超算模拟未来风场，美国能否在2030年达到目标？

导 读

近年来，风力发电作为一种清洁能源，在世界各国迅速发展。美国能源部设立了2030年风电发展目标——届时风力发电量占整个发电量的份额将提升至20%。在风场面积不变的前提下，如何大幅度提升美国风力发电容量？风机数量增加的情况下，如何保持全风机系统的效率？风场对当地气候有多大影响？美国康奈尔大学研究人员依托“Cori”超级计算机开展了一系列模拟研究工作。借助超算驱动创新，全球风电行业将迎来高速发展新阶段。

2019年全球风电发展迅猛，全球30多万台风力涡轮机（简称“风机”）产生了超过591千兆瓦（GW）的电力，同比增长10%。在美国，风能为3200万户家庭和500家工厂提供电力保障。此外，得益于美国和中国蓬勃发展的海上和陆上风电项目，2019年全球新增风电装机同比增长了19%。

美国2030年风力发电目标

近期，美国康奈尔大学研究人员借助超级计算机开展了相关工作，研究未来如何更大幅度地提升本国风力发电容量。

“该项研究拟制定详细的可行性方案，确保到2030年美国风力发电量占整个发电量的份额从当前的7%提升至20%。20%份额的目标是2014年由美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）提出并设立的。”康奈尔大学地球与大气研究系Sara C.Pryor教授介绍道。Pryor教授和其合著者在今年年初的《自然科学报告》上发表了该项工作的最新研究成果。

风场面积不变，如何达成目标？

康奈尔大学的研究详细调研了在不增加风场面积的情况下，如何实现风机装机容量扩展的一些设想。研究结果显示，在保持全风机系统的效率基本不变的情况下，美国装机容量可能翻一番甚至翻两番。此外，额外的装机容量对当地气候的影响非常小，这可以通过部署下一代大型风机来实现。

该项工作着重研究在给定区域增加更多风机是否会降低其发电量甚至扰乱当地气候这一潜在风险。这种现象是由所谓的“风机尾迹流”造成的。就像摩托艇飞驰过的水面一样，风机会产生一股缓慢、不稳定的气流，最终扩散并恢复其动量。Pryor教授说，“工业界已经对风机尾迹流现象进行了多年的建模研究，但直到现在，这仍旧是一个高度复杂的动态过程，准确地建模仍存在挑战。”

对近2万台风机进行建模仿真

研究人员使用由美国国家大气研究中心开发且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，因为美国东部提供了全国一半的风能发电量。Pryor教授说：“我们找到了在美国东部运行的所有1.82万台风机的位置及类型。”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机，我们都确定了其物理尺寸(高度)，功率和推力曲线，以便在每个10分钟的仿真期间，可以在WRF模型中使用风电场参数化来计算每台风机将产生多少功率以及风机尾迹流的范围。”Pryor教授说。功率和风机尾迹流都是基于冲击涡轮的风速和当地近地表气候影响的函数。研究人员以4km×4km的网格分辨率进行了模拟，以提供尽量详细的当地信息。

因为自然气候的变化导致风资源每年都在变化，研究人员选择了两组不同年份的数据进行模拟。“我们的模拟选择了风速相对较高的2008年和风速相对较低的2015/16年进行的，” Pryor教授说，“由于厄尔尼诺-南方涛动造成的气候年际变化，我们都是在没有风机或者风机不起作用的情况下，对这两年的基本情况进行了模拟，因此我们可以以此为参照，来研究风机运转时对当地气候的影响。”

该研究还从2014年开始对风机机群进行了多次模拟，然后将装机容量翻番和翻两番再次模拟，这也是2030年计划实现占整个发电量达到20%的风机电力供应所必需的容量。

“利用这三种情况，我们可以评估每种情况下将产生多少电力，因此，如果发电量与装机容量成线性比例，或者在非常高的渗透率水平上，尾迹造成的生产损失便会降低。”Pryor说道。

超算助力大规模高精度模拟仿真

“这些模拟工作需要大规模计算。该模型在水平方向上有超过675×657的网格单元，在垂直方向上有超过41层，计算量非常大。我们所有的模拟工作都是在能源部国家能源研究科学计算中心（NERSC）的‘Cori’超级计算机上进行的，运算量超过50万KNL•小时。”Pryor说。

Cori超级计算机

Pryor说：“我们的工作在风机描述的详细程度、使用自洽预测以增加装机容量、研究范围大小以及模拟持续时间方面都是史无前例的。”同时，她也承认不确定性是将风机对大气的作用参数化的最佳方法，特别是下游尾迹的恢复。

该团队目前正在研究如何设计、测试、开发和优化用于WRF的风电场参数化。康乃尔大学的研究团队近期还在《应用气象与气候学报》上发表了相关问题的文章。

研究者还表示，风能在减少能源生产过程中的二氧化碳排放方面可以发挥更大的作用。风机在运行三到七个月后即可偿还与部署和制造相关生命周期内的碳排放，这意味着未来30年风机都可以实现无碳发电。

“我们的研究旨在为风电行业的发展提供更多信息参考，并确保以最大化利用风能发电，保持风能能源成本不断降低，从而使商业和家庭用电用户享受更低电价，同时通过转向低碳能源供应来帮助应对全球气候变化，”Pryor说道。

Pryor还补充说道：“能源系统是很复杂的，风能资源的大气驱动因素在时间尺度上从几秒到几十年不等。要充分了解风力发电机的最佳放置位置以及要部署何种类型风力发电机，需要在超级计算机上进行长时间、高保真度和高分辨率的数值模拟。对美国各地的风能资源进行更好的计算模拟研究可以服务政府决策以及保障持续有效的能源供应。”

随着世界各国对环境问题认识的不断深入，以及可再生能源综合利用技术的不断提升，近年来全球风力发电行业高速发展。依托“天河二号”，国家超级计算广州中心为我国风电行业的龙头企业——远景能源、金风科技、明阳风电等提供基于超算平台的新能源解决方案，促进我国新能源企业的腾飞。其中，远景能源是来自工业界最早投入业务化运营的用户单位之一。经过双方深度合作，其“Enweather风光一体化气象服务平台”可服务全球十多个国家用户，依托超算其两大产品飞速发展：格林威治风资源评估平台每年对超过2000个风电场项目进行风资源评估；孔明风光功率预测平台为全球400多个风光场提供实时功率预报。

未来，借助超算创新驱动的翅膀，希望我国更多的风电企业可以进一步提升技术创新能力，提高发展效率，在世界风电产业竞争中飞得更高！让闪耀世界的超算之光，照亮中国风电产业腾飞之路！

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翻译&整理：万园园、岳苹

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