Điện gió kỹ thuật số: Từ siêu máy tính đến các trang trại gió ngoài khơi hiệu suất cao

Một hình ảnh mô phỏng bằng siêu máy tính cho thấy tốc độ gió tức thời thổi qua ba tuabin gió. Các nhà khoa GE sẽ tạo ra các hình ảnh mô phỏng tương tự để nghiên cứu về gió thấp cấp. Ảnh: GE Research.

Chỉ trong vòng một giây, siêu máy tính Summit ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của Cục Năng lượng Mỹ ở Oak Ridge, Tennessee, có thể làm được những phép tính mà toàn bộ dân số thế giới phải mất 305 ngày để thực hiện. Khả năng siêu việt này là thực sự hữu ích khi xây dựng các hệ thống phức tạp, ví dụ như hệ thống dùng để phân tích sự cản trở của gió biển giật đối với hiệu suất của các tuabin gió ngoài khơi.

Các kỹ sư tại GE Research đang tìm cách phát triển tuabin gió và họ muốn phân tích luồng gió thấp cấp. Luồng khí này thổi qua Đại Tây Dương ngoài bờ biển đông bắc nước Mỹ, nơi các nhà đầu tư đang lên kế hoạch xây dựng một số trang trại gió lớn ngoài khơi.

Kết quả phân tích luồng khí đó có thể giúp tạo ra nhiều điện hơn mà không khiến chúng bị quá tải, giúp tăng cường độ ổn định, chi phí bảo trì và thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo. Điều này rất quan trọng bởi theo kế hoạch của Bộ Năng lượng Mỹ, tổng điện gió trên bờ và ngoài khơi sẽ chiếm 20% lượng điện của Mỹ vào năm 2030.

Nghiên cứu tính kéo dài suốt một năm tại Oak Ridge với siêu máy là một phần chương trình do Bộ Năng lượng Mỹ khởi xướng có tên gọi là Thử thách nghiên cứu khoa học máy tính tiên tiến (Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge hay ALCC). Kỹ sư của GE sẽ phối hợp với các nhà nghiên cứu liên bang để phát triển các mô hình điều khiển bằng siêu máy tính, tìm hiểu giải thích động lực học gió và ước tính tác động của chúng lên toàn bộ trang trại điện gió.

Hiện tại, người ta chưa thực sự hiểu rõ về luồng gió thấp cấp nhưng ngành điện gió đang dành nhiều sự quan tâm cho nó, chủ yếu là do việc khai thác nó rất khó khăn. Thông thường, các luồng gió thổi nhanh hơn thì nằm cách xa mặt đất hơn. Song, gió thấp cấp tăng tốc từ mặt đất, đạt tốc độ tối đa và sau đó giảm tốc độ khi lên cao hơn. Nhiều nhà khoa học cho rằng các luồng gió này được rạo ra khi gió thổi từ đất liền ra biển. Ở trên đất liền, gió ven biển phải chống lại lực ma sát đối nghịch của mặt đất, nhưng khi ra đến biển, lực này không còn cho phép nó tăng tốc.

Khai thác gió thấp cấp cho toàn bộ trang trại gió bắt đầu với việc mô hình hóa nó một cách chi tiết hơn và trên quy mô lớn hơn. Các tính toán trong nhiệm vụ này là rất phức tạp vì các tuabin đứng riêng lẻ làm nhiễu luồng gió và tăng độ rối loạn khi tính toán, đòi hỏi khả năng xử lý dữ liệu lớn của siêu máy tính như Summit, một cỗ máy có thể xử lý vượt trội hơn 150.000 chiếc Xbox Ones. Jing Li, kỹ sư khí động học ở GE Research, cho biết: “Với một siêu máy tính, không còn giới hạn nào trong việc quan sát cách gió thổi qua một cánh quạt. Bạn có thể làm được việc đó với hàng chục, chính xác hơn là hàng trăm tuabin của một trang trại gió lớn”.

Li và nhóm của mình sẽ sử dụng các kỹ thuật mô hình tiên tiến do Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia thiết kế phục vụ dự án ​​nghiên cứu có tên gọi Khí quyển tới Điện tử (A2e). Dự án này được thực hiện nhằm mô tả chính xác thế giới ở các quy mô khác nhau bằng các mô hình cho phù hợp. Richard Arthur, Giám đốc cấp cao về kỹ thuật tại GE Research, giải thích: “Ở cấp độ rộng nhất, bạn có một mô hình khí hậu, sau đó là mô hình thời tiết, sau đó đến mô hình gió, trang trại gió, tuabin đơn, dòng chảy trên từng cánh quạt riêng lẻ và cách mà từng cánh quạt hoạt động tác động đến hiệu suất chung của trang trại gió”.

Arthur cho biết thêm: “Khi xây dựng mô hình dựa trên vật lý, cần phải giới hạn độ phức tạp về số liệu ở mức có thể chạy thực tế trên các hệ thống máy tính có sẵn, vì vậy chúng tôi sử dụng các mô hình vật lý khác nhau cho mỗi thang đo. Việc tích hợp nhiều mô hình đó trên các quy mô khác nhau lại đòi hỏi khả năng của siêu máy tính”.

Công việc của Li và cộng sự sẽ diễn ra theo ba giai đoạn trong vòng một năm tới. Trước tiên, họ khai thác hàng loạt dữ liệu gió. Ví dụ, từ những gì mà nghiên cứu thực địa do Trung tâm Năng lượng Sạch Massachusetts thu thập, họ xác định các mẫu gió thấp cấp được tìm thấy ở vùng duyên hải đông bắc. Tiếp theo, họ sẽ chạy mô phỏng để mô hình hóa sức mạnh và tốc độ của luồng khí này theo thời gian và ở độ cao vượt khỏi phạm vi đo lường thông thường, giúp hiểu rõ hơn về chúng. Kết quả từ đây được dùng để lập mô hình lý thuyết gió thổi qua một trang trại gió, và cuối cùng là tính toán công suất tải và sản lượng điện tối ưu.

Không dừng lại ở đó, những tiến bộ trong việc mô hình hóa các luồng gió nhiễu loạn mà Li và công ty đang triển khai sẽ giúp ích cho nhiều lĩnh vực. Arthur lưu ý: “Đây là một vấn đề cực kỳ thách thức. Sự nhiễu loạn cho thấy nhiều vấn đề về kỹ thuật và khoa học, từ gió, thời tiết và khí hậu đến động cơ, máy phát điện và thậm chí cả các ứng dụng chăm sóc sức khỏe, chẳng hạn như lưu lượng máu mạch máu hoặc nam châm siêu dẫn trong MRI”.