发展的需求,支持多样化的建筑空间,如购物商场、医院、公共空间等,满足多元化的市场需求。
能源在线管理系统
Energy Online1.0
台达能源在线管理系统 Energy Online1.0实现了数据的可视化,可帮助用户轻松进行能源控制与管理。
通过电表与传感器的安装与管理,能源在线管理系统 Energy Online1.0能够提供实时用电数据、历史数据、数据分析报表、装置管理、系统监控等功能,帮助企业客户有效掌握企业内部的电能信息。除了进行能源使用监测以外,还能实现建立基线、节能绩效追踪等功能,协助企业轻松地进行能源控制与管理。
此外,能源在线管理系统 Energy Online1.0还为客户提供了能源诊断云的增值服务,协助企业进行远程云诊断,达到能源优化的目的。该服务对于分布式企业如连锁酒店的效果显著,企业可以在总部实现统一监控。
关于台达集团
台达集团创立于1971年,是电源管理与散热管理解决方案的领导厂商,并在多项产品领域居世界重要地位。
目前,随着我国各城市不断推进“智慧城市”建设,对于建筑能源的管理已经从原来的单个建筑的管理发展到面向整个城市建筑的能源综合性管理。目前,不管是城市的有关管理部门还是能量使用单位,都需要建立有效的建筑能源管理体系,在对建筑能源消耗监测的基础上进行能源的审计,最终实现建筑的节能。
2物联网技术
物联网,简单的理解就是物与物之间相连的网络。物联网是信息技术和工业化时展的产物。物联网技术主要由传感技术、控制技术和信息通信技术融合而成,能够借助互联网将生活中的一切物品的识别、定位、远程控制和管理等通过专用的传感器设备进行互联互通。物联网技术是对互联网的一种拓展和延伸,是一种在21世纪全面互联互通的智能化网络。在如今,由于不断有各种不同领域的物联网解决方案的形成,促进了物联网技术的发展。在智能建筑的能源管理中,应用物联网技术之后,进一步提升了建筑的能源管理能力,节约了更多的能源资源。
3智能建筑能源管理系统与物联网的融合
智能建筑作为信息技术在建筑领域广泛应用而产生的一种新型产物,主要是以建筑物为平台,依靠相关的建筑设备和对象,借助智能化的技术,为人们提供一种全方位的舒适的建筑环境,体现了建筑的安全性、高效性、节能性和环保性。时代的发展,对于建筑智能化集成管理就必须对建筑的能源进行管理,将各种系统进行综合、协调和控制,实现对建筑的统一管理,提升建筑内整体的能耗水平的下降。在智能建筑中,能源管理系统的结构主要为三层结构,分别为现场层、网络层和管理层。在现场层中,主要包含的是现场采用的各种设备,如传感器、智能仪表等。在现场层中,通信一般采用的是现场总线标准。网络层则是现场层与管理层之间进行有效通信的桥梁,实现设备的采集指令的发送和采集信息的传送功能。管理层则主要是实现对现场设备统一的监视、控制和管理,并将现场采集到的各种信息数据进行保存,此外,还具备报警功能。智能建筑能源管理系统的三层结构,对于实现智能建筑能源管理系统与物联网的融合奠定基础。现场层能够采用物联网技术所需的各种智能化设备。网络层能够实现不同方式的通信,满足物联网的远程监控和管理需求。管理层能够有效采用物联网技术中的云计算技术进行数据的处理。在物联网技术与智能建筑能源管理系统进行良好融合的过程中,一方面需要对当前智能建筑能源管理系统进行分析然后采取措施进行完善,另一方面需要将完善后的智能建筑能源管理系统接入到物联网平台,这样才能有效发挥出物联网技术的优势,实现智能建筑能源管理系统与物联网技术的融合。
4物联网技术在智能建筑能源管理系统中的有效运用实例
物联网技术作为当前最新型的技术,在智能建筑的能源管理系统中,目前已经得到了较为广泛的应用。从前文论述可知,物联网技术能够与能源管理系统的三层结构进行有效的融合,在实践过程中,也验证了上述说法。本文以某小区的能源管理系统为例,分析物联网技术在智能建筑能源管理系统中的有效运用。
4.1能源管理应用方案架构
某科技园区的能源管理应用方案进行分析。其能源管理系统的架构图如图1所示。
4.2能源管理系统功能
在此能源管理系统中,能够按照三层架构模式进行设计,实现了如下几个方面的工作。(1)能够对建筑物内的各分项能耗进行计量,例如对水、电、煤气、温度、湿度、冷热流量等信息的采集。(2)对建筑能耗进行公示。在数据采集之后,一方面将数据传入能源管理系统供有关人员分析并提出合理的节能措施,另一方面,能够将相关信息借助显示屏显示,方便唤起公众对建筑能耗的关注。(3)对建筑的环境以及重点的设备进行监控。引入相关的传感器设备,实现对建筑内的给排水、空调、照明、电梯等系统的运行进行监控,方便远程进行节能诊断。(4)便于进行能耗审计。(5)对节能效果进行评估分析并远程控制有关设备的运行状况。
4.3应用效果
五年前,IBM敏锐地发觉“智慧”的发展趋势,并将智慧城市的概念带入中国。这一概念不仅符合中国的城市化发展趋势,也符合中国政府重视民生的政策,因而在中国得到迅速推广。
“智慧”的“自转”与“公转”向人们阐述了技术发展的必然趋势,即人人都会成为“智慧”的推动者。现实也很乐观,国内ICT领域的多数企业,甚至传统家电企业都在为智慧城市添砖加瓦,推动部分新概念的落地:智慧园区、智慧社区、智慧家庭,不一而足。
放眼全球,智慧城市的广泛建设带来很多先进经验,而众多的国际企业成为传递经验的践行者。IBM作为智慧城市的引领者自不必提,而来自日本的NEC也是中国智慧城市建设进程中的一个重要角色。
作为一家有百年历史的ICT企业,NEC是日本较早倡导智慧城市的企业之一。据NEC信息系统(中国)有限公司总经理中井汪杰介绍,NEC于1977年首次提出“C&C”(Computing&Communication)的伟大构想,预见了计算机与通信融合的大趋势,这也是NEC所倡导的“以物联网与云计算支撑智慧城市建设”的雏形。在日本,NEC参与了数量众多的智慧城市项目建设,积累了丰富的行业管理模式和系统构筑经验。作为文化相近的东方友邻,日本的智慧城市战略及实施经验对中国来说极具参考价值。
他山之石,可以攻玉
在日本,智慧城市和物联网的概念存在多年,日本制定了“e-Japan/u-Japan/i-Japan”等系列国家信息化战略来推进国家ICT建设,最终建成无缝的基础网络,并以此为基础制定了“电子政务”、“医疗保健”和“教育人才”三大发展战略,激活产业和地域的活性并培育新兴产业,从而体现以人为本,创造使国民安心和有活力的社会。
1. 个人信息管理
“i-Japan”战略有一个核心内容——“国民个人电子文件箱”,其目的是让国民管理自己的信息资料,通过互联网安全可靠地完成工资支付等各种手续,达成信息共通并对其进行综合管理,使国民享受一站式的电子政务服务。NEC的云计算共通核心服务系统、信息共享平台等已在日本的长崎市、横滨市、富士市等几十个城市和区域导入。
2. 数字医疗
目前东京的电子病历系统在各类医院已经得到普及。电子病历系统整合了各种临床信息系统和知识库,能提供病人的基本信息、住院信息和护理信息,为护士提供自动提醒,为医生的诊疗活动提供帮助。此外,医院还通过无线网络和移动设备实现了医生移动查房和护士床旁操作。
目前日本的医疗信息化建设基本实现了诊疗过程的数字化、无纸化和无胶片化。其中,NEC不仅参与日本各大医院电子病历系统的构筑,还发挥网络技术优势,推动医疗机构之间以及医院和社区之间的信息共享,促进区域医疗服务网的发展。
3.节能减排
日本在2007~2008年间迅速展开了对智能城市构成要素的可再生能源与电动汽车等一系列相关要素的试点实验,并于2010年正式开始建设包含各要素在内的综合智能社区。在官民联手建设智能社区联盟的同时,日本也在横滨市、北九州市、丰田市、京阪奈科学城这4个地方开始了试点实验。
NEC在2012年提出了强化收集及分析“大数据”的业务方针,并成立了专门针对能源的分析组。在何时何地,何种装置生产或消耗多少电力,这些信息正可谓大数据。NEC致力于将自己的数据分析技术充分应用于电力领域。
以上是日本智慧城市建设中关于政务、医疗和能源三个领域的概括。从关系民生的细小之处中不难看出,“以人为本”的智慧城市建设正是创建和谐社会的基础,而NEC正在将这些经验带到中国。
智慧“武器” 民生为本
