NREL y el equipo de investigación de GE encuentran ajustes críticos para mejorar el diseño de turbinas eólicas

Fuente: https://www.nrel.gov/

La computación de alto rendimiento revela vulnerabilidades de chorro de bajo nivel y soluciones

Una colaboración de investigación entre NREL y GE Global Research Center descubrió cómo las corrientes en chorro de bajo nivel afectan el rendimiento de los parques eólicos. Imagen de Nicholas Brunhart-Lupo, NREL

Las corrientes en chorro de bajo nivel, también conocidas como chorros de bajo nivel (LLJ), se comportan de maneras poderosas y complejas que pueden afectar la vida y los medios de subsistencia de numerosos estadounidenses. Los vientos que soplan a lo largo de la costa de los Estados Unidos golpean los hogares de más de 128 millones de personas; esa misma energía eólica tiene el potencial de traer a tierra un maremoto de electricidad limpia y renovable para alimentar estos hogares durante más décadas por venir.

Para aprovechar este recurso de energía renovable, los estados a lo largo de la costa atlántica se han comprometido a desplegar casi 20 gigavatios de energía eólica para 2035, lo que hará que el viento sea una fuente importante de energía para la región más densamente poblada del país. Pero comprender cómo se comportan los LLJ puede ayudar a desbloquear todo su potencial, y estudiar esta fuerza invisible ha resultado ser un desafío para la mayoría de los investigadores, hasta ahora.

Con el apoyo conjunto del Consorcio Nacional de Investigación y Desarrollo Eólico Marino y GE Offshore Wind, los investigadores del Centro de Investigación Global de General Electric (GE-GRC) y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) están estudiando el impacto del comportamiento de LLJ a lo largo de la costa atlántica. en instalaciones de parques eólicos costeros para encontrar información crítica para una floreciente economía de energía eólica de EE. UU. 

«Las simulaciones de alta fidelidad específicas del sitio de los parques eólicos generalmente están más allá del alcance del proceso de diseño de energía eólica debido a la gran complejidad de la ciencia y el modelado computacional involucrado», dijo Balaji Jayaraman, ingeniero senior de GE Research e investigador principal (PI). de este proyecto » . Sin embargo, a través de los avances en algoritmos de computación a exaescala y modelos para flujos atmosféricos multiescala, impulsados ​​por los laboratorios de investigación federales de EE. los diseños de turbinas antes no eran posibles”.

Utilizando estas simulaciones de vanguardia, el estudio de investigación LLJ del equipo de NREL/GE-GRC ha revelado una propensión a las pérdidas de energía inducidas por la estela severa y el aumento de las cargas en las turbinas eólicas en el despliegue en alta mar. Específicamente, la costa atlántica es conocida por fuertes LLJ con narices de chorro a alturas comparables a las turbinas eólicas más grandes planificadas para instalaciones costeras en alta mar. Estas turbinas podrían experimentar fuerzas impulsadas por LLJ capaces de agotar rápidamente su vida útil, reducir su eficiencia e incluso provocar el apagado de la turbina. Las simulaciones de alta fidelidad permitieron que los estudios de LLJ costeros también ayudaran a los investigadores a descubrir estrategias para mitigar esos impactos de LLJ.

“Al darnos cuenta de la oportunidad de tener un impacto de gran alcance en la energía eólica marina en los Estados Unidos, pudimos reunir, en un corto período de tiempo, a algunos investigadores altamente capacitados de GE Research y NREL”, dijo el investigador y co-director de NREL. IP del proyecto Shashank Yellapantula. «Este equipo pudo lograr todos los objetivos propuestos originalmente en 2019».

“Este tipo de asociación público-privada nos permitió reunir a las mejores mentes en los campos de la ciencia computacional y la energía eólica y aprovechar las herramientas de modelado y simulación de clase mundial y la infraestructura computacional”, dijo Rick Arthur, director de computación en GE Research. «Tal colaboración es transformadora, ya que permite no solo comprender problemas potenciales ocultos, sino también soluciones consecuentes y viables. No se puede exagerar el poder amplificado de esta colaboración interdisciplinaria e intersectorial».

Modelado de impactos de chorro de bajo nivel

Resolver los problemas energéticos actuales es cuestión de tener la capacidad de capturar, procesar y comprender grandes cantidades de datos. Es por eso que NREL se unió a la colaboración de varios socios y de varios años. El Proyecto de Computación a Exaescala (ECP) y la Oficina de Tecnologías de Energía Eólica (WETO) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) proporcionaron un punto de partida fundamental para el proyecto LLJ.

“Un proyecto como ECP, con tantos subproyectos afiliados que empujan los límites de lo que es posible, puede producir importantes capacidades transferibles que pueden aprovecharse de inmediato para resolver problemas en dominios específicos, como LLJ a lo largo de la costa atlántica de EE. objetivos originales”, dijo Ray Grout, director del Centro de Ciencias Computacionales de NREL.

