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%。
“這項研究是第一份詳細的研究，旨在為風能如何從目前美國電力供應的7%擴展到美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)概述的到2030年實現20%的目標發展提供方案 )。”該研究的合著者，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2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，并且建模仍然是一個高度復雜的動力。”
研究人員使用由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。普賴爾說：“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以及它們的渦輪機類型。”她補充說，這些位置來自2014年NREL研究發表時的數據。
“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，以便在每個10分鐘的仿真期間，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喚醒的范圍有多大，”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)的一年中進行的，”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，我們都是在沒有風力渦輪機存在/不起作用的情況下對一個基本案例進行了模擬，因此我們可以以此為參考來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中執行的。本文中介紹的模擬在Cori上消耗了超過500,000個CPU小時，并且歷時一個日歷年才能在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仿真輸出而設計的，” 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。康奈爾團隊最近在《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XSEDE資源來進一步推進該研究。
研究作者說，風能在減少能源生產中的二氧化碳排放中可以發揮更大的作用。風力渦輪機在運行三到七個月后即可償還與部署和制造相關的終生碳排放。這幾乎相當于近30年的無碳發電。
“我們的工作旨在為該行業的發展提供信息，并確保以最大程度地利用風能發電的方式來完成這項工作，從而繼續保持風能能源成本不斷降低的趨勢。這將通過確保持續不斷的發展使商業和家庭用電用戶受益低電價，同時通過轉向低碳能源供應來幫助減少全球氣候變化，”普賴爾說。
普賴爾說：“能源系統很復雜，風能資源的大氣驅動因素從幾秒到幾十年不等。要充分了解風力渦輪機的最佳放置位置以及要部署的風力渦輪機，需要長期，高保真度，以及在高性能計算系統上的高分辨率數值模擬。對美國各地的風資源進行更好的計算可以確保更好的決策和更好，更穩定的能源供應。”
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