清洁能源模拟器如何帮助建立更好的电网
假设你想研究一些大的东西——比如社区电网、庞大的管道系统或横跨整个美国的道路——但这些东西都不存在，至少现在还不存在。你如何研究这些看不见的迷宫，以确保它们安全高效？好问题，答案是：您可以在国家可再生能源实验室 (NREL) 的一个称为综合能源系统高级研究（简称 ARIES）的平台上进行这项工作。
NREL 的专家们已经建立了一个研究平台，可以对整个电网（无论是现有的还是理论上的）进行 3D 模拟，其中包含数千甚至数百万种不同的能源技术。例如，研究人员可以在现有电网中安装风力涡轮机、太阳能电池板、电池、核设施、电动汽车，甚至智能设备（如我们的手机），以了解它们如何影响我们未来的电网。
但直到最近，网格拼图的一块碎片仍未得到很好的展现。
“一直缺失的部分是：我们如何模拟或表示水力设备？” NREL机械工程师兼 ARIES 研究顾问 Rob Hovsapian 说道，他帮助将水力发电引入该平台。
借助 ARIES，研究人员可以演练和规划几乎任何未来的电网场景。例如：大量可再生能源将如何影响不同的社区电网？水力发电如何帮助我们的电力系统抵御飓风、寒流、网络攻击和其他干扰？
“它让我们能够模拟那些‘如果’的情景，”霍夫萨皮安说。“在现实世界中，你只能受限于现有的情况。”
现在，我们可以对水力发电技术提出一些“假设”，比如水力发电和更为新兴的海洋能（有时称为海洋能，因为它通常来自强大的海浪、洋流和潮汐，但也可以指来自河流的能量）。
虽然两种水力发电技术截然不同，但它们都能产生可预测的能源，使其成为风能和太阳能等更多可变能源的可靠合作伙伴。这些可再生能源以及能源存储（如电池）已经成为 ARIES 的一部分很长一段时间了。是时候在其中加入一点水了。
“现在我们可以使用 ARIES 来模拟水力发电，我们可以研究更多地点的更多场景，甚至潜在的未来能源系统，”ARIES 实验室项目经理 Jerry Davis 说道。“我们希望尽可能多地代表可再生能源。”
但这比听起来要难。
水电模拟器帮助阿拉斯加偏远村庄
当渔民返回阿拉斯加偏远村庄科尔多瓦的港口时，他们进入了一个充满桅杆尖顶的海湾，这些桅杆尖顶看上去就像数百个小型教堂的尖顶。
这些渔民（科尔多瓦有很多）带来了鲑鱼、大比目鱼、石鱼和鳟鱼，但也带来了一些不太理想的事情：能源需求增加了400％ ，这会给这个小村庄的微电网带来压力，微电网是一个独立的电力系统，仅依靠两个水电站和柴油发电机（柴油必须通过空运或船运来，通常价格昂贵）。
这就是一个问题。
科尔多瓦的微电网及其供电的所有设施（包括医院和家庭）都容易受到夏季鱼类丰收和阿拉斯加严寒冬季的能源需求激增以及雪崩和干旱等极端天气事件的影响。该村需要解决方案——让他们的微电网能够适应所有这些变化的新方法，以便他们能够将能源供应与需求相匹配，尤其是当他们的经济或生活依赖它时。
但你不能简单地对如此重要的系统进行修修补补，希望你的操作不会导致停电或不可挽回的损失。你也不能研究不存在的东西，比如尚未安装的电池或太阳能电池板。
这正是 NREL 和 ARIES 发挥作用的地方。
该村是首批直接受益于 ARIES 水电仿真平台的社区之一，该平台与 ARIES 的其他部分一样，依靠硬件和软件来准确模拟该镇的能源设备网络。
ARIES 的软件程序基于现实世界的数据构建，可以模拟实际电网（如 Cordova 的微电网），因此研究人员可以在安全的计算机模拟环境中操纵 Cordova 系统。很快，ARIES 还将能够将实际硬件（如水力发电机）连接到这些虚拟模拟中，以便系统能够从真实技术中接收实时反馈并从中学习。