NEC于三年前启动智慧城市战略,其核心思想是围绕民生的五大问题:安心安全、节能环保、交通物流、医疗养老以及教育,建立一种能够应对城市变化的机制,创造一个安心舒适的居民生活环境。据中井汪杰介绍,NEC致力于在城市的各项功能中,通过云计算和物联网,将人流、物流、信息流整合利用,实现城市的高效运营。
NEC(中国)从2012年起将智慧城市作为公司新业务发展的重中之重,立足中国国情,基于物联网应用,将日本先进的智慧解决方案引入中国并服务于中国日新月异的城市现代化建设。NEC积累了大量基于物联网的行业智慧解决方案,包括智能安防/生物识别、节能环保、智能交通/物流、智能医疗/养老、防灾应急等等,它们组成了NEC攻城拔寨的智慧“武器”。目前NEC在中国重点推进安防/应急、节能环保、养老、物流等方案。
智慧安防——人脸识别/指纹识别
NEC的图像识别技术、状态不变性分析等先进技术能够实现对图片、视频和指纹的智能分析,广泛应用于智慧安防领域。目前,NEC人脸识别及指纹识别技术已经应用在澳门海关和香港海关的通关认证中。在中国大陆,NEC与本地伙伴合作将其导入到国家司法考试的身份认证中。
2011年,NEC为安徽省建设完成的千万级指掌纹自动识别系统,是目前为止中国最大规模的指掌纹系统,平均30秒即可完成一枚现场指纹查询比对工作。新系统启动后不到一年的时间,查破案件数量大幅增长,是2001年以来安徽历年平均破案数量的10倍以上。目前,安徽全省共建设了NEC指纹自动识别系统终端系统2300多套。今后,该系统还可进行扩容,最大可存储5000万人捺印指纹数据,从而大大提高系统对跨省作案案件的查破能力。
此外, NEC还将人脸识别技术与独特的视像处理技术相结合,应用于流通行业,以发现内部人员和顾客的偷窃行为或者提前识别VIP客户,革新购买体验,增加营业额。
智慧养老
——老年公寓智慧管理系统
中国正走向老龄化社会,但养老的理念和实践都非常落后。NEC在日本有着多年提供医疗和养老院智慧解决方案的成功经验。从2011年开始,NEC与北京汇晨养老机构管理有限公司合作,开发出包括移动化服务管理、实时数据挖掘、基于云的数据分享、智能人员定位等特点的智能老年公寓管理解决方案。
智慧能源
——楼宇能源管理系统(BEMS)
建筑物八成以上的耗电来自空调或照明,NEC楼宇能源管理系统通过在建筑中安装大量的温湿度及影像传感器,对空调和照明进行能耗控制,实现对大型建筑的分布式能源管理。
此外,在清洁能源方面,NEC拥有世界领先的锂电池技术,目前已成功运用于新能源汽车中,日产的Leaf电动车采用NEC的锂电池曾创下单次充电续航185公里的记录。NEC高性能电池还可应用于家庭储能系统,从而解决由于太阳能、风能的不稳定性而产生的能源浪费问题,实现清洁能源的有效利用。
智慧物流——智能冷链管理系统
NEC的智慧物流解决方案包括:停车场智能管理系统、冷链管理系统、电动车Telematics系统、物流仓储管理系统、移动车牌识别系统等。目前,NEC已将日本先进的智能冷链管理系统引入中,并成功地用于医药流通领域。
民生一直是NEC智慧城市战略关注的重点,中井汪杰表示,在防灾应急、医疗养老和节能环保方面,NEC不只是建立一个物理的系统,更重要的是带来了一整套的经验,而这些经验只有通过长期的实践才能得来。以防灾应急为例,日本这个地震频繁的国家在震后应急通信方面积累了许多宝贵经验。中井汪杰举了个例子,在东京都厅联络灾情有专门的屋子,政府设立专门的接线员与各个区进行电话联络。政府对这些接线员有个特殊要求:必须住在步行五分钟可回到联络室的范围内。这是由于一旦发生严重的地震,现代化的交通中断,移动通信瘫痪,只有步行和固定电话是可靠的——这是只有NEC才能提供的经验。
把脉症结 实现智慧
中国的智慧城市事业已从前期“概念导入”进行到“规划和试点”阶段,截至目前,政府已经完成193个智慧城市试点规划。在中井汪杰看来,未来中国的智慧城市建设有两个重要趋势:一是“从方案规划到深化应用”,二是“从单纯信息化建设转向通过智慧城市建设来带动本地的产业升级”。同时他也看到,目前仍然存在信息孤岛的问题,这是中国智慧城市建设的一大障碍。他说:“各部门已经进行了多个信息化系统的建设,但系统间缺乏关联,且可能逻辑顺序混乱,信息化投入达不到最优化的统筹运作的效果。”而这个障碍最终还要依靠政府的力量去破除。
与其他可穿戴解决方案不同,这款全新的平台拥有多款型号或产品类别,其高度灵活的系统级设计套件采用开源软件,支持嵌入式无线充电,并将处理器和传感器整合到混合架构中,实现可扩展性和灵活性。可穿戴参考平台(WaRP)让多个垂直行业焕发设计创新活力,如运动监视器、智能眼镜、活动追踪器、智能手表和医疗保健/医疗应用。
飞思卡尔微控制器部全球市场营销和业务拓展总监Rajeev Kumar表示:“可穿戴产品是物联网最终边缘节点传感器之一,并为设备制造商、服务提供商和消费者带来巨大的前景。这款全新的解决方案可大大简化全新可穿戴产品的设计和开发。该解决方案使设计人员和原始设备制造商能够在市场出现变化时以最快的速度将产品概念转为产品原型。”
朱尼普研究公司(J u n i p e r Research)的报告指出,到2018年,智能可穿戴设备零售收入预计可达190亿美元,而2013年仅为14亿美元。该公司还指出,到2018年,智能可穿戴设备销售量将达到1.3亿,比2013年的销售量提高了10倍。
可穿戴参考平台(WaRP)解决了诸多可穿戴市场的顶级技术挑战(连接性、易用性、电池寿命和小型化),加速并简化了产品开发,使开发人员可以更专注于开发与众不同的产品。该平台基思卡尔i.MX 6SoloLite ARM? Cortex?-A9应用处理器,它是内核处理单元,支持Android 操作系统,并集成了生产级芯片、软件和硬件。物料清单优化型(BOMoptimized)混合架构采用飞思卡尔Xtrinsic MMA9553交钥匙计步器、屡获殊荣的FXOS8700电子罗盘和ARM Cortex-M0+ Kinetis KL16微控制器。
可穿戴参考平台(WaRP)是飞思卡尔、Kynetics和Revolution Robotics三方合作的硕果。Kynetics为平台软件提供专业知识,Revolution Robotics提供解决方案的硬件。这款可扩展和模块化的平台可满足可穿戴市场的各种使用模式。当市场出现变化时,这款基于混合架构的平台可使客户满足不同的、全新的垂直行业需求,并从硬件和软件的角度调节并定制设计,开发出一款产品以至一整套产品组合。
开发支持
一个非盈利、基于社区的组织将为可穿戴参考平台提供服务和支持。该解决方案的硬件和软件均为开源型且由社区驱动。与开源资源一起使用时,无需相关开发工具或许可费。此外,可穿戴参考平台(WaRP)将拥有其自己的.org社区,以推动市场创新。
供货
可穿戴参考平台套件包括一个主板、一个子卡、一个LCD显示电池和一根微型USB数据线,预计于2014年第二季度在上开始供货,制造商建议零售价为149美元。
智慧城市要实现不同系统管理数据分享和跨系统调度等问题。需要“顶层设计”以协调多个部门和多个系统的协同运作,涉及规划、产业引导和城市布局等问题。因此,在类似于北京的大型城市,一步到位地建设智慧城市,协调难度比较大。
作为一个广义的概念,智慧城市包含许多内容。施耐德电气中国区高级副总裁赵康在接受《中国经济周刊》专访时表示,目前中国更倾向于从技术角度理解智慧城市,认为智慧城市是利用物联网、云计算、能源互联网等新一代信息技术和各类通信终端融合,实现城市智慧式管理和运行。而欧美等国对智慧城市的定义则更多地考虑生态、可持续发展等概念。
“我们认为智慧城市应该是IT和OT(operation technology,运营技术)的结合。”赵康表示,在施耐德电气看来,智慧城市的根本是宜居、高效和可持续发展。
“施耐德电气在智慧城市建设中的定位是做一个智慧的基础设施提供商。”赵康告诉《中国经济周刊》,公司将在城市基础设施中采集原始数据,随后实时系统就将通过这些数据,自动管理城市基础设施,从而大幅改进性能,并降低成本。如施耐德电气为西班牙巴塞罗那市打造的智慧交通解决方案,利用智能交通监控系统自动感知车流量的多少而调整红绿灯时间,从而减少了汽车尾气排放,同时节约了人们的出行时间。据悉,目前施耐德电气智慧城市的布局包括五大板块和一个平台:智慧水务、智慧建筑、智慧交通、智慧能源、智慧公共服务与城市集成管理平台控制中心。可见,它们均与城市基础设施紧密相关。
