绿色制造论文

重庆大学研究生绿色制造现状及发展趋势论文

学生：马可

学号：

上课教师：曹华军

专业：机械设计

类别：学术型

重庆大学机械工程学院

低碳制造与新能源

摘要：本文主要介绍了机械加工过程中的低碳制造相关理论和技术方法，涉及了轻量化、模块化及生态化的产品设计方法;在低碳经济下的新能源开发与利用已经日趋成为人们关注的技术，至今还没有一种新能源能够取代现在普遍使用的化石能源,而只能作为常规能源有限的补充。太阳能光伏发电和风力发电的利用过程无疑是低碳的;但其开发制造过程却要耗散大量的资源,需要大量化石燃料作支撑。无论今后能源结构如何变化发展,节能都应当是一个永恒的主题。

关键词：低碳制造；低碳机械加工；产品低碳设计；新能源；太阳能; 节能；

1.低碳制造概念

1.1低碳制造概述

低碳制造是指在生产全过程中所有的生产环节，包括生产制造、资源利用、物流运输等，以及产品生产的各个时期都要求节能、减排，提高对资源的利用率，以实现低碳的目的。低碳制造是一种综合考虑资源利用率和能源消耗，以及碳排放对环境影响的现代制造模式。

1.2低碳制造技术

低碳制造技术具有丰富的内涵。低碳制造技术体系主要包括：

1)清洁能源技术：包括太阳能技术、水能技术、潮汐发电技术、风能技术、沼

气能技术、生物质能技术等等。

2)低碳设计技术：包括低碳设计原则及方法、低碳设计评价模型及优化模型、

低碳设计标准体系、低碳评价的数据库、低碳化的经济分析模型等等。

3)碳汇技术：包括碳掩埋技术；碳捕获技术等等。

1.3低碳制造体系结构

轻量化设计：确保产品使用性能前提下，尽量减少产品

低碳产品设计模块化设计：通过各功能模块的优化组合适应不同需求

生态化设计：充分考虑材料能源可循环利用及产品对生态环境影响

部件性能优化：电机及主轴驱动、液压等系统优化

加工设备辅助部件节能控制：润滑、照明、气动等部件节能控

制

先进切削技术及刀具：干切削、微量润滑、新型节

能刀具等

低碳机低碳生产过程加工工艺高效工艺优化：加工策略、路径优化、参数优化等械制造低碳再制造：加工设备回收与再造、节能再造及功

能扩展等

高效生产模式：大规模定制，时间紧凑型等

生产管理生产调度优化：多目标综合调度优化模型等

原材料：开发可循环利用绿色材料

低碳资源开发

能源：降低化石能源应用比例，提高电力能源比例

2.低碳制造技术的背景

低碳制造作为一种全新的可持续制造模式，是实现我国2020年减排承诺的有效途径，符合国家发展战略性新兴产业、实施节能减排以及应对气候变化重大战略工程。实施低碳制造，要从能耗、物耗、废物排放等角度出发，提高能源、资源利用率，减少废物排放，改善能源结构，实现制造企业碳排放减量化。

目前，欧美发达国家正在掀起一场以高能效、低排放为核心的“低碳革命”，大力发展低碳经济、低碳制造。意在占领新时期产业制高点，为自身经济寻找新的增长动力，并将其作为应对金融危机、经济衰退、环境恶化和气候变化等多重危机的重要对策。英国是最早提出“低碳”概念并积极倡导低碳经济的国家。英国政府2009 年7 月15 日正式发布名为《Low Carbon Transition Plan》（低碳转换计划）的国家战略文件，提出到2020 年将碳排放量在1990年基础上减少34％，其内容涉及能源、工业、交通和住房等多个方面。

