Študentka prelomila storočný matematický problém, otvára nové možnosti pre veternú energiu

Študentka strojárstva z Penn State prepracovala storočný matematický problém do jednoduchšej a elegantnejšej podoby. Práca Divye Tyagi rozširuje výskum v oblasti aerodynamiky a otvára nové možnosti v dizajne veterných turbín, ktoré pôvodný autor, britský aerodynamik Hermann Glauert, nezvážil.

Tyagi, postgraduálna študentka leteckého inžinierstva, dokončila túto prácu ako študentka Penn State pre svoju prácu v Schreyer Honors College. Jej výskum bol publikovaný v časopise Wind Energy Science.

"Vytvorila som dodatok ku Glauertovmu problému, ktorý určuje optimálny aerodynamický výkon veternej turbíny vyriešením ideálnych podmienok prúdenia pre turbínu s cieľom maximalizovať jej výkon," povedala Tyagi, ktorá získala bakalársky titul v odbore letecké inžinierstvo.

Jej školiteľ, Sven Schmitz, profesor z Katedry leteckého inžinierstva a spoluautor článku, uviedol, že Glauertova pôvodná práca sa zameriavala výlučne na maximálny dosiahnuteľný koeficient výkonu, ktorý meria, ako efektívne turbína premieňa energiu vetra na elektrinu. Glauert však nezohľadnil celkovú silu a momentové koeficienty pôsobiace na rotor – rotujúcu jednotku s pripojenými lopatkami – ani to, ako sa lopatky turbíny ohýbajú pod tlakom vetra.

Komentár redakcie: Práca študentky Divye Tyagi je príkladom toho, ako aj storočné problémy môžu byť prehodnotené s novým prístupom a prispieť k moderným technológiám. Jej prínos k efektívnejšiemu využitiu veternej energie je cenný a sľubný pre budúcnosť obnoviteľných zdrojov. Obzvlášť oceňujem, že jej riešenie je elegantné a zjednodušuje komplikované výpočty, čo by mohlo uľahčiť prácu ďalším výskumníkom a študentom.

"Ak máte rozpažené ruky a niekto vám tlačí na dlaň, musíte tomuto pohybu odolať," povedal Schmitz. "Nazývame to sila ťahu po vetre a ohybový moment koreňa a veterné turbíny tomu musia tiež odolať. Potrebujete pochopiť, aké veľké je celkové zaťaženie, čo Glauert neurobil."

Schmitz uviedol, že jednoduchosť Tyagiho dodatku založeného na variačnom počte, matematickej metóde používanej na problémy s obmedzenou optimalizáciou, umožní ľuďom preskúmať nové aspekty dizajnu veterných turbín.

"Skutočný vplyv bude mať na ďalšiu generáciu veterných turbín, ktoré využívajú nové poznatky, ktoré boli odhalené," povedal Schmitz. "Čo sa týka elegantného riešenia Divye, myslím si, že si nájde cestu do učební po celej krajine a po celom svete."

Tyagi uviedla, že svoju prácu vníma ako krok k zlepšeniu výroby veternej energie a zníženiu nákladov.

"Zlepšenie koeficientu výkonu veľkej veternej turbíny len o 1 % má významný vplyv na výrobu energie turbíny, a to sa premieta aj do ďalších koeficientov, pre ktoré sme odvodili vzťahy," povedala. "Zlepšenie koeficientu výkonu o 1 % by mohlo výrazne zvýšiť energetický výkon turbíny, čo by mohlo potenciálne napájať celú štvrť."

Počas svojho posledného ročníka získala Tyagi Cenu Anthonyho E. Wolka za svoju prácu na dodatku ku Glauertovej práci. Wolkova cena sa udeľuje študentovi posledného ročníka leteckého inžinierstva, ktorý vypracoval najlepšiu prácu spomedzi študentov leteckého inžinierstva.

Tyagi, ktorá v súčasnosti študuje magisterský stupeň, študuje simulácie výpočtovej dynamiky tekutín a analyzuje prúdenie vzduchu okolo rotora vrtuľníka.

"Cieľom je integrovať to s komplexným prúdením okolo lode, aby sa zistilo, ako vzdušný vír lode interaguje s vrtuľníkom, ktorý sa pokúša pristáť na jej palube," povedala.

Jej výskum, ktorý podporuje námorníctvo USA, má za cieľ zlepšiť simuláciu letu a bezpečnosť pilotov lepším pochopením týchto dynamických interakcií.

Tyagi pri spomienke na svoj bakalársky výskum uviedla, že dokázať svoje riešenie na papieri bolo náročné.

"Trávila som približne 10 až 15 hodín týždenne medzi problémom, písaním práce a výskumom. Trvalo to dlho, pretože to bolo veľmi náročné na matematiku," povedala. "Ale teraz sa cítim naozaj hrdá, keď vidím všetku prácu, ktorú som urobila."

Schmitz, ktorý uvažoval o Glauertovom probléme desaťročia, ocenil Tyagiho vytrvalosť pri jeho riešení.

"Keď som premýšľal o Glauertovom probléme, myslel som si, že chýbajú kroky a je veľmi komplikovaný," povedal Schmitz. "Musel existovať jednoduchší spôsob, ako to urobiť. Vtedy prišla Divya. Bola štvrtou študentkou, ktorú som vyzval, aby sa na to pozrela, a bola jedinou, ktorá sa toho ujala. Jej práca je skutočne pôsobivá."