2019年(nián)全球風(fēng)電(diàn↓σ)激增，但(dàn)可(kě)持續嗎(ma)?全球超過340,000台© 風(fēng)力渦輪機(jī)産生(shēng)了(le)超過591吉瓦的(de)電₩≥★"(diàn)力。在美(měi)國(guó)，風(fēn≥ g)力發電(diàn)為(wèi)3200萬戶家(jiā)庭供電(diàn)，并維∑持了(le)500家(jiā)美(měi)國(gu≥↓ó)工(gōng)廠(chǎng)。此外(wài)，得(de)益于美(měi)國(guó)和(•→≥hé)中國(guó)蓬勃發展的(de)海(hǎi)上(shàng)和(hé)陸上(→•βshàng)項目，2019年(nián)風(f↕♦ēng)電(diàn)增長(cháng)了(le)1φ<9%。
“這(zhè)項研究是(shì)第一(yī)份詳細的(de✘€α)研究，旨在為(wèi)風(fēng)能(néng)如(rú)何從(cóng)®$Ω目前美(měi)國(guó)電(diàn)力供應的(de)7%擴展到(dào)美(m↔∏ěi)國(guó)能(néng)源部國(guó)家(jσ×'iā)可(kě)再生(shēng)能(néng)源實驗室(NREL)♥>概述的(de)到(dào)2030年(ni¥$ ∞án)實現(xiàn)20%的(de)目标發展γ提供方案。 )。”該研究的(de)合著者，康奈爾大(dà)學地(dì)球與大♥☆'(dà)氣研究系教授Sara C. Pryor說(shuō)。普₹♠π≥賴爾(Pryor)和(hé)合著者在20¶×π20年(nián)2月(yuè)的(de)《自(zì)然科(kē)學報(bào)告》$÷¥上(shàng)發表了(le)風(fēng)力發電(diàn)研究。
康奈爾大(dà)學(Cornell)的(de)研究調查了(le)在不(bε♦>ù)使用(yòng)額外(wài)土(tǔ)地(dì)的(de)情況下(xi♠♣>à)如(rú)何實現(xiàn)風(fēng)力渦輪機(jī)裝≤&機(jī)容量擴展的(de)合理(lǐ)情況←®≠。他(tā)們的(de)結果表明(míng)，美(měi)國(guó)δ§πδ在不(bù)改變整個(gè)系統效率的(de)前提下(xià)₽σ☆¶，可(kě)以将裝機(jī)容量提高(gāo)一(yī)倍甚至 $₽四倍。而且，額外(wài)的(de)容量對(duì)當地(dì)的(de)氣候影(y$♦ǐng)響很(hěn)小(xiǎo)。這(zhè)部分(fēn)是(shì↑™>≠)通(tōng)過部署下(xià)一(yī)代大(d Ωδà)型風(fēng)力發電(diàn)機(jī)來(lái)實現(xià"λ&n)的(de)。
這(zhè)項研究著(zhe)眼于潛在的(de)陷阱，即在給定區(qū☆≥)域添加更多(duō)的(de)渦輪機(jī)是(shì)否會(h✔&uì)降低(dī)其發電(diàn)量甚至破壞當地(dì)的(de)氣候，這(zhè)種現(xiα↓àn)象是(shì)由“風(fēng)力渦輪機(jī)尾流”引起的λ≈☆(de)。就(jiù)像摩托艇後面的(de)水(sh<δuǐ)流一(yī)樣，風(fēng)力渦輪機(jī)會(±¶huì)産生(shēng)一(yī)股緩慢(màn)，斷斷續續的(de)空(kōng)氣，最終散布→Ω并恢複其動量。普賴爾說(shuō)：“這(zh∑≤è)種影(yǐng)響已經受到(dào)業(yè)界廣泛的(de)建模""多(duō)年(nián)，并且建模仍然是(shì)一<∞(yī)個(gè)高(gāo)度複雜(zá)的(de)動力。”
