假设您想研究一些大的东西，比如社区电网、大型管道系统或纵横交错的整个美国的道路，但它们都不存在，至少现在还不存在。您如何研究这些看不见的迷宫以确保它们安全高效？

好问题，答案如下：您可以在国家可再生能源实验室 (NREL) 的一个名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，研究人员可以用以下内容填充现有网格风力涡轮机,太阳能电池板、电池、核设施、电动汽车，甚至是手机等智能设备，看看它们如何影响我们未来的电网。

但直到最近，一块网格拼图还没有得到很好的体现。

“缺少的部分是：我们如何模拟或表示水力设备？”罗布·霍夫萨皮安 (Rob Hovsapian) 说道机械工程师NREL 和 ARIES 研究顾问帮助介绍了水力发电进入平台。

借助 ARIES，研究人员可以对几乎任何未来的电网场景进行演练和规划。例如：大量的可再生能源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？

“它使我们能够实现那些‘假设’场景，”Hovsapian 说。“在现实世界中，你受到的限制是有限的。”

现在，我们可以问关于水力发电技术的“假设”，例如水力发电和新兴的海洋能源（有时称为海洋能源因为它通常来自强大的海浪、洋流和潮汐，但它也可以指来自河流的能量）。

尽管差异很大，但这两种水力技术都能产生可预测的能源，使它们成为更多可变能源的可靠合作伙伴，例如风能和太阳能。这些可再生能源，以及储能（如电池），已经成为 ARIES 的一部分已有一段时间了。是时候在混合物中撒一点水了。

“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。“我们希望尽可能多地代表可再生能源。”

但这比听起来更难。

水力发电模拟器帮助阿拉斯加偏远村庄

当渔民返回阿拉斯加科尔多瓦偏远村庄的港口时，他们进入了一个充满桅杆尖刺的海湾，这些尖刺类似于数百个迷你教堂的尖顶。

这些渔民——科尔多瓦有很多渔民——带来了鲑鱼、大比目鱼、岩鱼和鳟鱼，但也带来了一些不太理想的东西：捕捞量增加了 400%能源需求，这可能会给小村庄的微电网带来压力，微电网是一个独立的电力系统，仅依赖于两个水力发电厂和柴油发电机（柴油必须通过空运或船运进入，通常费用高昂）。

这是一个问题。

科尔多瓦的微电网及其所提供的一切，包括医院和家庭，很容易受到夏季鱼类盛产和阿拉斯加危险的寒冷冬季以及雪崩和干旱等极端天气事件导致的能源需求激增的影响。该村庄需要解决方案——让微电网适应所有这些变化，从而使能源供应与需求相匹配，特别是当他们的经济或生活依赖能源供应时。

但你不能简单地修补这样一个关键的系统，希望你的操作不会造成停电或无法挽回的损害。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。

这就是 NREL 和 ARIES 发挥作用的地方。

那个村庄曾是首批直接受益于 ARIES 水电仿真平台的社区之一，与 ARIES 的其他部分一样，它依靠硬件和软件来准确模拟小镇能源设备的蜘蛛网。

ARIES 的软件程序基于真实世界的数据，可以模拟实际的电网（如 Cordova 的微电网），因此研究人员可以在计算机模拟的安​​全情况下操纵 Cordova 系统。很快，ARIES 还将能够将水力发电机等实际硬件连接到这些虚拟模拟，以便系统可以接收来自真实技术的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，而且对于某些河流地点或地理位置来说过于具体。

相反，NREL 的高级研究工程师 Mayank Panwar 和 Hovsapian 构建了他们所谓的实时水电仿真平台，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力发电厂（包括科尔多瓦的水力发电厂）的数据来为其模拟提供信息。

Hovsapian 表示：“随着我们向 ARIES 添加越来越多的技术，风能和太阳能等电网的可变性和不确定性也越来越多，水力发电将在提供电网稳定性方面发挥关键作用。”“但是我们如何量化这一点？白羊座将是我们做到这一点的理想环境。”

借助 ARIES，Hovsapian 可以提出更多“假设”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 个）会怎样？这些变化如何影响电网的可靠性？感谢 ARIES，Cordova 找到了答案，并且还拥有了更具弹性的网格。

Hovsapian 说，世界上没有其他系统可以完成这种即插即用的模拟。

受益的不仅仅是水电。

快速将海洋能源输送到社区

海洋能源仍处于开发的早期阶段，但对于拥有充足流动水而几乎没有其他东西的社区来说，这些技术可以成为宝贵的清洁能源来源。与科尔多瓦一样，阿拉斯加的伊吉吉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。

夏威夷社区的能源成本通常高于该国其他地区，也常常依赖昂贵的进口燃料。

然而，所有这三个地区都有一个强大的共同点：大量的水。借助来自河流、波浪和潮汐的能源，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一之前，他们需要对这些技术能够兑现其承诺有更大的信心——而这正是 ARIES 可以提供的。

戴维斯说：“我们使命的一个重要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。”

NREL 实验室的研究工程师 Kumaraguru Prabakar 表示，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”。“即使小型河流发电机为小房子供电，它也在为电网供电，所以你必须确保它是安全的。”

为此，以及更复杂的分析，他需要 ARIES。

目前，普拉巴卡正在研究海洋能源技术如何融入现有电网。水流往往是一致的，但河流仍然会遭受冰冻和干旱的影响。波浪和潮汐是可以预测的，但并不总是全天或全年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（例如以绿色氢存储的能源）是否可以平衡这些波动。

白羊座最大的礼物可能是时间。普拉巴卡说，在过去十年中，研究人员通常需要数年时间来验证新能源技术。但现在，有了 ARIES，专家们可以显着加快这一过程（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其重要，这样它们才能帮助尽早应对气候变化。

“如果有人提出增加水力发电的想法，他们应该能够在不到 12 个月的时间内部署它，”普拉巴卡说。

“这很令人兴奋，”霍夫萨皮安补充道。“即将发生很多变化，ARIES 可以帮助我们做好准备。”