其实,布局智慧城市的基础设施领域不止施耐德电气一家。2010年,IBM成立了能源和公用事业解决方案中心,与不同城市在农村信息化、食品安全、光伏技术等领域开展合作。2011年万科、绿地、保利、万达等地产商也开始纷纷挖掘这一概念的价值。2012年以来,华为、中兴通讯等企业聚焦ICT(信息、通讯和技术)基础设施,设立城市云数据中心。
“智慧城市不是定义非常明确的市场。”赵康对《中国经济周刊》坦言,他注意到住建部与工信部对智慧城市的定义并不相同:工信部强调七大国家战略新兴产业(节能环保、新兴信息产业、生物产业、新能源、新能源汽车、高端装备制造业和新材料)在智慧城市载体上的落地。而住建部则是从城镇化角度来抓,突出城市建设和管理运营,定位于新型城镇化的落地,主要目的在于解决涌入城市人口的就业与住房问题。
“不想出标准,是不想扼杀市场的创造性,通过市场的角度来检验,智慧城市到底是什么样的标准。”赵康说。
大城市做智慧城市不现实
“智慧城市产业就像15或者20年前的互联网、电子商务。目前中国有5200万家中小企业,有46%的上网人群,上网人群里面大概有70%的手机用户,在这一大环境下,智慧城市产业将会有不可估量的前景和市场。”赵康对《中国经济周刊》表示。
仅2014年以来,施耐德电气就已与碧水源、中国节能集团、冀东水泥、新奥集团和数云集团等公司签署了合作协议,施耐德电气为其提供覆盖工业电气领域全线产品与解决方案的供货和全程服务支持,同时将借力这些企业在不同行业中的优势资源,布局中国市场。
“智慧城市领域现在合作大于竞争。”赵康表示,在这个尚未明确定义的市场中,一家企业很难通过自己的解决方案满足整个城市的需求。
“一个很大的城市来做智慧城市不现实。”赵康对《中国经济周刊》表示,智慧城市要实现不同系统管理数据分享和跨系统调度等问题。需要“顶层设计”以协调多个部门和多个系统的协同运作,涉及规划、产业引导和城市布局等问题。因此,在类似于北京的大型城市,一步到位地建设智慧城市,协调难度比较大。
赵康举了个例子,某城市某处因供水管网爆裂而造成路面塌陷,但交通系统并不获知该信息,车辆仍在该区域运行,最终造成了很大的区域交通拥堵。从交通系统来看是交通的问题,从水务系统层面来看道路不是水务的管理领域,但从整个城市运作层面来看,这是协同的问题,是数据分享、跨系统调度的问题和城市管理的问题。
“基础设施解决方案之上,城市有健壮或者是智能的手脚,但是没有大脑,没有中枢神经系统。每个系统都很智能,但是放在一起却不行了。”赵康说。
全球清洁技术行业在过去几年增长迅速,起初是环境问题推动了清洁技术的发展,一直被称为“环保技术行业”,但投资者和各企业很快意识到这个行业还有更多利益可得。
因为清洁技术可以促使能源、水源和其他资源利用过程中效率的提高,所以企业采用这些清洁技术解决方案就意味着它们会拥有更高的效率和生产率。因此,更多竞争力强的企业就会脱颖而出,胜过世界上的其他竞争对手。无论是企业主,还是政府或股东,都渴望看到这样的结果,因为它为投资创造了更丰厚的利润。政府愿意为此开一路绿灯,因为它带来了经济发展,并创造了就业岗位和员工财富。所以清洁技术可以让现有产业创造更多财富。
当然还有其他收益:清洁技术正在创造一个未来产业。通过建立企业―它们生产能源再生利用产品,提供循环利用解决方案或创造碳收入―清洁技术正在创造一个全新的产业,比传统产业更能经受得住时间考验。率先采用这些解决方案促进当地产业发展的国家和地区有机会创造出新的产业,使经济得到进一步发展,创造更多的就业岗位和财富。
因而,研发清洁技术并采用清洁技术解决方案的国家将为其经济增长创造两股动力。而且,支持发展清洁技术和支持采用清洁技术的投资者将会获得长期稳定的丰厚回报。鉴于此,全球许多国家都正在实施强有力的调整措施,帮助促进清洁技术产业发展并推动清洁技术解决方案的应用。
为了理解清洁技术市场目前正在经历的变化,本文对全球清洁技术市场进行了两方面研究。首先,简要回顾一下2010年的全球活动,并对未来十年的市场增长水平进行了一些预测。其次,对各个国家都在全力促进清洁技术产业发展的情况进行了回顾,从中我们可以看到,哪些国家在为将来做准备,哪些国家在固守着衰落的过去不放。
行业增长恢复中
国际清洁技术市场在过去几年里一直持续繁荣。2009年出现了增长减缓,但在2010年又得到强劲恢复。许多组织机构对这种全球活动情况进行了报告和预测。
清洁技术集团公司(The Cleantech Group)追踪全球交易活动,从已经发表的数据显示,2010年风险投资总额已经恢复,尽管数额并没有赶上2008年所达到的最高点。虽然每年的投资额有变化,但是交易数量每年还是都在一直不断增长。这说明即使2008年的一些大宗交易不会重演,全球交易活动仍在持续增长。
从2007年至2010年清洁技术各领域投资分配情况显示,就全球来看,太阳能产业始终受到风险投资的关注。2010年吸引风险投资的另外两个领域是交通运输和能源效率。
全球风险投资区域分配显示,多数交易在北美进行,投资总额也最高,这是因为北美风险投资产业资金十分充足。欧洲/以色列的平均交易规模(660万美元)无论与北美的平均交易规模(1350万美元)相比,还是与亚洲的平均交易规模(1120万美元)相比都小很多。
位于美国的一个研究小组Clean Edge了一份报告,追踪全球清洁能源趋势,其中预测了未来十年三个最大清洁能源领域的全球收入情况。总体来说,预测显示生物燃料、风能和太阳能2010年的全球收入为1880亿美元,到2020年将增长至3490亿美元。
彭博新能源财经(Bloomberg New Energy Finance)是世界领先的清洁能源数据提供方,它的研究显示,清洁能源新投资总量突破了先前水平,在2010年达到2430亿美元。这个数据包括了上面提及的澳大利亚清洁技术公司报告中的78亿美元清洁能源风险投资。此数据从2009年的1865亿美元上升了30%,使2010年轻松地成为了到目前为止清洁能源领域投资额的最高年―是2006年数据的2倍,是2004年的近5倍。
2010年清洁投资六大特点
根据彭博新能源财经的研究,2010年投资额迅速增长主要有四个驱动力,包括中国、欧洲海上风能、欧洲屋顶太阳能,以及研发经费的增长。报告中值得关注的一些研究结果包括以下六点。
第一,对小规模、分布式发电项目的投资2010年飙升了91%,达到596亿美元。其中主要是屋顶和其他小型太阳能项目,尤其在德国,其他国家如美国、捷克、意大利等也表现突出。
第二,对中国的投资在2010年上升了30%,达到511亿美元,目前是所有国家中最多的。2009年亚洲和大洋洲超过了美洲,2010年其进一步缩小了同欧洲、中东和非洲的差距,成为世界上清洁能源投资的领先地区。
第三,海上风能投资在2010年迎来了一个好年头,桑德银行(Thornton Bank )下阶段位于比利时海岸29.5万千瓦的海上风力发电场获得17亿美元投资,位于德国海域的波克姆西II(Borkum West II)项目获得10亿美元投资。
第四,根据彭博新能源财经数据显示,企业和政府在清洁能源技术上花费的研发费用在2010年创下历史新高。这之中,主要组成部分是政府研发费用,从2009年的158亿美元上升至210亿美元;同时企业研发费用从2009年的低迷中恢复过来,打破了128亿美元,达到144亿美元,使全球清洁能源研发费用总额达到355亿美元。
第五,风险资本和私募基金的投资在2010年势头强劲,比2009年总额上升了28%,达到88亿美元,尽管没能达到2008年118亿美元的纪录。在2010年私募基金交易中,美国风能项目开发商Pattern Energy Group获得了4亿美元投资,位于美国的电动汽车充电网络专家Better Place获得了3.5亿美元投资。
第六,公共投资市场从2008年和2009年由经济衰退导致的低迷中反弹,在2010年上升了18%,达到174亿美元。但这不是最高纪录,低于2007年清洁能源企业在股票市场上募集246亿美元的纪录。2010年公共投资市场中最大的交易是:11月意大利国家绿色电力公司(Enel Green Power of Italy)首次公开募股获得35亿美元,还有10月中国风力涡轮机制造商新疆金风科技公司在香港上市获得11亿美元。