2007 年7 月，美国参议院提出了《低碳经济法案》，将发展低碳经济列为美国未来工业经济的重要战略选择。2008年1月，国际生产工程学会（The International Academy forProduction Engineering，CIRP）在巴黎成立了Low Carbon ManufacturingWorking Group（CWG）, 并参与发起了名为COPE合作研究计划，目的在于核算并减少离散零件制造工艺过程的碳排放等。国务院总理温家宝于2009年11月25日主持召开国务院常务会议，研究部署应对气候变化工作，决定到2020年我国单位国内生产总值。

二氧化碳排放比2005年下降40％~45％，并作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。2011年1月，由国家自然科学基金委员会工程与材料科学部主办，中南大学承办的“面向高端装备的低碳制造基础研究”研讨会在长沙召开, 共同探讨高端装备低碳制造中的基础科学问题。工程与材料科学部机械与制造科学处于2010年已资助了题为“离散车间制造系统高效低碳运行优化理论与关键技术”基金重点项目，并在2011 年度重点项目立项指南中，设立了“低碳制造的基础研究”以引导国内专家开展低碳制造的基础研究。

据统计，我国制造业的能源消耗占我国能源消费总量的60%左右（根据国家统计局2010年数据），造成环境污染的排放物有70%以上来自制造业，每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。同时，制造业又是采矿、电力等高能耗工

业产出产品（电能、材料等）的消费者。因此，制造业的快速发展是造成我国整个工业领域的能源消耗与碳排放激增的主要源头。如何在保证我国经济稳定、健康发展的前提下，有效控制碳排放，是目前我国制造业迫切需要解决的问题之一。

3.机械制造中的低碳技术应用

通常情况下，机械产品设计以生产费用最低，获得的经济效益最高为目的，同时要保证产品的功能、性能、质量合格，但随着人们对环境和资源意识的提高，设计产品时还应当做到符合“低碳”的要求。产品设计对能源消耗起着至关重要的作用. 因此, 分析产品设计对能源消耗和环境的影响因素, 研究面向能源优化利用和环境保护的产品设计方法, 对提高能源利用率, 保护环境等方面具有重大的意义。此设计理念的最终目标是控制能源消耗和废物排放, 从而达到合理利用资源和保护环境的目的。面向低碳制造的机械产品的设计主要有以下几种。（1）轻量化设计

轻量化设计是一种综合了性能、成本、重量和配套设备等因素的优化设计方案。轻量化设计主要的优点有：一方面，能够减少生产过程带来的能源消耗，降低原材料和资源在生产中所产生的碳排放量。另一方面，能够降低产品在运行使用过程中污染物的排放以及能源消耗，降低噪声，提高资源的利用效率。

例如：德国汽车厂商奥迪公司在2007年提出技术创新，对汽车的生产进行改造。在生产新一代的奥迪TT跑车时，首先采用轻质铝合金材料，将铝材料质量轻与钢材的强度的特点结合起来。另外在A8车系的ASF（Aluminum Space Frame）车体的基础上，结合新技术的高强度钢材，通过巧妙的结构设计，两种材质的优势均得到充分发挥，让第二代TT的车体重量减少了69％，公司因此获得了巨大的经济效益，另外从环境的角度来看，轻量化的车身设计还有助于降低油耗与污染物的排放。

图1.奥迪轻量化车身设计模型

（2）模块化设计

机械产品的模块化设计是一种先进的机械产品设计方法, 它将系统根据功

能的不同分解为若干模块, 通过模块的优化组合得到不同品种和不同规格的产品, 在当代提倡低碳的时代更是得到广泛的应用。模块化设计已被广泛应用于机械、电子、军事、航天、航空等设计领域。

机械产品往往存在大量的非功能性单元, 而这些非功能性单元用一个固定

的标准来衡量是非常困难的, 使用过程中往往带来大量的不便和浪费能源资源

的情况。因此, 对机械产品各功能单元进行模块化划分, 使用模块来量化每个机械企业的能源消耗的可改进潜力。在设计时通过改变模块, 就可以在不影响设备功能的前提下, 最大化的节约能源资源。实例: 德国Index 公司开发的复合加工设备, 通过不同模块组合能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等许多工序, 实现复杂零件的全部加工。采用了模块化系列机械产品的设计实现了一机代替多机, 减少机床数量, 而且功能复合化装备制造成本低, 耗能少, 实现低碳化。

