超級計算未來的風力發電

2019年全球風電激增，但可持續嗎?全球超過340,000臺風力渦輪機產生了超過591吉瓦的電力。在美國，風力發電為3200萬戶家庭供電，并維持了500家美國工廠。此外，得益于美國和中國蓬勃發展的海上和陸上項目，2019年風電增長了19%。

一個研究由美國康奈爾大學的研究人員用超級計算機來研究如何的未來，使風電裝機在美國更大的跳躍

“這項研究是第一個詳細研究，旨在開發風能如何從目前美國電力供應的7%擴展到實現美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)概述的到2030年達到20%的目標的方案。)，”該研究的共同作者，康奈爾大學地球與大氣研究系教授Sara C. Pryor說。普賴爾(Pryor)和合著者在2020年1月的《自然科學報告》上發表了風力發電研究。

康奈爾大學(Cornell)的研究調查了在不使用額外土地的情況下如何實現風力渦輪機裝機容量擴展的合理情況。他們的結果表明，美國在不改變整個系統效率的前提下，可以將裝機容量提高一倍甚至四倍。而且，額外的容量對當地的氣候影響很小。這部分是通過部署下一代大型風力發電機來實現的。

這項研究著眼于潛在的陷阱，即在給定區域添加更多的渦輪機是否會降低其發電量甚至破壞當地的氣候，這種現象是由“風力渦輪機尾流”引起的。就像摩托艇后面的水流一樣，風力渦輪機會產生一股緩慢，斷斷續續的空氣，最終散布并恢復其動量。

普賴爾說：“這種影響已經受到業界廣泛的建模多年了，建模仍然是一個非常復雜的動力。”

研究人員使用由美國國家大氣研究中心開發的廣泛使用的天氣研究預測(WRF)模型進行了模擬。他們在美國東部地區應用了該模型，而美國東部是目前全國風能容量的一半。

“然后，我們找到了在美國東部運行的所有18,200臺風力渦輪機的位置及其渦輪機類型，” Pryor說。她補充說，這些位置來自NREL研究發表時的2014年數據。

“對于該地區的每臺風力渦輪機，我們都確定了它們的物理尺寸(高度)，功率和推力曲線，因此對于每個10分鐘的仿真周期，我們可以在WRF中使用風電場參數化來計算每臺渦輪機將產生多少功率以及他們的覺醒有多廣泛，”她說。功率和尾流都是沖擊渦輪的風速以及當地近地表氣候影響的函數。他們以4 km x 4 km的網格分辨率進行了模擬，以提供詳細的本地信息。

作者之所以選擇兩組模擬年份，是因為由于自然氣候的變化，風資源每年都在變化。普賴爾說：“我們的模擬是在風速較高(2008年)和風速較低(2015/16年)的一年內進行的，”由于厄爾尼諾-南方濤動的氣候年際變化。普賴爾說：“在過去的兩年中，我們都在沒有風力渦輪機存在/不起作用的情況下對基本案例進行了仿真，因此我們可以以此為參考，以此描述風力渦輪機對當地氣候的影響。”

然后從2014年開始對風力渦輪機機群進行模擬，然后將裝機容量提高一倍，裝機容量提高四倍，這代表了2030年實現20%的風力渦輪機電力供應所必需的容量。

“使用這三種情況，我們可以評估每種情況下將產生多少電力，因此，如果電力生產與裝機容量成線性比例，或者如果滲透率很高，則由于喚醒而導致的生產損失將開始降低效率，普賴爾說。

這些模擬在計算上要求很高。仿真域在水平方向上超過675個網格單元，在675個網格中，在垂直方向上超過41層。“我們所有的模擬都是在能源部國家能源研究科學計算中心(NERSC)的計算資源Cori中進行的。本文中提出的仿真在Cori上消耗了超過500,000個CPU小時，并且花了一個日歷年才在NERSC Cray上完成。該資源是為大規模并行計算而設計的，而不是為分析所得的模擬輸出而設計的，” Pryor說。

“因此，我們所有的分析都是在XSEDE Jetstream資源上使用MATLAB中的并行處理和大數據分析進行的，” Pryor補充說。極限科學與工程發現環境(XSEDE)將超級計算機資源和專業知識授予研究人員，并且由美國國家科學基金會(NSF)資助。

由NSF資助的Jetstream云環境得到了印第安納大學，亞利桑那大學和德克薩斯高級計算中心(TACC)的支持。Jetstream是可配置的大規模計算資源，它利用按需和持久虛擬機技術來支持比當前NSF資源所能容納的范圍更廣泛的軟件環境和服務。

“我們的工作在風力渦輪機描述的詳細程度，使用自洽的預測以增加裝機容量，研究范圍的大小以及模擬的持續時間方面是史無前例的，” Pryor說。但是，她承認不確定性是參數化風力渦輪機對大氣特別是下游尾流恢復的參數的最佳方法。

該團隊目前正在研究如何設計，測試，開發和改進用于WRF的風電場參數化?？的螤枅F隊最近在《應用氣象與氣候學報》上發表了有關此問題的出版物，其中所有分析都是在XSEDE資源上進行的(這次是在TACC系統Wrangler上進行的)，并要求其他X??SEDE資源來進一步推進這項研究。