值得注意的是,尽管2010年期间清洁能源股表现低迷,新能源全球创新指数(NEX index)下跌了14.6%,并且低于标准普尔指数500(S&P 500)20%多,这种级别的交易还是发生了。
2010年最大的投资资产类别跟通常情况一样,是应用规模项目的资产融资,像是风电场、太阳能发电园区和生物燃料工厂。去年此类资产融资增长了19%,达到1278亿美元。
就各领域而言,2010年最值得关注的就是,太阳能领域的投资增长了49%,达到893亿美元。这主要是由欧洲的分布式发电项目推动的,去年欧洲此项投资增长了91%,达到596亿美元。风能领域总投资增长了31%,达到960亿美元。值得注意的是,中国和大型欧洲海上风力发电场占了总投资的38%。智能能源技术,比如智能电网、能源管理、电动汽车和能量存储,2010年发展势头也很强劲。此领域内各企业融资额达到历史新高239亿美元,在2009年基础上增长了27%。
其他领域中,生物燃料在2010年几乎是表现平平,总投资同2009年的81亿美元相比有稍微下降,为79亿美元,远低于2006年美国玉米乙醇泡沫期间209亿美元的历史纪录。生物质和垃圾焚烧发电也表现平平,2010年为116亿美元,2009年为120亿美元。
彭博新能源财经对这些数据结果的评论是:这个结果令人瞩目,打破了先前的投资纪录。虽然公共市场投资者中有人对清洁能源领域抱有疑虑,他们担忧欧洲补贴计划的可持续性,担忧奥巴马政府不能达成气候或能源协议,担忧人们对气候变化一知半解的怀疑态度会逐渐加强,但它还是展翅起飞了。有媒体报道,如果想要在2020年达到碳排放峰值,需要在清洁能源领域达到每年5000亿美元的投资量。可以从这些数据中看出,我们已征途过半,这是个非常好的消息。数据中也的确暗含着一个重要的警示。许多年以来,无论是中国的廉价贷款、欧洲海上风能优厚的承购交易、太阳能的收购电价税率机制,还是对智能电网的监管推动,一直是政府的介入直接导致了投资额的增长。清洁能源产业需要继续降低成本,并且减少对此类支持的依赖。
发展本地清洁需求是关键
位于德国的跨国公司罗兰贝格战略咨询公司(Roland Berger Strategy Consultants)代表世界自然基金会制作了一份报告,并在2011年5月公布。报告回顾并比较了38个国家清洁技术产业的发展情况。报告收集信息的来源包括:能源协会、银行、券商研究报告、投资方报告和国际能源署等。它衡量了一些关键清洁技术活动所产生的收益情况,其中包括再生能源设备和生产设施的制造,比如生物燃料、太阳能和风力涡轮机;还有能源效率技术设备的制造,比如照明解决方案和保温产品。
报告将清洁技术领域总收入与国内生产总值(GDP)做了比较,以说明各个国家对清洁技术领域的相对关注程度如何。
报告称,目前为止丹麦再生能源技术和能源效率收入占GDP的比例最大,为3.1%,合94亿美元。这是由大规模生产风力涡轮机和保温产品所推动的。位于第二位的是中国,占GDP的1.4%。报告中说,中国自2008年以来在清洁技术收入方面增长了77%,从其先前第四名的位置迅速上位。2010年中国在这方面收入最多,为640亿美元。美国清洁能源技术方面的收入额位于第二,为450亿美元,但是只占GDP的0.3%,位于第17位。然而,在奥巴马政府执政下,美国此方面收入已经有了大幅提高,报告称自2008年以来增加了28%。
“中国在政治层面上做出了一个有意识的决策,要抓住这个市场,并积极地发展这个市场。”世界自然基金会的一位经济学家唐纳德・波尔斯表示。中国市场的增长有特殊性,并且是由中央政府来推动的。对政府来说,环境效益是受欢迎的,产业成长和主导全球清洁技术解决方案市场的机会对其也是一个强烈的刺激因素。
有趣的是,中国现在不仅生产清洁技术产品用于出口,还寻求迅速地在所有产业和社会各个方面采用这些解决方案。如此就可能帮助其现有产业改善营运绩效,继续在世界舞台上参与竞争。中国政府比其他任何政府都认同同时生产和采纳清洁技术解决方案所带来的潜在双重收益。
清洁技术收入在GDP中所占比例最高的前五个国家还有德国、巴西和立陶宛。德国的清洁技术收入是由大规模生产太阳能设备并应用太阳能所推动的,巴西是由乙醇生产产业推动的,立陶宛则是由风能、生物质和太阳能电池生产推动的。
2009年11月发表的一份报告对2020年产业增长情况作了预测。预测2020年产业增长将达到1.6万亿欧元,使得清洁技术成为仅次于电子产业和汽车产业的全球第三大产业。这份报告还总结了最成功国家的经验。能够使一个国家清洁技术产业持续成功增长的三个关键要素是:在创新周期内政府尽早且持续地支持;在国内各界通力合作下的高额投资;清洁能源技术应用的广阔国内市场。
当政府着手建立一个全球市场需求强劲的产业时,常常忽略的一个因素就是以上三个要素中的最后一个。如果能够保证本地市场对清洁技术产品有强烈的需求,企业就可以在一开始先供应产品满足当地需求,在此基础上再成长为出口型企业。如此便允许企业更缓慢地成长,在当地市场内可以犯任何早期性错误,学习进步,为出口做好准备。如果从投产第一天就需要出口,以此为基础企业便很难起步。当地市场还可以让企业建立示范性项目,展示给国际客户,以降低其从海外购买新产品时的预知风险。
今日电子:请您谈谈对2008年全球电源管理市场的看法?2008年的中国电源管理市场又是怎样的情况?
凌力尔特公司电源产品部产品市场总监TonyArmstrong:就半导体和电子产品而言,不管在哪里,2008年都将因两极分化而留在人们的记忆中。回顾2008年,看看哪些事情做对了、哪些事情没有按计划进行、哪些是我们无法控制的,这是很有用的。
就凌力尔特公司而言,我们在2005年就预测,对消费电子产品的需求不可能继续快速增长。当时,我们不知道这个泡沫何时破灭,但是2008年后期问题确实发生了。目前的经济动荡是全球性事件,没有哪一个市场或大陆可以幸免。在这种环境中,人们在支出方面出现了巨大变化,消费市场正在经历巨变。而凌力尔特公司已经逐步减轻了对消费电子产品的依赖,在这一市场的销售收入仅占我们总体销售收入很小的一部分。
也是在几年前,我们预测,汽车中的电子产品会稳步增加,混合型和全电动汽车进一步促进了这种增长。不过,我们没有预料到引起消费信贷枯竭的金融危机,这导致新车销售萎缩。展望未来,汽车中的电子产品将继续大幅增加,而且随着时间推移,全球汽车市场将反弹。
安森美半导体公司汽车及电源产品部高级副总裁兼总经理Andy Williams:2008年电源管理市场保持着强劲的势头,直至下半年因全球经济受金融危机大幅影响而有变化。
很明显,自2008年9月终端消费需求开始下降之后,电源管理市场就开始减缓。然而,我们看到,在这之前,笔记本电脑、手机和液晶电视的增长势头都很好。在2008年上半年,这些产品的需求非常稳定,产品型号的更新换代也非常明显。对这些墙式插座供电或充电的产品来说,人们对更高能效的需求很大程度上推动了电源管理器件的发展。在去年上半年,随着石油、天然气及其他能源价格的飙升,能源变成了更加珍贵的日用品,这使得高能效电源管理与日重要。
美信公司便携式消费产品事业部总监Tony Lai:我主要负责手持消费电子产品,包括了普通手机和智能手机,这个市场在2008年第四季度之前都是健康增长的。针对此市场,我们在2008年主推不以牺牲可靠性和性能为代价的高集成度、小体积解决方案。众所周知,智能手机非常消耗电池电量。为此,芯片组提供商通过增加动态电压管理功能来降低CPU核心电压。而手持设备制造商则将电源轨分割成不同的功能区以便能增强灵活性和节能性。这些,都需要高性能电源管理解决方案的支持。
智能手机曾是北美和欧洲手机制造商手中的珍宝。但几个智能手机制造商在2008年尝试转型,他们不再做OEM,有的开始自有品牌建设,技术积累较多的则转型为ODM。他们过去只青睐分立式LDO、DC/DC和LED驱动器。但是在2008年末,他们开始转向使用电源管理芯片。
今日电子:半导体行业在2009年的整体市场前景不甚乐观,请问贵公司对2009年的电源管理市场有何看法?会采取什么策略?