研究人(rén)員(yuán)使用(yòng)由國(guó)家(jiā) ε>§大(dà)氣研究中心開(kāi)發的(de)廣泛使用(yòng)的(de)σ≈"天氣研究預測(WRF)模型進行(xíng)了(le)模拟。他(tā)≈φ們在美(měi)國(guó)東(dōng)部地(☆₽©dì)區(qū)應用(yòng)了(le)該模型，而美(měα±Ω♠i)國(guó)東(dōng)部是(shì)目前全國(guó)風(fββ↔ēng)能(néng)容量的(de)一(yī)半。普賴爾說(shuō)：&♣φσ•ldquo;然後我們找到(dào)了(le)在美(měi)國(guó)東(dōng)部運γ& 行(xíng)的(de)所有(yǒu)1αεε8,200台風(fēng)力渦輪機(jī)的(de)位置以及它們的(de)渦輪機(jī)類型。&r☆♣£≈dquo;她(tā)補充說(shuō)，這(zhè)些(xiē)位置來(lái'←)自(zì)2014年(nián)NREL研究發表時(s₽"λhí)的(de)數(shù)據。
“對(duì)于該地(dì)區(qū)的(de)每台風(fēng)力渦輪機≤✔₽¥(jī)，我們都(dōu)确定了(le)它們的(de)物(wù)理<£(lǐ)尺寸(高(gāo)度)，功率和(hé)推力曲線，以↔φ¶¶便在每個(gè)10分(fēn)鐘(zhōng)的(de)仿真期間(jiān)，我φλ€$們可(kě)以在WRF中使用(yòng)風(γεfēng)電(diàn)場(chǎng)參數(shù¶♥↔ )化(huà)來(lái)計(jì)算(suàn)每台渦輪機(jī)将産生(shε★ēng)多(duō)少(shǎo)功率以及喚醒的(de∏≥≈φ)範圍有(yǒu)多(duō)大(dà)，”她(€÷tā)說(shuō)。功率和(hé)尾流都(dōu)是(shì)§≠α沖擊渦輪的(de)風(fēng)速以及當地(dì)近(jìn)地(dì)表氣候影(yǐng)響的±≈γ (de)函數(shù)。他(tā)們以4 km §∞♣x 4 km的(de)網格分(fēn)辨率©"₩'進行(xíng)了(le)模拟，以提供詳細的(de)本π•$地(dì)信息。
作(zuò)者之所以選擇兩組模拟年(nián)份，是(shì)因為(wèi)由于自(zì)然氣£×γ候的(de)變化(huà)，風(fēng)資源每年(nián)都(dōu)在變化₹(huà)。普賴爾說(shuō)：“我們的(de)模拟是(shì)在風(fēng)¶>δ速較高(gāo)(2008年(nián))和(hé)風(fēng)速較低(dī)(2015/16♠✘年(nián))的(de)一(yī)年(nián)中進行(xíng₽&)的(de)，”由于厄爾尼諾-南(nán)方濤動的(de)氣候年(n∞✘®→ián)際變化(huà)。普賴爾說(shuō)：“在過≥π ✔去(qù)的(de)兩年(nián)中，我們都(dōu)σλ$是(shì)在沒有(yǒu)風(fēng)力渦輪機(jī)存在/不(bù)起作(zuò∏π)用(yòng)的(de)情況下(xià)對" ☆£(duì)一(yī)個(gè)基本案例進行(xíng)了(le)模拟，因此我≈γΩ£們可(kě)以以此為(wèi)參考來(lái)描述風(fēng)力渦輪機(jī)對(™₹↕duì)當地(dì)氣候的(de)影(yǐng)響。”γ£π✔