图2.Index公司开发的模块化多功能复合加工设备

（3）生态化设计

生态化设计是在满足产品使用功能的前提下尽量减少能源和原材料的巨大消耗和浪费及对生态环境的破坏的一种设计方法。生态化涉及的内容相当的广泛, 几乎涉及所有领域, 主要有能源、资源、机械、化工、交通、建筑、电子等行业。机械产品设计过程中选择材料时应首先考虑以下内容: 首先, 优先选用可循环使用、可再生、可生物降解和可重复使用的材料; 其次, 优先选用绿色环保、节约能源资源为基础的材料, 提高能源资源的利用率, 从而节省能源资源; 再次, 优先选用污染少、能耗低和无毒、无害及无辐射特性的材料, 减少产品对环境的破坏。

一般的, 机械生产过程中都会不同程度的产生废水、废气、废渣等污染物, 会对环境和操作者造成危害。尽量推行产品的生态设计, 选用科技含量高、生产效率高、经济效益好、环境污染少的新技术和新工艺工艺, 选用便于拆卸的技术方案, 使产品在运行使用阶段原材料的消耗、能源的消耗和污染物排放等减少到最低程度。从环境保护和节约资源的角度来看, 废品回收具有重大的意义。因此, 设计产品时要考虑到报废后的回收和再利用。尽量将产品设计为废后能翻新、修复进而进行再制造或者废旧产品通过材料的分离、分解回收材料的产品。

4.低碳加工技术及装备

制造加工过程是碳排放的主要物化、具体化的过程。要实现低碳制造，必须考虑产品的加工过程如何实现低碳，开发和选用低碳加工工艺及装备。国外对节能低碳加工技术及装备非常重视，并加大对该领域的资金投入。国际标准化组织（ISO）制定了ISO/NP 14955 机床环境评估（Environmental Evaluation of Machine Tools）标准，旨在提高机床的能效水平，实现机床产品的低碳化。英国拉夫堡大学（Loughborough University）Richard Hague 教授等在一项低碳制造项目研究报告“ATKINS:Manufacturing a Low Carbon Footprint”中对切削加工、铸造、注射成型等工艺的碳排放状况进行了初步分析和统计，通过对比分析，提出并认为直接成形的快速制造（RapidManufacturing）是未来的低碳制造技术，并将可能引起设计、工艺以及物流等制造业多个环而国内也有部分企业和院校开始开展低

碳装备方面的研究，如重庆机床集团与重庆大学合作开发了如图 3 所示的高速

干切削滚齿机。

基于生命周期评价方法（Life Cycle Assessment），发现YS3116CNC7 机床制造阶段耗材较多、装机功率大等因素导致其生命周期碳排放总量较大；然而通过结合机床的使用性能，建立碳效率评价指标，该滚齿机床比传统机床（YKB3120A）表现出更加优秀的碳排放特性。综上所述，在全球气候变化压力以及各国纷纷提出碳排放减排具体指标的背景下，低碳制造的研究已成为新的学术热点并受到国内外学术界的关注。但是，由于国内关于低碳制造的研究刚刚起步，并未形成系统的低碳制造理论。因此，随着对低碳产品的重视度越来越高，而碳排放特性及排放状况将成为产品及制造系统的一项重要决策指标，支持产品低碳化开发将成为该领域未来的一个发展趋势；而低碳优化与建模理论也将在未来受到重视而成为制造系统理论的一个重要研究新方向。节的变革。