Tony Armstrong:无论目前的市场情况看起来多么无望,半导体市场仍将继续存在,这一市场未来将继续增长。这个观念必须成为公司在这种具有挑战性的时期管理业务的指导原则。近期,公司需要对市场现实做出反应,调整产出和支出以适应目前的销售预测。
在这种时期,我们的客户也许降低产出,但是将继续投资新产品和新产品开发。创新将给半导体市场带来增长,尤其是模拟半导体市场。就推出新产品、成为产品最先上市的公司并拥有以新兴增长市场为目标的产品而言,现在是最佳时机。
凌力尔特公司感兴趣的关键增长市场包括:
汽车――目前,所有汽车制造商都在经历销售下滑并正在采取行动降低产出和支出。但是也有很多汽车公司有积极的开发计划,他们将大幅增加新车中的电子产品。他们预测,在未来几年,汽车电子产品将增长2~3倍。这意味着,电子产品销售将继续增长,而不受每年销售的汽车数量的影响。
因此,我们将保持当前的发展方向不变,继续向汽车领域提供新产品和销售工程支持。此外,世界上每一个主要汽车制造商现在都在研究混合型汽车,这类汽车中将增加更多电子产品。我们已经推出并正在开发面向这一市场的产品。
绿色增长市场――任何以节能或能量获取与保存为目标的产品都将有增长机会,而且不受当前市场情况的影响。能量成本和对环境的关注以及需要延长移动设备的电池寿命已引起对多种应用电源优化的关注。我们的高效率能量转换产品使客户能够更高效率地转换电能、消耗更低的功率并延长电池寿命。
通信基础设施――无线系统的激增在用于无线和网络基础设施的产品方面继续为凌力尔特公司带来极大的市场机会。我们的高速数据转换器和高频产品为下一代蜂窝基站而设计,热插拔和以太网供电产品在网络系统中继续得到大量采用。
工业市场――广阔的工业市场继续提供一个可靠的业务核心。尽管这个市场预期不会像其他一些增长市场增长得那么快,但是工业市场有点更加不受市场波动的影响。
凭借创新性产品和专注的战略,我预期,凌力尔特公司的增长速度将继续高于模拟半导体市场的整体增长速度。业界分析师现在预计,半导体行业增长将放缓。但是最新数字仍然提供了乐观的理由。WFTS的目前市场增长数字显示,估计2008年达到376亿美元的模拟IC市场到2011年将增长到407亿美元。
最后,我认为,凌力尔特公司的客户战略、市场和地域多样化也将成为防止受目前市场状况影响的方法,并为未来的销售收入增长提供了一个渠道。
Andy Williams:我们确实同意2009将是难以预测的一年,对于半导体市场而言,即便是最乐观的预测,也是在颇低水平。积极地看,电源管理产品几乎适用于电子产业的所有领域,所以,好消息是我们不会看到电源管理市场依赖于任何单一市场的成功或是下滑。因此,就像分散投资一样,我们可能看到电源管理市场会有更好的投资回报。
我们认为,总体的消费需求在2009年将持续谨慎和缺乏生气。世界各地的消费者及产业将会恰如所需地消费。我们不预期酌情式或“想要式”消费的需求会增加。然而,我们看到越来越明显的趋势,那就是消费者会购买更高能效的终端产品。能源使用已成为终端产品成本结构中更重要的考量,因此,最高能效产品会持续受到重视及拓展,例如 手机、笔记本电脑、上网本(Netbook)等便携产品将继续注重电池寿命。
在汽车市场,我们将不断看到混合动力及电动汽车在2009年会极加速的发展。尽管能源成本下降,但我们认为这个趋势将是短期性的。未来几年随着垒球经济的复苏,能源成本将继续提升。这种更长期的趋势将为汽车制造商提供机遇,让他们领先于需求曲线,更着重设计及生产能效更高的汽车。无污染(或降低污染的)汽车也将是更长期的趋势。这些趋势将不断推动研发更长使用时间的电池,并增加汽车中的电子成分。随着汽车变得更轻更高效,汽车中的电子成分将激增。
安森美半导体在高能效带动的电源管理领域拥有极佳的优势地位。我们不断开发注重节电及节能的产品,以用于计算、消费、汽车和照明等市场。我们的策略是在自己的重点市场,持续与该等领域中世界最多产的客户合作,推出采用我们半导体元器件的最创新解决方案。
凭借推出领先的技术,同时审慎地管理我们的业务,我们期望可把全球经济对我们业务的影响减至最低,并扩大我们的市场份额。
Tony Lai:确实,整个市场在下滑。但是Maxim公司依然在技术,产品性能和产能上保持领先。Maxim公司会继续提供满足高端和低端手机电源管理需求的高集成度、高性能产品。通过产品的差异化,Maxim公司会帮助关键手机制造商赢得市场份额。
今日电子:LED在最近几年取得了非常大的成功,您认为LED驱动器技术在2009年会有突破吗?贵公司在这方面有什么打算?
Tony Armstrong:就LED应用而言,2008年对很多模拟IC供应商的主流业务来说是关键的一年。在这一年中,LED本身满足了一些关键性能标准的要求,这将导致对LED驱动器集成电路需求的极大增长,LED驱动器集成电路是在各种最终应用中为LED供电所必需的器件。
通过研究几种将促进LED驱动器IC从目前的萌芽阶段进入加速增长阶段的因素,可以发现,LED将迅速成为一种主流照明源。汽车照明、LED光输出、LED成本因素和它们作为白炽灯替代物的潜在用途是这些主要驱动因素中的4种。以下将更详细地说明这4种因素。
汽车前灯――奥迪是第一个在汽车中使用LED前灯的汽车制造商。其组装中含有两个低光束前灯(作为主要功能),是由两个LED阵列组成,每个都有4个有源组件。就高光束前灯而言,一个由4个LED组成的阵列位于邻近低光束阵列的地方。在1A电流时,每个LED阵列都实现了600Lm的光通量。这种组装作为选项提供给2008车型中的R8豪华跑车。不过,大众、雷克萨斯和凯迪拉克在2009车型中都已提供了这种LED前灯。
LED光输出――大功率LED的光输出已经达到了100Lm/W这个具有里程碑意义的关键数字,而有些制造商称自己已经达到120Lm/W。这意味着,就能量转换效率而言,LED现在已经超过了CFL(80Lm/W)。人们进一步预测,到2012年,LED将达到150Lm/W输出。此外,考虑到目前对“绿色”的关注,LED不像CFL那样含有任何有害材料。
这具有重要意义,因为美国能源部已经宣布,照明消耗22%的美国发电量。广泛使用LED照明可以将这种消耗降低一半。我们可以这样正确理解这一点:到2027年,LED照明能减少的年度能量使用量相当于5亿桶石油,同时还伴随着二氧化碳排放量的降低。
LED成本因素――LED照明的成本已经非常迅速地下降了。Polybrite(一家采用LED技术的照明产品领先制造商)指出:在过去的12个月里,个别白光二极管的价格已经从8美元降至1.50美元。该公司进一步预测,到2009年的某个时间,取代白炽灯的LED灯价格将达到消费者可以接受的水平。
LED可以取代白炽灯――Cree(一家北美芯片制造商,其芯片用在很多不同中至大功率的LED中)声称已经设计出了一种发光芯片,能使LED灯产生可与美国家庭广泛使用的75W白炽灯相比较的光。为了能输出这么强的光,这种LED芯片需要4A电流。
安森美半导体Catalyst产品部市场营销副总裁Scott Brown:LED得以再走向成功,是因为它们能够以极少的电能消耗输出最强的光,所以LED是当前市场上最高效的照明元件。我们预期LED在标志、背光、通用及汽车照明等领域继续扩展其应用空间。随着应用范围及实际使用的扩张,成本一般会随着经济规模性而下降。一旦成本下降,应用会持续扩展。这对所有创新元器件及产品而言,都是激动人心的增长周期。LED将可能应用于几乎所有基于照明的应用。相应地,安森美半导体将继续支持LED电源管理应用,生产多样化的元件驱动LED及调光。我们的产品也将着重于LED的终端使用及应用,使我们能够开发结合现有及未来产品的解决方案。
我们预计流明每瓦数不断提升的LED技术在2009年将继续向前推进。安森美半导体的策略是扩充已有的LED驱动器产品阵容(包括电荷泵型及电感型驱动器),使我们能够满足宽广市场范围的客户需求,从小型显示屏和便携设备到大型显示屏背光,以及通用、照明、汽车照明和标志等,不一而足。