对于水力发电，ARIES 的模拟能力尤其有价值。尽管研究人员可以在实验室现场安装实验性太阳能电池板和风力涡轮机，但他们无法复制水力发电厂——它们太大，而且只适用于某些河流或地理位置。
相反，NREL 高级研究工程师 Mayank Panwar 和 Hovsapian 构建了所谓的“实时水电仿真平台”，该平台可以实时模拟现实世界的水电设施——水电模拟器中的一秒相当于现实世界中的一秒。截至目前，他们的 2.5 兆瓦模拟器使用来自实际水电站（包括科尔多瓦的水电站）的数据来指导其模拟。
“随着我们向 ARIES 添加越来越多的技术，电网的可变性和不确定性也越来越多，例如风能和太阳能，水力发电将在电网稳定性方面发挥关键作用，”Hovsapian 说道。“但我们如何量化这一点呢？ARIES 将是我们实现这一目标的理想环境。”
借助 ARIES，Hovsapian 可以提出更多“如果”问题，例如，如果科尔多瓦的这座水电站配备 10 兆瓦电池或 3 兆瓦太阳能电池板（而不是 1 兆瓦），情况会怎样？这些变化如何影响电网的可靠性？多亏了 ARIES，科尔多瓦找到了答案，并且还拥有了更具弹性的电网。
霍夫萨皮安说，世界上没有其他系统可以实现这种即插即用的模拟。
受益的不仅仅是水电。
将海洋能源快速送达社区
海洋能源仍处于早期开发阶段，但这些技术对于拥有充足流动水资源而其他资源匮乏的社区来说，可以成为宝贵的清洁能源。与科尔多瓦一样，阿拉斯加的伊吉吉格村也依赖昂贵的柴油运输。缅因州沿海的许多岛屿社区在天气恶劣时都难以维持稳定的电力供应。
夏威夷的社区能源成本通常高于美国其他地区，而且通常依赖昂贵的进口燃料。
然而，这三个地区有一个共同点：水资源丰富。利用河流、波浪和潮汐产生的能源，每个社区都可以提高其能源弹性，并有可能实现其清洁能源目标。
只有一个问题：在社区选择安装这些新兴设备之前，他们需要更有信心地相信这些技术能够兑现其承诺——而这正是 ARIES 可以提供的。
戴维斯说：“我们的使命很大一部分是降低能源技术的风险，以便社区能够放心地部署它们。”
国家可再生能源实验室的研究人员正在研究海洋能源技术，“以确保现场不会出现故障”，实验室研究工程师库马拉古鲁·普拉巴卡 (Kumaraguru Prabakar) 说道。“即使小型河流发电机为小房子供电，它也会为电网供电，因此你必须确保它是安全的。”
为了实现这一点以及进行更复杂的分析，他需要 ARIES。
目前，普拉巴卡正在研究如何将海洋能源技术融入现有电网。洋流往往比较稳定，但河流仍易受冰冻和干旱的影响。波浪和潮汐虽然可以预测，但并不总是在一天或一年中产生相同数量的电力。
借助 ARIES，普拉巴卡可以评估这些变化如何影响不同的电力系统，以及其他解决方案（例如以绿色氢形式储存的能量）是否可以平衡这些波动。
ARIES 最大的礼物可能是时间。普拉巴卡说，在过去十年中，研究人员通常要花数年时间来验证新能源技术。但现在，有了 ARIES，专家们可以大大加快这一进程（ARIES 甚至可以与其他国家实验室的类似模拟器配对，以获取更多数据、功能和答案）。
速度对于加速海洋能源技术的发展尤为重要，这样它们才能尽早帮助应对气候变化。
普拉巴卡说：“如果有人想出增加水力发电的主意，他们应该能够在不到 12 个月的时间内部署它。”
“这很令人兴奋，”霍夫萨皮安补充道。“很多变化即将到来，而 ARIES 可以帮助我们做好准备。”
页:
[1]