因應能源轉型趨勢 台科大用高速運算讓風力發電效率最佳化

台灣科技大學工程學院院長陳明志。國網中心

近幾年氣候快速變遷，各國紛紛啟動能源轉型，擴大綠色能源發電量成為政府的重點策略，在綠色能源中，技術成熟的風力發電廣為各國採用。台灣近期也大量建置風力發電機，台灣科技大學工程學院院長陳明志團隊更著手啟動「大型垂直風力發電機最佳化設計計畫」，並藉由國研院國網中心的高速運算模擬風場，改善風力發電機的設計，提升發電效率。

陳明志指出，要提升風力發電機的發電效能，須先行模擬風場狀態，由於風場多變，模擬技術的細節相當多，如果計算網格數量不足，計算結果將難以精準，因此必須佈建高達數億的計算網格，以順利解析風場狀態。要順利完成大量數值計算，除了必須有數千顆核心運算外，還需匹配同等級的記憶體，才能縮短系統運算時間。

風場模擬對風力發電機的設計極為重要，其模擬方式是將風場細分成大量網格，再分析各網格中風量風速變化，台科大團隊的「大型垂直風力發電機最佳化設計計畫」，是透過特殊技術將CAD(電腦輔助)匯至直角正交網格，此作法可避免扭曲網格造成的結果失準外，還能解決重新產生網格的耗時問題。他透露相較於現行先固定轉速再找出對應風機性能曲線，此研究計畫則是計算風速對風力發電機葉片旋轉速度的影響，其結果會更直接明確。此外這項計畫也帶入基因演算法，從而找出最佳化的風力發電機葉片形狀，提升發電效率。

除了傳統的葉片旋轉式架構，陳明志團隊也著手研究新型態的風力發電機。他提到現在的風力發電機架構造價昂貴且噪音大，雖然屬於再生能源，但仍會影響環境生態，該團隊所研究的架構為風力震動式發電，也就是利用物體因風力產生的振幅產生電能，此一架構發出的噪音遠較現行風力發電機更小，而且無須葉片，機構零組件的可用壽命也更長，目前該團隊正模擬風場與物體震動的關係，希望讓震動幅度達到可發電的程度。

無論是旋轉式或震動式的風力發電，都需足夠的運算效能模擬風場，因此高效能運算對陳明志團隊的研究計畫極為重要。他指出功能強大的工具向來是研究計畫的最佳助力，以實驗室常見的顯微鏡為例，現在的顯微鏡功能與種類甚多，如電子顯微鏡，科學家可藉此看到不可見光或是肉眼無法看到的微小物體，順利完成以往無法完成的研究，例如對病毒或基因的研究。在風場模擬也是如此，陳明志團隊的風場模擬網格數量極為龐大，若使用實驗室內的電腦，需要數十小時才能完成計算，但採用台灣杉超級電腦則僅需一小時，由此可看出國網中心高速運算服務對研究計畫的重要性。

目前「大型垂直風力發電機最佳化設計計畫」已有初步成果，陳明志團隊未來將持續善用國網中心的運算資源，提升研究效率，他也希望國網中心可進一步延伸功能，例如導入VR技術，讓計畫研究者可透過虛擬實境畫面，直觀看見模擬風場的風力流動狀態。他最後表示，高速運算能力將逐漸成為研究計畫的必要，不過高效能系統的建置成本與專業需求，都遠非一般研究團隊能負擔，國網中心提供的各種服務則填補了此一不足，並賦予台灣學術研究更強大的能量。