此外,3G手机毫无疑问会使得互连网接入业务不断扩张,而这会驱使触摸屏3G手机的更普及。这些较大的屏幕需要更多的LED电源来为它们背光,而当用于浏览互联网或播放媒体文档时,还需要保持较长时间段的背光。这意味着它们需要极高能效的LED背光。安森美半导体屡获殊菜的四模(Quad-Mode)LED驱动器仍是当今市场上背光应用的最高效、最高性价比的电荷泵型驱动器。我们的策略之一就是以这极高效率的解决方案来配合3G市场的发展。
Tony Lai:Maxim公司有高性能的电荷泵和电感式升压LED驱动器。我们认为,2009年便携消费市场最明显的趋势就是:更大的显示器(多背光电源导致高效率需求),智能化显示屏(需要多功能和智能特性),更高的拍摄图像质量(需要更大亮度的相机闪光灯)。
今日电子:对中国市场来说,2009年是3G通信元年,有关这方面的电源管理产品需求也会加大。请谈谈贵公司在这方面的策略。 Tony Armstrong:在很多3G基站中,空间和冷却设备很有限。因此,就任何POL转换器而言,既紧凑、高效又具有低静态电流以满足新的“绿色”标准要求是极端重要的。此外,很多微处理器和数字信号处理器都需要一个内核电源和一个I/O电源,这些电源在启动时必须排序。设计师必须考虑在加电和断电操作时,内核和I/O电压源的相对电压和时序,以满足制造商的性能规格 要求。
此外,功率密度给电源设计师带来了新的重大挑战。一般情况下,要求这些设计师实现高于90%的转换效率,以限制电源中的功耗量和温度上升。因此,一个设计的热性能尤其重要。另外,这些电源必须具有卓越的输出纹波和瞬态响应,同时限制所需的外部电容量,以减小电源设计的总体尺寸。
自20世纪90年代中期开始,凌力尔特公司一直在生产既具有高效率转换又具有低静态电流的电源管理IC。凌力尔特公司在很多电源管理IC中纳入了突发模式(Burst ModeTM)技术。这种技术最大限度地降低了该类IC在备用模式时自身所需的电流。在很多情况下,这种备用静态电流低至10~20μA。
就数字电源作为传统模拟电源解决方案的替代方案而言,普遍接受的数字电源含意是,使用分时PWM控制环路来实现电源转换和调节。数字PWM解决方案几乎总是带来额外的功能、复杂性和成本问题。因为数字方法尚未展现与今天先进的模拟电源系统不相上下的性能,因此我们相信,在短期内数字电源不会成为一个影响通信电源市场的重大因素。
Andy Williams:3G再一次为全球消费者带来他们所需要增加的功能。随着更多功能的增添,更多的元器件功能和模块也随之增加。相应地,电能消耗也在增加,因此对电池电量的需求更高。因此,安森美半导体的策略是以最少的耗电量提供取悦消费者功能的元器件,以尽可能高的能效来转换及管理电池电能。安森美半导体产品的电流消耗将越来越低,我们的元器件将更加高效地把电池电能转换为更先进通信和处理芯片可用的电压电平。
此外,我们还有极广的基础设备产品系列,用于诸如3G等全球性网络。安森美半导体制造多元化的工业及通信元器件,它们不仅处理基础设施所要求的电能,并且其处理方式不会干扰通信设备本身的敏感信号。因此,安森美半导体已经在基础设施及终端设备市场稳占席位,使我们成为重量级的供应商,能很好地服务于3G在全球的繁衍。
Tony Lai:高效率的PA电源管理会延长手机电池寿命。美信公司能提供高性能PA DC/DC,其专为高端智能手机制造商设计。
今日电子:除了上文谈到的LED驱动,3G通信外,电源管理厂商在09年还能找到哪些新的市场切入点?
Tony Armstrong:2009年一个潜在的“热点”(如果可以这么说的话)是无线连接性。似乎无论哪里的人都要通过电子邮件或Web不间断地开展业务活动,通过短信或话音通信与朋友和家人保持联系。结果,对实现这种“连接性”的产品将有很大需求,这类产品通常具有话音和数据传送功能,它们或者通过3G、GSM或CDMA等电信标准、或者用WiMax和蓝牙技术传送话音和数据。支持这类设备所必需的芯片组需要电源管理集成电路,以确保正确工作。不用说,这对凌力尔特这类模拟集成电路供应商将非常有益。
Andy Williams:当然是上网本(Netbook)和汽车。上网本能够快速发展,是因为它们足以让大多数用户接入互连网及进行业务。汽车市场在总体上将继续奋斗,但那些生产出及售出的汽车将具有更高能效,不仅体现在更高的行驶里程,也会体现在混合动力及电动汽车的装置中。这个趋势将驱使越来越多的半导体及元器件加进汽车应用。汽车将变身为连通的载体,除了具备受市场需求推动的更多的能源管理和安全系统:还会有它们自己的3G连接能力、无线局域网(WLAN)和卫星系统。而替代型燃料也将需要汽车采用新的安全及能源管理系统,安森美半导体的元器件可用于构建这些系统。
Tony Lai:用电源管理芯片给手持应用中不同的处理器供电,是今年的一个非常有前景的应用。
今日电子:节能,环保的概念在今日显得尤为重要,请问贵公司会采取哪些措施来继续达成这一目标。
Tony Armstrong:去年,由于媒体的大量报道,“绿色环境保护”概念得以普及。结果,很多电源管理产品供应商在提高功率效率方面取得了很大进步。人们普遍认为,大多数工业化国家认识到需要节约能量。这是因为,随着这些国家人口的增加,他们需要更多的能量来为有加热/冷却系统、照明和家电的新家居供电。不仅建立新的发电设施耗费大量金钱,电能产生后要向用户供电的过程成本也很高。据观察,与建立新的发电设施相比,将大多数家电的电流能耗降低15%~20%是更经济的做法。
由于建立新的发电设施成本很高,因此很多国家已经采用了所谓的“绿色政策”,以此鼓励制造商在最终产品中纳入节能技术。
就用于节能DC/DC转换器的电源管理集成电路而言,必须具有两个主要特点。首先,必须有非常高的转换效率。其次,在备用和停机模式时必须有低静态电流。
关键词:绿色无线通信网络;认知无线电;能效;性能
中图分类号:TP301文献标识码:A文章编号文章编号:16727800(2013)0010002902
作者简介:江廷力(1991-),男,合肥学院学生,研究方向为计算机科学与技术、网络工程。
0引言
根据国外研究统计,全球通信数据总量每5年大致增长10倍,相应的能耗总量每年大约上涨16%~20%。这种网络流量的扩张主要发生在移动通信网络系统中。随着多媒体服务在无线网络中的日益普及,移动数字设备的能源消耗进一步剧增。为了保护环境,应对全球变暖以及维护环境的可持续发展,需要从理论和应用等多方面对绿色无线通信网络技术进行研究。
认知无线电[1]是一种用于提高无线电频谱利用率的概念。一个认知无线电设备可以依靠自身的认知功能来探测无线电频谱,定位空余频谱并保证在授权用户没有使用该频段的前提下利用相应带宽。
认知无线电由于其灵活性和适应性而为绿色无线通信开启了新的可控维度。认知能力可以被理解为一类广泛的特性,从频谱感知到无线网络节点间的智能学习以适应传输。这类特性有利于提高能源效率,同时也能提升无线系统性能。具有这种认知功能的网络节点被称为认知节点,能通过对环境的自适应能力来提高网络性能。
1无线网络中的能源效率
根据研究显示,目前无线网络的访问接入以及核心网络的运营是无线网络中两个最主要的耗能部分。
1.1终端设备和无线接入网
随着无线网络终端用户数量的增加,在进行无线网络接入时,相应的通信能源需求会大幅增长,这使得无线访问网络的能效问题备受关注[2]。高能效通信系统的设计在考虑环境和应用限制的同时也需充分考虑无线射频设备、网络层、可适性物理层算法以及介质访问控制协议等方面问题。其中提高无线网络访问时能效的关键因素主要包括基站架构体系增强、协议和中间件支持、射频部件相关硬件优势以及应用层的支持。
1.2核心网络
核心网络的运营也相当重要。路由器、交换机和服务器等硬件的能耗占运营商IP骨干网能耗的主要部分。目前,在IT基础设施方面,处理节点、IP多媒体子系统服务器和认证、授权和计费等服务器都得益于能源效率的提高。而在核心网络能效的提高方面,3G LTE和WiMAX等新兴无线接入技术具有很多提高频谱效率和能源效率的方法和技术,并充分利用了低功耗和低成本路由器和服务器优势。
