使用超级计算机研究如何实现更大的风力发电容量

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#111723#（文章起源：教导消息网）
2019年寰球风电激增，但可延续吗?寰球超越340,000台风力涡轮机发生了超越591吉瓦的电力。在美国，风力发电为3200万户家庭供电，并保持了500家美国工场。另外，得益于美国和中国发达开展的海上和陆上名目，2019年风电增加了19%。
“这项研讨是第一份具体的研讨，旨在为风能怎样从现在美国电力供给的7%扩大到美国动力部国度可再生动力试验室(NREL)概述的到2030年实现20%的目的开展供给计划。 )。”该研讨的合著者，康奈尔大学地球与大气研讨系教学Sara C. Pryor说。普赖尔(Pryor)和合著者在2020年2月的《天然迷信讲演》上宣布了风力发电研讨。
康奈尔大学(Cornell)的研讨考察了在不应用额定地皮的情形下怎样实现风力涡轮机装机容量扩大的公道情形。他们的成果标明，美国在不转变全部体系效力的条件下，能够将装机容量进步一倍乃至四倍。并且，额定的容量对外地的气象影响很小。这部份是通过安排下一代大型风力发机电来实现的。
这项研讨着眼于潜伏的圈套，即在给定地区增加更多的涡轮机能否会下降其发电量乃至损坏外地的气象，这类景象是由“风力涡轮机尾流”引发的。就像摩托艇前面的水流一样，风力涡轮机遇发生一股迟缓，断断续续的氛围，终究分布并规复其动量。普赖尔说：“这类影响曾经遭到业界普遍的建模多年，而且建模依然是一个高度庞杂的能源。”
研讨职员应用由国度大气研讨核心开辟的普遍应用的气象研讨猜测(WRF)模子停止了摹拟。他们在美国东部地域利用了该模子，而美国东部是现在天下风能容量的一半。普赖尔说：“而后咱们找到了在美国东部运转的全部18,200台风力涡轮机的地位以及它们的涡轮机范例。”她弥补说，这些地位来自2014年NREL研讨宣布时的数据。
“对于该地域的每台风力涡轮机，咱们都肯定了它们的物理尺寸(高度)，功率和推力曲线，以便在每个10分钟的仿真时期，咱们能够在WRF中应用风电场参数化来盘算每台涡轮机将发生几多功率以及叫醒的范畴有多大，”她说。功率和尾流都是打击涡轮的风速以及外地近地表气象影响的函数。他们以4 km x 4 km的网格辨别率停止了摹拟，以供给具体的当地信息。

作者之以是抉择两组摹拟年份，是由于因为天然气象的变更，风资本每年都在变更。普赖尔说：“咱们的摹拟是在风速较高(2008年)微风速较低(2015/16年)的一年中停止的，”因为厄尔尼诺-北方涛动的气象年际变更。普赖尔说：“在从前的两年中，咱们都是在没有风力涡轮机存在/不起感化的情形下对一个基础案例停止了摹拟，因而咱们能够以此为参考来描写风力涡轮机对外地气象的影响。”
而后从2014年开端对风力涡轮机机群停止摹拟，而后将装机容量进步一倍，装机容量进步四倍，这代表了2030年实现20%的风力涡轮电机力供给所必须的容量。“应用这三种情形，咱们能够评价每种情形下将发生几多电力，因而，假如电力出产与装机容量成线性比例，或许假如浸透率很高，则因为叫醒而致使的出产丧失将开端下降效力，普赖尔说。
这些摹拟在盘算上请求很高。仿真域在程度偏向上超越675个网格单位，在675个网格中，在垂直偏向上超越41层。“咱们全部的摹拟都是在动力部国度动力研讨迷信盘算核心(NERSC)的盘算资本Cori中履行的。本文中先容的摹拟在Cori上耗费了超越500,000个CPU小时，而且用时一个日积年才干在NERSC Cray上实现该资本是为大范围并行盘算而计划的，而不是为剖析所得的仿真输出而计划的，” Pryor说。
“因而，咱们全部的剖析都是在XSEDE Jetstream资本上应用MATLAB中的并行处置和大数据剖析停止的，” Pryor弥补说。极限迷信与工程发明情况(XSEDE)将超等盘算机资本和专业常识授与研讨职员，而且由美国国度迷信基金会(NSF)赞助。
由NSF赞助的Jetstream云情况失掉了印第安纳大学，亚利桑那大学和德克萨斯高等盘算核心(TACC)的支撑。Jetstream是可设置的大范围盘算资本，它应用按需和长久虚构机技巧来支撑比以后NSF资本所能包容的范畴更普遍的软件情况和效劳。“咱们的任务在风力涡轮机描写的具体水平，应用自洽的猜测以增添装机容量，研讨范畴的巨细以及摹拟的延续时光方面是史无前例的，” Pryor说。然而，她否认不肯定性是参数化风力涡轮机对大气特殊是卑鄙尾流规复的参数的最好方式。
该团队现在正在研讨怎样计划，测试，开辟和改良用于WRF的风电场参数化。康奈尔团队近来在《利用景象与气象学报》上宣布了有关此成绩的出书物，此中全部剖析都是在XSEDE资本长进行的(此次是在TACC体系Wrangler长进行的)，并请求其余XSEDE资本来进一步推动该研讨。
研讨作者说，风能在增加动力出产中的二氧化碳排放中能够施展更大的感化。风力涡轮机在运转三到七个月后便可归还与安排和制作相干的毕生碳排放。这几近相称于近30年的无碳发电。
“咱们的任务旨在为该行业的开展供给信息，并确保以最大水平天时用风能发电的方法来实现这项任务，从而持续坚持风能动力本钱一直下降的趋向。这将通过确坚持续一直的开展使贸易和家庭用电用户受益低电价，同时通过转向低碳动力供给来辅助增加寰球气象变更，”普赖尔说。
普赖尔说：“动力体系很庞杂，风能资本的大气驱动要素从几秒到几十年不等。要充足懂得风力涡轮机的最好放置地位以及要安排的风力涡轮机，须要临时，高保真度。 ，以及在高机能盘算体系上的高辨别率数值摹拟。对美国各地的风资本停止更好的盘算能够确保更好的决议和更好，更稳固的动力供给。”   （fqj）
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