Como laboratorio líder del proyecto ExaWind de ECP, NREL ha estado encabezando un esfuerzo para desarrollar los algoritmos, la informática y el software que permiten que las arquitecturas informáticas aceleradas emergentes simulen el flujo de aire alrededor de las turbinas eólicas en un gran parque eólico con una precisión sin precedentes. Con el apoyo de ECP y WETO, NREL se asegura de que los códigos ExaWind sean capaces de simular la compleja dinámica estructural y de fluidos de las turbinas eólicas y los parques eólicos que operan en un entorno atmosférico turbulento.

La capacidad de simulación de la capa límite atmosférica de ExaWind, lista para ejecutarse no solo en hardware de exaescala, sino también en clústeres de GPU de tamaño moderado que están superando los límites de la informática con eficiencia energética, proporciona una piedra angular para el análisis LLJ.

OpenFAST de NREL es un código de simulación de turbina completa que, cuando se fusiona con códigos de dinámica de fluidos computacionales (Nalu-Wind y AMR-Wind), crea un entorno de simulación de flujo de viento virtual. Esta capacidad de prueba y simulación virtual permite a los investigadores ver los impactos invisibles de la dinámica de flujo en los parques eólicos.

Usando el código ExaWind , la supercomputadora Summit del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la supercomputadora Eagle de NREL, el equipo de investigación de NREL/GE simuló el impacto de los LLJ dentro de una pequeña matriz de cinco turbinas y un gran parque eólico de 20 turbinas que abarca una región de 10 kilómetros. Esta simulación que contiene 2 mil millones de puntos de cuadrícula fue una de las más grandes jamás realizadas con el código ExaWind y se habilitó utilizando una asignación de tiempo de cómputo en Summit en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF). Esta subvención de tiempo de cómputo fue parte de una asignación del Desafío de computación de liderazgo en investigación de computación científica avanzada otorgada al equipo en 2021 y 2022.

«Las simulaciones de alta resolución y alta precisión como las producidas para este estudio de LLJ requerían un nivel de potencia informática de alto rendimiento como el de Summit que solo tienen unas pocas instalaciones en el mundo», dijo Suzy Tichenor, directora del programa de asociaciones industriales de OLCF. “Este tipo de intercambio de recursos seguirá siendo la columna vertebral fundamental para las colaboraciones que conducen a importantes avances científicos”.

Reducción de cargas sin comprometer la potencia neta

A partir de estas simulaciones, el equipo del proyecto descubrió que los LLJ provocan un aumento significativo de las cargas en las palas de los aerogeneradores. Además, el perfil de viento observado en estos LLJ costeros conduce a estelas más profundas (es decir, áreas de velocidad reducida y mayor turbulencia) y, por lo tanto, reduce la producción de energía de grandes parques eólicos como los planificados para la costa atlántica.

Usando los datos de estas simulaciones a gran escala, el equipo ahora está diseñando estrategias del mundo real para mitigar el impacto de los LLJ en las cargas de la turbina. Antes de este estudio, reducir la potencia de las turbinas (es decir, operar a un nivel de potencia más bajo) era una estrategia común empleada por los grandes desarrolladores de parques eólicos; esto conduce a una mayor vida útil de las turbinas eólicas a expensas de la producción de energía neta. Las estrategias que está desarrollando el equipo de investigación de NREL/GE reducirán las cargas en las turbinas sin comprometer la producción neta de energía de los parques eólicos.

“Nunca antes habíamos tenido este nivel de detalle disponible para entender que los parques eólicos que están diseñados de cierta manera pueden soportar el poder de los fenómenos LLJ”, dijo Yellapantula.

Ciencias aplicadas para soluciones rápidas del mundo real

NREL es uno de los laboratorios nacionales de los Estados Unidos que se centra tanto en la investigación básica como en la aplicada.

Al crear una mayor comprensión de los LLJ y sus efectos en las turbinas eólicas, este proyecto de investigación colaborativo ayuda a fabricantes como GE Offshore Wind a desarrollar esquemas de control de turbinas eólicas diseñados para mejorar la longevidad de las turbinas eólicas.

“Este proyecto fue un gran ejemplo de un equipo de I+D de la industria que se asoció con un equipo de laboratorio nacional para aprovechar la computación de liderazgo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge”, comentó Yellapantula. “Todos estos elementos nos ayudaron a investigar desafíos científicos complejos que afectan a la industria eólica marina de EE. UU. ”

Para lograr un futuro de energía limpia para todos, NREL considera que las asociaciones públicas y privadas son el ingrediente clave para una transformación rápida y duradera del sector energético. A medida que la industria eólica marina de EE. UU. se prepara para un crecimiento exponencial, estas asociaciones darán forma al éxito de las transiciones de energía renovable.

NREL está en una posición única para encontrar aplicaciones del mundo real para sus descubrimientos revolucionarios en el sector de las energías renovables. Asóciese con NREL para abordar sus desafíos de diseño e implementación de energía renovable con recursos informáticos de clase mundial.