尽管如此,目前无线通信网络中的能耗问题仍然十分突出。从认知功能角度来看,为无线通信网注入更多的认知能力将进一步提高节能效率,这使得重构后网络可以获得更为健壮的自适应能力。
2认知功能在绿色无线通信系统中的优势
认知无线电可根据与其发生交互的环境而改变自身传输参数,这种交互包括与其它无线频谱段的用户进行积极协商通信或被动感应,并作出相应的决策。认知无线电节点可以执行一个如图1所示的认知操作周期。从图1可知,一个认知无线电节点可以通过传感器对其所处的操作环境进行感应。在处理完这些感应到的环境状态数据之后,会依据自身目标、优先考虑的问题以及自身的约束做出决策。在确定最合适的策略后,最后会进行相应的操作。换句话说,这样的节点通过积累经验可以使自己变得更聪明。
图1认知节点的认知周期
现在,认知无线电已被认为是提高无线通信系统效率的一种通用方法。从绿色的角度来看,频谱是一种资源,需要被共享。认知节点通过智能操作以及灵巧的频谱接入方法实现了这种范式[3]。但在绿色通信的使用中,它们仍有待于优化。从绿色网络的角度来看,有两个与认知无线电有关的问题:认知节点对能效的提高以及通过认知节点获得高能效的能力。
能源管理问题是一个多维的优化问题,主要包括在动态控制系统的一些性能约束下最小化平均能耗。一般情况下,能效目标可以通过每焦耳能量传输的数据位数来进行衡量。通常情况下,认知节点会利用一种周期性感应法来避开对于重复出现的主用户的干扰,每一个数据帧都被分为两个部分:感应部分和传输部分。通常,感应时间越长,反应正确性越高,但是会相应减少传输时间。所以,传感和传输调度应该在维持感应精度和传输效率的前提下进行。从能量角度看,特别是对于电池容量有限的节点,其可在主用户干预约束的情况下以能效最大化为目标决定最佳传感和传输时间。
在绿色无线通信网络中,认知终端设备和智能的核心、访问网络节点可组成一个基础设施元,通过其认知能力可形成更智能的通信系统。这种相互联系的结构有助于形成更完善的绿色通信系统,如智能电网和智能交通系统等。在不同通信环境中,认知无线电具有多样化的能量效率优化方式和方法:
(1)对于能效提升功能的智能支持。一方面,在学习的基础之上,能耗估算模型需要传感数据和计算方案来达到精确的操作,并且支持能源管理及测量的复杂中间件的支持,无线网络中的能耗剖析在提高能效上也是至关重要的。另一方面,具备电力供应和能效意识的认知节点,由于知道其电力供应源、剩余电池寿命和可替代的适应方案从而可对能效的提高提供更为智能的支持。
(2)网络层的优化能力。通过基础接入设施的支持,认知节点在选择最合适的网络时,不仅可以考虑物理层条件和可用带宽,同时也可以考虑能源成本。例如,在网格模式下,它们可以通过优化路由器和交换机的能效来达到减少能耗的目的。
(3)跨层优化的能力。能源管理问题本身也涉及到了跨层解决方案。这是由于在测量性能时需要考虑到协议栈的特性,然而优化能源开支则依赖于底层射频硬件的细节知识。认知网络与假定具有的机器学习能力和控制框架本质上更易于跨层优化,因为这些功能必须与系统的不同层交互。为了实现更加灵活和自适应的操作,认知网络中的应用程序须具备与无线电进行交互的能力,这使得在应用程序驱动的智能方案中,低层次结构也具备设备上下文感知能力。在基础设施方面,认知节点可通过不同的控制维度来达到优化能效的目的,如切换到不同网络接口、自适应的睡眠周期和应用程序定制策略等,从而避免影响重要用户的服务质量。
由于动态扩展和多样化的应用需求,无线通信系统通常工作在不稳定条件下。对于认知无线电系统来说,一个主要的挑战是如何使得低能耗可重构的射频实现方式适合于在物理上受限的移动终端,并能与固定的硬件实现方式竞争。因此,采用这种新的通信机制时的基本权衡方式是,对在系统中引入的复杂性与产生的绿化增益进行比较。下面列出了目前在无线通信系统中引入认知无线电所面临的两个主要问题和挑战:
(1)如何权衡计算复杂度与产生的能耗之间的关系。这种权衡存在于认知周期阶段的学习、计划和决策(如图1)。与之相对应的机器学习算法和决策理论框架需要具有较高的复杂度。频谱感知和灵活访问需要产生能耗,也可能带来额外的复杂性。因此,对于一个节能认知无线电节点来说,在不牺牲性能的同时既降低复杂性又优化能源成本是很重要的。
(2)如何权衡硬件复杂度与成本之间的关系。可重构无线终端是认知无线电节点的基础设施,包括数字基带引擎以及可重构模拟前端电路。能量增益可以在基带处理算法中使用先进的数字控制基带组件或柔性功率放大器实现。但是,任何高能效系统都需要复杂和昂贵的硬件,这也是一个普遍问题,并不只是在认知无线电系统中存在。
无论是通过认知功能进行自身能效优化的通信系统或是认知节点本身都面临以上的挑战。为了获得高能效,关键问题是如何在满足性能约束的条件下使认知节点持续适应不断变化的实际环境。最为有效的方法是在系统级层面上利用不同层之间的跨层相互作用进行综合能源管理来对能耗进行优化。目前,针对认知无线电在提高系统能效时所面临的问题,国内外已开展相应的研究课题。
参考文献:
[1]J MITOLA.Cognitive radio architecture evolution:annals of telecommunications[J].Annals of Telecommunications,2009(7).
目前“绿色数据中心”已经走出概念的范围,成为众多IT厂商围攻的目标。中国目前开始大规模建设数据中心,涉及到建筑、硬件、软件、电源、UPS、空调等各方面的内容,并且都蕴藏了巨大的商机。
绿色数据中心的建设
绿色数据中心的建设往往涉及到系统内诸多问题,即包括各种IT系统设备及相关因素,如机房场地、UPS、作业所需的电气设备、系统服务器及相关设施、信息中心应用系统等多个方面。目前,绿色数据中心尚没有统一的定义,但诸多解释都指向了以下几个层面:第一,必须是标准化的;第二,必须是模块化的;第三,必须是可扩展的;第四,PUE必须达到一定的值,一般来讲PUE小于1.5就算是绿色数据中心。但是需要说明的是,PUE并非绿色数据中心惟一指标,对特定的数据中心,并不是PUE越低就越经济。
绿色数据中心的构建一般是在IT整体规划的基础上,从制定业务管理目标开始,然后进行IT架构的部署、设备的招标采购、项目管理,最后进行后期的信息系统的运行和维护。而在这整个过程中,需要保障数据中心高可靠性、高可用性的基础上,通过融入先进的绿色节能和绿色计算技术,全面均衡考虑电源与设备、空间与冷却、运行与维护、管理与服务、安全与高效、虚拟化与自动化等方面的要素,不断降低数据中心所有设备能耗与IT设备能耗之比(PUE),从而达到节能、可靠、灵活和高效的绿色数据中心标准。
外企早有预谋
目前,面对绿色数据中心的建设浪潮,外企IT厂商已经早早预谋,如IBM、惠普、Sun、戴尔等IT巨头在几年前就推出了各自的绿色方案,涉及了从芯片级入手提升服务器性能,改进基础软件架构效率,改善机房基础设施环境等诸多方面。如2007年初,惠普就拿出了一整套绿色数据中心改造解决方案。惠普提出的绿色数据中心实现路径是,如何从“高成本的IT孤岛”转变为“低成本的池化IT资产”。惠普的技术实现手段包括了IT系统与服务、电源与散热、管理、安全、虚拟化、自动化等等。而IBM则提出了实现绿色数据中心的5大举措:一是诊断,也就是了解数据中心能源使用情况和改进的条件;二是计划建立并升级为能耗高效的数据中心;三是实施虚拟化以及其他创新技术;四是使用创新的冷却解决方案;五是通过能源管理软件获得控制能力。
与IBM、惠普相比,Sun的“绿色”计划则保持了特立独行的风格,其采用多线程技术的UptraSPARCT1称得上是业内第一款倡导“绿色”的芯片产品。此外,在2012年的数据中心绿化潮中,英特尔推出了11款Ivy-Bridge系列XeonE3处理器,XeonE3V2比之上一代XeonE3普遍提升了100MHZ的起始频率,并且睿频加速技术可提升400MHZ以上的CPU主频,同时因为采用了22nm技术,节能性能更为出色。Intel计划在2013年将14纳米的工艺推向市场,然后每两年缩小一点,英特尔设想在2020年实现“零能耗计算”。
