因应能源转型趋势 台科大用高速运算让风力发电效率最佳化

台湾科技大学工程学院院长陈明志。国网中心

近几年气候快速变迁，各国纷纷启动能源转型，扩大绿色能源发电量成为政府的重点策略，在绿色能源中，技术成熟的风力发电广为各国采用。台湾近期也大量建置风力发电机，台湾科技大学工程学院院长陈明志团队更着手启动「大型垂直风力发电机最佳化设计计划」，并藉由国研院国网中心的高速运算模拟风场，改善风力发电机的设计，提升发电效率。

陈明志指出，要提升风力发电机的发电效能，须先行模拟风场状态，由于风场多变，模拟技术的细节相当多，如果计算网格数量不足，计算结果将难以精准，因此必须布建高达数亿的计算网格，以顺利解析风场状态。要顺利完成大量数值计算，除了必须有数千颗核心运算外，还需匹配同等级的存储器，才能缩短系统运算时间。

风场模拟对风力发电机的设计极为重要，其模拟方式是将风场细分成大量网格，再分析各网格中风量风速变化，台科大团队的「大型垂直风力发电机最佳化设计计划」，是透过特殊技术将CAD(电脑辅助)汇至直角正交网格，此作法可避免扭曲网格造成的结果失准外，还能解决重新产生网格的耗时问题。他透露相较于现行先固定转速再找出对应风机性能曲线，此研究计划则是计算风速对风力发电机叶片旋转速度的影响，其结果会更直接明确。此外这项计划也带入基因演算法，从而找出最佳化的风力发电机叶片形状，提升发电效率。

除了传统的叶片旋转式架构，陈明志团队也着手研究新型态的风力发电机。他提到现在的风力发电机架构造价昂贵且噪音大，虽然属于再生能源，但仍会影响环境生态，该团队所研究的架构为风力震动式发电，也就是利用物体因风力产生的振幅产生电能，此一架构发出的噪音远较现行风力发电机更小，而且无须叶片，机构零组件的可用寿命也更长，目前该团队正模拟风场与物体震动的关系，希望让震动幅度达到可发电的程度。

无论是旋转式或震动式的风力发电，都需足够的运算效能模拟风场，因此高效能运算对陈明志团队的研究计划极为重要。他指出功能强大的工具向来是研究计划的最佳助力，以实验室常见的显微镜为例，现在的显微镜功能与种类甚多，如电子显微镜，科学家可借此看到不可见光或是肉眼无法看到的微小物体，顺利完成以往无法完成的研究，例如对病毒或基因的研究。在风场模拟也是如此，陈明志团队的风场模拟网格数量极为庞大，若使用实验室内的电脑，需要数十小时才能完成计算，但采用台湾杉超级电脑则仅需一小时，由此可看出国网中心高速运算服务对研究计划的重要性。

目前「大型垂直风力发电机最佳化设计计划」已有初步成果，陈明志团队未来将持续善用国网中心的运算资源，提升研究效率，他也希望国网中心可进一步延伸功能，例如导入VR技术，让计划研究者可透过虚拟实境画面，直观看见模拟风场的风力流动状态。他最后表示，高速运算能力将逐渐成为研究计划的必要，不过高效能系统的建置成本与专业需求，都远非一般研究团队能负担，国网中心提供的各种服务则填补了此一不足，并赋予台湾学术研究更强大的能量。