使用超级计算机研究如何实现更大的风力发电容量

2019年全球风电激增，但可持续吗?全球超过340,000台风力涡轮机产生了超过591吉瓦的电力。在美国，风力发电为3200万户家庭供电，并维持了500家美国工厂。此外，得益于美国和中国蓬勃发展的海上和陆上项目，2019年风电增长了19%。

“这项研究是第一份详细的研究，旨在为风能如何从目前美国电力供应的7%扩展到美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)概述的到2030年实现20%的目标发展提供方案。 )。”该研究的合著者，康奈尔大学地球与大气研究系教授Sara C. Pryor说。普赖尔(Pryor)和合著者在2020年2月的《自然科学报告》上发表了风力发电研究。

康奈尔大学(Cornell)的研究调查了在不使用额外土地的情况下如何实现风力涡轮机装机容量扩展的合理情况。他们的结果表明，美国在不改变整个系统效率的前提下，可以将装机容量提高一倍甚至四倍。而且，额外的容量对当地的气候影响很小。这部分是通过部署下一代大型风力发电机来实现的。

这项研究着眼于潜在的陷阱，即在给定区域添加更多的涡轮机是否会降低其发电量甚至破坏当地的气候，这种现象是由“风力涡轮机尾流”引起的。就像摩托艇后面的水流一样，风力涡轮机会产生一股缓慢，断断续续的空气，最终散布并恢复其动量。普赖尔说：“这种影响已经受到业界广泛的建模多年，并且建模仍然是一个高度复杂的动力。”

研究人员使用由国家大气研究中心开发的广泛使用的天气研究预测(WRF)模型进行了模拟。他们在美国东部地区应用了该模型，而美国东部是目前全国风能容量的一半。普赖尔说：“然后我们找到了在美国东部运行的所有18,200台风力涡轮机的位置以及它们的涡轮机类型。”她补充说，这些位置来自2014年NREL研究发表时的数据。

“对于该地区的每台风力涡轮机，我们都确定了它们的物理尺寸(高度)，功率和推力曲线，以便在每个10分钟的仿真期间，我们可以在WRF中使用风电场参数化来计算每台涡轮机将产生多少功率以及唤醒的范围有多大，”她说。功率和尾流都是冲击涡轮的风速以及当地近地表气候影响的函数。他们以4 km x 4 km的网格分辨率进行了模拟，以提供详细的本地信息。

作者之所以选择两组模拟年份，是因为由于自然气候的变化，风资源每年都在变化。普赖尔说：“我们的模拟是在风速较高(2008年)和风速较低(2015/16年)的一年中进行的，”由于厄尔尼诺-南方涛动的气候年际变化。普赖尔说：“在过去的两年中，我们都是在没有风力涡轮机存在/不起作用的情况下对一个基本案例进行了模拟，因此我们可以以此为参考来描述风力涡轮机对当地气候的影响。”

然后从2014年开始对风力涡轮机机群进行模拟，然后将装机容量提高一倍，装机容量提高四倍，这代表了2030年实现20%的风力涡轮机电力供应所必需的容量。“使用这三种情况，我们可以评估每种情况下将产生多少电力，因此，如果电力生产与装机容量成线性比例，或者如果渗透率很高，则由于唤醒而导致的生产损失将开始降低效率，普赖尔说。

这些模拟在计算上要求很高。仿真域在水平方向上超过675个网格单元，在675个网格中，在垂直方向上超过41层。“我们所有的模拟都是在能源部国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算资源Cori中执行的。本文中介绍的模拟在Cori上消耗了超过500,000个CPU小时，并且历时一个日历年才能在NERSC Cray上完成该资源是为大规模并行计算而设计的，而不是为分析所得的仿真输出而设计的，” Pryor说。

“因此，我们所有的分析都是在XSEDE Jetstream资源上使用MATLAB中的并行处理和大数据分析进行的，” Pryor补充说。极限科学与工程发现环境(XSEDE)将超级计算机资源和专业知识授予研究人员，并且由美国国家科学基金会(NSF)资助。

由NSF资助的Jetstream云环境得到了印第安纳大学，亚利桑那大学和德克萨斯高级计算中心(TACC)的支持。Jetstream是可配置的大规模计算资源，它利用按需和持久虚拟机技术来支持比当前NSF资源所能容纳的范围更广泛的软件环境和服务。“我们的工作在风力涡轮机描述的详细程度，使用自洽的预测以增加装机容量，研究范围的大小以及模拟的持续时间方面是史无前例的，” Pryor说。但是，她承认不确定性是参数化风力涡轮机对大气特别是下游尾流恢复的参数的最佳方法。

该团队目前正在研究如何设计，测试，开发和改进用于WRF的风电场参数化。康奈尔团队最近在《应用气象与气候学报》上发表了有关此问题的出版物，其中所有分析都是在XSEDE资源上进行的(这次是在TACC系统Wrangler上进行的)，并要求其他XSEDE资源来进一步推进该研究。

研究作者说，风能在减少能源生产中的二氧化碳排放中可以发挥更大的作用。风力涡轮机在运行三到七个月后即可偿还与部署和制造相关的终生碳排放。这几乎相当于近30年的无碳发电。

“我们的工作旨在为该行业的发展提供信息，并确保以最大程度地利用风能发电的方式来完成这项工作，从而继续保持风能能源成本不断降低的趋势。这将通过确保持续不断的发展使商业和家庭用电用户受益低电价，同时通过转向低碳能源供应来帮助减少全球气候变化，”普赖尔说。

普赖尔说：“能源系统很复杂，风能资源的大气驱动因素从几秒到几十年不等。要充分了解风力涡轮机的最佳放置位置以及要部署的风力涡轮机，需要长期，高保真度。 ，以及在高性能计算系统上的高分辨率数值模拟。对美国各地的风资源进行更好的计算可以确保更好的决策和更好，更稳定的能源供应。”