同样,AMD在2012年末了的主力产品Opteron6300系列处理器。该系列产品相较过去的Opteron6200性能方面有多达24%的提升,同时由于采用了AMD打桩机(Piledriver)微架构技术,在节约能耗方面也将有更为优秀的表现。2013年,AMD还要在服务器领域推出Steamroller(压路机)架构芯片,其具有更好的调度器、高速缓存更大、更节能,更多寄存器资源和其他一些增强功能。
此外,爱默生、APC-MGE这样的电源管理解决方案提供商也积极参与数据中心绿化浪潮的推进。一些提供虚拟化软件的公司,如VMware和Egenera也在绿色数据中心的虚拟化技术方面推出了最新的技术。美国江森自控研发出约克空调变频技术,能使机组综合部分负荷效率得到提升。鹏博士北京酒店桥数据中心、中国电信云计算内蒙古信息园数据中心以及上海农商行业务处理中心等多个新建项目采用约克空调变频技术、自由冷却、机房群控等技术,预计节能30%左右。
国内厂商迅速跟进
目前企业中的高能耗部门数据中心正面临着降低能耗、提高资源利用率、节约成本的严峻挑战,构建绿色节能的数据中心也受到越来越多的国内IT厂商的关注,并且在多个领域都发展了新的应用技术和方案。
比如方正宽带以北大方正集团为依托,正在构建旨在改变中国人知识结构和文化生活的宽带多媒体数字社区。目前方正宽带正在全力研发和实施下一代数据中心计划,并全面践行“绿色机房”策略。方正宽带的下一代数据中心全方位应用节能IT设备,包括节能的新型网络设备、节能服务器、刀片服务器、虚拟主机节能管理等应用;此外,双冷源空调利用室外自然温度冷却,总体节能超50%。
而中兴通讯作为中国最大的通信设备上市公司和全球第四大手机生产制造商,目前针对中国绿色数据中心建设巨大的市场,正在推出三种产品系列,分别是集装箱数据中心USapphire CDC、微模块数据中心USapphire MDC和微云系统USapphire MINI,三种产品系列全部支持中兴通讯iDCIM数据中心智能管理系统。这三种产品为应对节能的要求,在配电方面采取动力箱的形式,内置柴油发电机的高压直流系统或者飞轮系统,与CDC的移动性相配套;在制冷方面,采用冷水机组+列中制冷空调末端的方式以水平送风的方法来节省能耗。而微云系统则特别支持高压直流系统,在微云系统MINI27℃进风温度的条件下,可以最大利用新风等自然冷源,全年综合PUE能达到1.2左右。
华为公司作为全球第二大通讯供应商,目前也积极与合作伙伴开放合作在绿色数据中心和云计算等领域构筑优势的解决方案。总部位于成都,分别在北京、深圳、杭州、成都设有研发中心的华为赛门铁克公司在绿色数据中心构筑上研发了多项措施。如对密封机房采取了精确送风的技术,对PUE值全面的优化,推出了绿色节能SSD(固态硬盘)和SSD存储系统。相比于传统硬盘,华为赛门铁克SSD硬盘以25%~70%的能耗节省,100倍的性能提升、无突发电流、低散热、无噪音等优异特性,赢得客户的信赖。
天津汉柏科技有限公司采用定制化的机架设计方案,从服务器、存储的电源设计,到整个数据中心机房内冷热通道的隔离,以及全新的空气回流散热方式的设计,有效地降低了供电系统在多次传输过程中造成的能耗损失;此外,汉柏的云计算管理平台Cloud Soft,提供完整的虚拟化管理、资源集中管理、业务管理、运维管理软件,可有效地降低云计算运维费用。
目前,中国的各个运营商打造绿色的数据中心的工作也已经全面展开。作为全球最大的电信运营商,中国移动集团公司计划建设部节能减排处副主任李海滨介绍说,集团在绿色数据中心方面的思路是仓储式机房,特点是希望整体部署,实现机房和IT设备整体考虑。目前,中国移动的天津市仓储式机房,已经建成投产,该数据中心层高是3.3米,采用钢结构的形式,建设两个模组四个模块,已经安装了110个机架,1885台服务器;而哈尔滨市仓储式数据中心,目前正在准备实施,采用集装箱数据中心,建设四个模块化的机房,可安装38个机架。而中国联通也全面推出了绿色IDC实践。中国联通将至少推出五种方式来实践IDC的绿色计划。其中的天津华苑国际数据港已经率先采用新技术,打造高端绿色IDC;而北京亦庄二期工程将适用联通提出的新IDC技术规范。
下一块重要市场:
原有数据中心优化改造
1997年前后,中国的互联网开始兴起,而中国的大多数数据中心都是在2000年前后建成,到现在为止,已经使用了10余年,接近了使用的生命周期,很多公司在数据中心计算能力方面已经碰到“天花板”。 国研网络数据公司副总经理苗钰谈到,中国大城市的数据中心大都建设于20世纪末,目前都面临着如何降低运营成本的问题。而随后建立的数据中心由于IT需求不断增加,高密度配置机架的激增,增加了供电和散热的复杂性,使供电和散热问题日益显著。这些数据中心的散热系统逐渐变得不堪重负,而逐渐攀升的电力成本也成为企业的巨大负担。
工信部电信研究院通信标准研究所主任何宝宏表示:“目前,中国IDC的平均能源利用率(下称“PUE”)在2.2~3.0之间,而实际能耗可能远远高于这一数字。”提高IDC能耗利用水平、将PUE值控制在尽可能低的范围内,是IDC管理者和业内人士共同追求和努力的目标。所以,对原有数据中心进行优化改造以有效降低能耗支出已经成为数据中心管理者的当务之急。而目前在中国这样的数据中心达到50多万个,巨大的数量也使数据中心的优化改造成为未来建设绿色数据中心最重要的一块市场。
赛迪顾问副总裁赫建营也表示,未来应该更多聚焦在旧有数据中心的升级改造上,“因为随着数据中心中的IT系统的发展呈现出应用系统多样化、硬件投入持续增加、数据海量增长等趋势,如何管理维护好数据中心中的软硬件、降低维护成本、最大程度地利用数据,应该确立数据中心运营的目标,而盲目的建设数据中心只会增加额外的负担”。
目前业界也针对这一市场拿出了各种武器进行争夺,在机房规划设计、引入更为节能的IT设备、从UPS层面解决容量和负载均衡、智能冷却和电源改造、虚拟化应用等方面都打响了战役。以国研网络数据公司为例,目前该公司为教育、金融、政府等近700家单位进行服务器的托管服务,同时为歌华有线、中国移动、中国联通进行运营服务。国研网络数据公司的数据中心建设于9年前,为了降低数据中心的能耗提高能效,公司采取了多种措施来做系统的改进。如为了应对数据中心设备功率密度高及散热可靠性、灵活性等要求,公司主要对的空调和新风系统做了改进。比如公司采购了先进的空调系统,并增加了温度、湿度自动调节系统来提高维护和运营的可靠性;此外,对数据中心内部的空气循环系统通路进行了改进;而在冬季,机房采用了室外新风系统来降温,也能起到一定的节能效果。“大多数传统数据中心需要全天候运行,所以进行带电改造难度其实也不小。我们公司经过几年的运营,目前达到了18%的节能效果,实践也证明,绿色改造对于运营成本的降低确实有效。”国研网络数据副总经理苗钰说。
不过记者在调查中也发现,目前外商在这块市场还是占有很大的优势,特别是在传统的硬件厂商提出“一站式”服务以来,对中国的中小服务商形成的冲击较大。比如戴尔中国高级经理邢伟介绍说,戴尔数据中心优化服务的具体内容包括数据中心评估服务、数据中心规划服务、数据中心改造服务、数据设计服务、数据中心整合与搬迁服务、数据中心实施服务等。目前戴尔与VMware、微软、Citrix等合作,为用户提供度身定做的虚拟化解决方案;此外还与APC等合作为用户提供灵活的电源与制冷解决方案。“戴尔自身没有独特的技术,但是却有很强的执行力,这也是戴尔公司成为强大公司的一大武器。”邢伟说。
而惠普绿色数据中心改造解决方案提供了包括场地优化、智能冷却和电源改造在内的一系列数据中心改造优化服务。其中场地优化服务包括场地布置调整、设备机柜优化、布线路由优化等,智能冷却包括温度控制、风量控制、压力控制等,电源改造包括电源路由优化、UPS系统优化。惠普通过对现有数据中心进行优化改造,可实现温度、风量、压力等的动态控制调整,使IT设备的制冷能耗降低20%~45%。