然後從(cóng)2014年(nián)開(kāi)始對(duì)風(fēng)↑≈力渦輪機(jī)機(jī)群進行(xíng)模₽✘拟，然後将裝機(jī)容量提高(gāo)一(yī)倍，裝機(jī)容量提高(gāo)四φ✔↕©倍，這(zhè)代表了(le)2030年(nián)實現(x≠<☆iàn)20%的(de)風(fēng)力渦輪機(jī)電(diàn)力供應所必需的(de)容量™₩"®。“使用(yòng)這(zhè)三種情況，我們可(kě)以評估每種情"β'•況下(xià)将産生(shēng)多(duō)少(shǎo)電(diàn ♥)力，因此，如(rú)果電(diàn)力生(shēn∑♠g)産與裝機(jī)容量成線性比例，或者如(rú)果滲透率很(hěn)高(gāo)，則由于喚×∞醒而導緻的(de)生(shēng)産損失将開(kāi)始降低(£≥★"dī)效率，普賴爾說(shuō)。
這(zhè)些(xiē)模拟在計(jì)算(suàn)上(shàng)要(yào)¶≈©"求很(hěn)高(gāo)。仿真域在水(shuǐ)平方向上βσ'(shàng)超過675個(gè)網格單元，在675個(gè)網格中，在垂直$÷φ方向上(shàng)超過41層。“我們所有(yǒ☆•÷u)的(de)模拟都(dōu)是(shì)在能(néng)源部國(guó)家(jiā)能(néng✘↔)源研究科(kē)學計(jì)算(suàn)中心(NERSC)的(de)計(jì)算(su™¶àn)資源Cori中執行(xíng)的(de)。δ$π本文(wén)中介紹的(de)模拟在Cori上(shàng)消耗了≠®(le)超過500,000個(gè)CPU小(xiǎo)時♣ "♦(shí)，并且曆時(shí)一(yī)個(gè)日(rì)曆年(nián)才能(néng'≤≤•)在NERSC Cray上(shàng)完成該資源是(s§₩hì)為(wèi)大(dà)規模并行(xíng)計(jì)算(suàn)而設計(jì)σ ₩的(de)，而不(bù)是(shì)為(wèi)分(∞↓fēn)析所得(de)的(de)仿真輸出而設計(jì)的(de)¥≈&δ，” Pryor說(shuō)。
“因此，我們所有(yǒu)的(de)分(fēn)析都(dōu)≈δ是(shì)在XSEDE Jetstream資源上(shàng)使用(yòng)MATLAB中的(σ♥∏←de)并行(xíng)處理(lǐ)和(hé)大(dà)數(shù)據分(fēn)析進行✘≤→☆(xíng)的(de)，” Pσ↓✔★ryor補充說(shuō)。極限科(kē)學與工(gōng)程發現(xiàn)環境(X↕₩∑SEDE)将超級計(jì)算(suàn)機(jī)資源和(hé)專業(yè)知(zhī)識授予研究∏≤ε人(rén)員(yuán)，并且由美(měi)國(guó≤☆✘<)國(guó)家(jiā)科(kē)學基金(jīn)會(huì)(NSF)資助。
由NSF資助的(de)Jetstreaσ←m雲環境得(de)到(dào)了(le)印第安納大(dà)學，亞利桑那ε★ (nà)大(dà)學和(hé)德克薩斯高(gāo)級計(jì)算☆ (suàn)中心(TACC)的(de)支持。Jetstream是(shì)可(×φ'←kě)配置的(de)大(dà)規模計(jì)算(suàn)±♦©&資源，它利用(yòng)按需和(hé)持久虛拟機(jī)技(jì)術(shù)來(♦↕lái)支持比當前NSF資源所能(nén<÷g)容納的(de)範圍更廣泛的(de)軟件(jiàn)環境和(hé)服務。&l'•™dquo;我們的(de)工(gōng)作(zu↔δ™ò)在風(fēng)力渦輪機(jī)描述的(dφ"e)詳細程度，使用(yòng)自(zì)洽的(≠"♠®de)預測以增加裝機(jī)容量，研究範φφ圍的(de)大(dà)小(xiǎo)以及模拟的(de)持續時(shí)Ω↑★間(jiān)方面是(shì)史無前例的(de)，” Pry× ÷or說(shuō)。但(dàn)是(shì)，她(tā)承認不(bù)确定↑性是(shì)參數(shù)化(huà)風(fēng)力渦輪機(jī)對(duì)♣↔"大(dà)氣特别是(shì)下(xià)遊尾流恢複的(de)參數(shù)的(de)最佳方法•↓<•。