5. 低碳经济背景下的新能源开发和利用

5.1 开发与利用新能源的原因

能源的稳定供给对于经济社会的发展至关重要，然而全球化石燃料的大量燃烧，带来了日益严重的环境污染和能源短缺。面对严酷的现实，人们提出了低碳经济的概念。它一方面是要利用现代科技等手段实现节能、增效，另一方面是要开发新能源，最终目的是实现经济社会发展的低能耗、高能效、少污染和能源供给多元化的可持续发展之路。节能、增效一直非常受到关注，人类几十年来利用经济、法律以及科技等手段广泛开展的节能是有一定成效的。但是由于经济社会的快速发展，能源需求量扩大，能源的供应仍然不断趋紧，由此带来的社会震荡和担忧也日益显现。然而人类社会已经完全离不开化石能源，否则全球经济将出现难以想象的急速衰退。因此，开发利用新能源就成了低碳经济背景下更为紧迫的选择，这也是近年来各国加快开发和利用新能源步伐的重要原因。

5.2新能源的概念

一般认为，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及核能、氢能等作为新能源。环境污染和能源短缺的现实压力令全世界开始重新关注新能源，而且希望新能源能够克服化石燃料燃烧带来的污染和可能出现的能源枯竭。新能源看似有很多优点，如太阳能和风能，取之不尽、用之不竭，利用过程中也不会排放很多的污染物。然而世界各国利用现代科技手段开发不同种类的新能源已有几十年的历史，当然也取得了很大进步，包括太阳能发电、风力发电、核能、生物质能等，但至今还没有一种新能源能够取代现在普遍使用的化石能源，而只能作为常规能源有限的补充。这一方面说明各国还没有取得技术上的全面突破，另一方面，新能源开发利用本身是否也存在一些依靠技术难以克服的障碍呢？因此，应当正视新能源本身和开发利用过程中出现的问题，对新能源过高的期待也应有更为理性的认识。

5.3 新能源开发与利用过程分析

以目前较为普遍利用的、也是人们最为关注的新能源太阳能光伏发电和风力发电为例，其最显着的特点是在实际利用过程中与燃烧化石燃料相比排放的二氧

化碳及相关的污染物非常之少。如一次性投资建成后，就可以依靠自然力运转若干年，基本不排放二氧化碳，维护成本也不太高。即使是生物质能，如技术比较成熟的玉米乙醇，它的燃烧产物也相对比较清洁。更为关键的是，新能源是可再生、可持续的能源。

因此，太阳能光伏发电和风力发电的利用过程无疑是低碳的，而它的开发制造过程却是另外一回事。无论是太阳能还是风能，总是要和地球上其他大量非再生资源结合后才能正常运转，发出电能。如生产和制造太阳能和风力发电装置过程中都要消耗大量的金属和非金属材料，包括钢材、铜、镉、硅、锗、硒、镓、砷等，还需要大量的玻璃、塑料、橡胶等化工产品。上述所需材料事先都要经过开矿、熔炼、提纯、合成等复杂的过程，每一过程都要耗散大量的石油、煤炭等不可再生资源，排放大量的二氧化碳等污染物。此外，发电装置的安装就位还要大量占地、远距离运输等，这些过程都是高碳的，需要大量的化石燃料作支撑，同时也大大提高了新能源开发利用的成本。

目前风力发电成本是火电的2~3倍，太阳能光伏发电成本是火电的5~10 倍。由于风力发电和光伏发电设备的制造要消耗大量的金属材料，这就推高了发电成本。现在吨钢综合能耗的国家标准为一类企业700kg 标煤/t，二类企业730kg 标煤/t。这里所谓的吨钢综合能耗并不包括钢铁工业企业的采矿、选矿、铁合金、耐火材料制品、碳素制品、煤化工产品及其他产品生产、辅助生产及非生产的能耗，这些能耗没有计算到吨钢综合能耗中去，但成本是一定要摊的。因此，仅看吨钢综合能耗的数据还不足以说明风力发电开发制造和利用全过程的排碳量，而市场价格及成本的数据则比较全面地反映了风电的全程排碳量以及与火电排碳量定性的比较。