該團隊目前正在研究如(rú)何設計(jì)±×δ ，測試，開(kāi)發和(hé)改進用(yòng)于WRF的(de)風(fēn&εg)電(diàn)場(chǎng)參數(shù)化(↔&£÷huà)。康奈爾團隊最近(jìn)在《應用 ¥(yòng)氣象與氣候學報(bào)》上(shàng)發表了(le)有(yǒu)關此問(wèn)題£™的(de)出版物(wù)，其中所有(yǒu)分(fēn)析都(dōu)是↕€ ←(shì)在XSEDE資源上(shàng)進行(xíng)的(de)(這(zhè)₩₹$次是(shì)在TACC系統Wrangl₹er上(shàng)進行(xíng)的(de))，并要(yào)求其他(tā↔♣)XSEDE資源來(lái)進一(yī)步推進該研究。
研究作(zuò)者說(shuō)，風(fēng)能(néng)在減少(σσshǎo)能(néng)源生(shēng)産中的(♦♦↑'de)二氧化(huà)碳排放(fàng)中可(kě)以發揮更大(dà)的(de)作(€ zuò)用(yòng)。風(fēng)力渦輪機(jī)在'₩>運行(xíng)三到(dào)七個(gè)月(yuè)後即可(kě)償還(hái)與部署和↕€(hé)制(zhì)造相(xiàng)關的(de)終生(sπ← €hēng)碳排放(fàng)。這(zhè)幾乎相(♦εxiàng)當于近(jìn)30年(nián)的(de)無碳發電(diàn)。
“我們的(de)工(gōnγ£εg)作(zuò)旨在為(wèi)該行(xíng)業(yè)♣σ"的(de)發展提供信息，并确保以最大(dà)程λ←∑度地(dì)利用(yòng)風(fēng)能(néng)發電(diàn)的(de)方式來( ★lái)完成這(zhè)項工(gōng)作(zuΩ• ò)，從(cóng)而繼續保持風(fēng)能(néng)能(γ∏←néng)源成本不(bù)斷降低(dī)的≈™(de)趨勢。這(zhè)将通(tōng)過确保持續不(bù)斷的(de)發展使商業(δ$yè)和(hé)家(jiā)庭用(yòng)電(diàn)用(yòn♥™₹g)戶受益低(dī)電(diàn)價，同時(shí)通(tōng)過轉↕♣÷γ向低(dī)碳能(néng)源供應來(lái)幫助減少(shǎo)全球氣候變λΩ化(huà)，”普賴爾說(shuō)。
普賴爾說(shuō)：“能(nén≥♣₹g)源系統很(hěn)複雜(zá)，風(fēng)能(néng)資源的(d£εφ→e)大(dà)氣驅動因素從(cóng)幾秒(miǎo)到(dào)幾十∞σ年(nián)不(bù)等。要(yào)充分(fēn)了(le)解風(f→♠&ēng)力渦輪機(jī)的(de)最佳放(fà÷≈±ng)置位置以及要(yào)部署的(de)風(fēng)力渦輪機(jī)，需要(yào)長(c♣♦háng)期，高(gāo)保真度。 ，以及在高(gāo)性能(néng)計(jì)算(↑₩δsuàn)系統上(shàng)的(de)高(gāo)分(fēn)辨率數(shù)值模拟。對(ε≥duì)美(měi)國(guó)各地(dì)的(de¶&γ)風(fēng)資源進行(xíng)更好(hǎo)的(de)計(jì)算(suàn)可(kě±×)以确保更好(hǎo)的(de)決策和(hé)更好'δ¶☆(hǎo)，更穩定的(de)能(néng)源供應。”
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