很显然，新能源开发和设备制造过程对化石燃料的依赖、高成本和二氧化碳等污染物的排放之间是有正相关性的。虽然现在还很难比较准确地计算出新能源与常规能源各自在开发制造和利用的全过程中排碳量、排污量的多少，但目前的高成本说明新能源的开发利用并不经济，全过程排碳量也不见得少，媒体所鼓噪的新能源低碳、无污染、零排放等说法是不全面、不客观的。

在太阳能电池中硅系太阳能电池是发展最成熟的，但其成本居高不下。晶硅太阳能电池的主要材料是硅片，比如铺设大面积的太阳能电池幕墙。然而目前太阳能电池板主要用的是高纯硅，纯度达到99.9999%，这项技术被德国、日本、美国等几家公司垄断。太阳能电池用的高纯硅都是进口的，价值不菲，成本太高，远不能满足大规模推广应用的要求，所以太阳能发电系统在未来仍需要人们不断地探索与完善。

目前国内太阳能光伏发电投资约5万元/kW，而火电约为5千元/kW。太阳能光伏发电投资的高成本，意味着采用当前技术大规模开发太阳能光伏发电是不经济的，虽然随着太阳能光伏发电设备生产技术的改进、生产规模的扩大以及生产链的完善，成本降低是可以预期的。而从另一个角度来看，太阳能光伏发电的基本材料———多晶硅和单晶硅的生产能耗很高，规模生产极有可能反过来抬高常规能源的价格，因此期望太阳能光伏发电组件生产成本的大幅降低又是不现实的。

中国已经成为世界上最大的太阳能电池组件生产国，然而由于尚未启动国内太阳能电池的需求市场，所生产太阳能电池组件的98%以上都需要出口。发达国家为了保护自己的环境，将大量耗能的前期生产放到了中国，虽然赚得一些利润，但环境代价是不言而喻的。还有国内光伏产业市场启动速度太慢，市场和产业不

协调，说明市场承受不了目前光伏技术应用的高成本。这种基本依赖于出口市场的产业存在着潜在危机，发达国家一旦因经济危机或是为了保护本国的行业利益，压缩或暂停太阳能电池片的进口，势必对我国太阳能电池和硅材料行业产生巨大影响，甚至可能引起该行业的运转困难。这必须引起足够的重视，做到未雨绸缪。应加快我国光伏技术的应用和市场发展，完善产业链，不能不顾环境压力仅仅关注产业某一环节的利润。

6.结语

面对不可再生能源资源日益减少和枯竭, 能源供需矛盾日益突显, 在机械加工制造领域开展低碳加工制造技术的研究意义十分重大。文中以低碳机械加工制造为主题, 介绍了轻量化、模块化及生态化设计, 加工设备部件优化, 零部件再制造技术, 先进工艺及切削技术, 高效生产调度管理等低碳加工制造过程中的相关技术和方法。

新能源的开发和利用过程是一个事物的两个方面，我们不应仅仅看到新能源利用过程的低碳和环保，更应关注开发制造过程的高能耗、高成本以及技术的不成熟。要全面看待新能源开发利用的优势和存在的问题。

我们不能一方面耗费大量非再生能源去开发新能源，而另一方面又在大量的挥霍和浪费能源。目前强调生产领域的经济结构调整和经济增长方式的转变比较多，当然这也是节能的题中应有之义，而对于生活领域的大量消费行为所造成的资源浪费却关注不够，对两者之间的联动效应也认识不足。实际上，生活和生产领域所期望达到的节能减排目标是一致的、联动的、相互影响的。对大量消费行为熟视无睹，节能减排的目标是达不到的，无论今后能源结构如何变化发展，节能都应当是一个永恒的主题。

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