دانشجوی آمریکایی یک مسئله ریاضی ۱۰۰ ساله را حل کرد تا قدرت واقعی توربین‌های بادی را آزاد کند

یک دانشجوی جوان یک مسئله ریاضی یک قرن پیش را بازسازی کرده و یک راه حل ساده و در عین حال ظریف را برای بهینه سازی شرایط جریان توربین های بادی و افزایش خروجی برق ارائه داده است.

دیویا تیاگی، دانشجوی فارغ التحصیل مهندسی هوافضا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، اصلاحیه ای را بر راه حل دیسک روتور بهینه هرمان گلاورت، متخصص آیرودینامیک بریتانیایی، ایجاد کرد، پس از اینکه مشاورش، سون اشمیتز، دکترا، او را تشویق کرد تا نگاه عمیق تری بیندازد.

اشمیتز، استاد بوئینگ/A.D. Welliver در بخش مهندسی هوافضا و یکی از نویسندگان این مطالعه، فاش می‌کند:

وقتی به مسئله گلاورت فکر کردم، فکر کردم مراحلی گم شده است و بسیار پیچیده است.

او اضافه می‌کند که مطمئن بوده است که رویکرد بهتری وجود دارد.

او ادامه می دهد:

این زمانی بود که دیویا وارد شد.

او چهارمین دانشجویی بود که من را به چالش کشید تا به آن نگاه کند، و او تنها کسی بود که آن را پذیرفت. کار او واقعاً چشمگیر است.

این دانشجو این چالش را پذیرفت و ساعت ها به این مسئله اختصاص داد تا اینکه در نهایت راه حلی بر اساس حساب تغییرات، یک روش ریاضی برای بهینه سازی محدود، توسعه داد.

بهبود کارایی توربین بادی با بازبینی مسئله ریاضی

تیاگی می گوید:

من یک الحاقیه برای مسئله گلاورت ایجاد کردم که عملکرد آیرودینامیکی بهینه یک توربین بادی را با حل شرایط جریان ایده آل برای یک توربین به منظور به حداکثر رساندن خروجی برق آن تعیین می کند.

اشمیتز تأکید می کند که کار اصلی گلاورت فقط بر روی حداکثر ضریب توان قابل دستیابی متمرکز بود، که اندازه گیری می کند که یک توربین چقدر کارآمد باد را به الکتریسیته تبدیل می کند. با این حال، گلاورت موفق نشد کل ضرایب نیرو و گشتاور روی روتور - واحد چرخان با تیغه های متصل - یا نحوه خم شدن تیغه ها تحت فشار باد را در نظر بگیرد.

اشمیتز توضیح می دهد:

اگر بازوهای خود را باز کنید و کسی به کف دست شما فشار وارد کند، باید در برابر آن حرکت مقاومت کنید.

ما آن را نیروی رانش باد پایین و گشتاور خمشی ریشه می نامیم و توربین های بادی نیز باید آن را تحمل کنند.

این پروفسور ادامه می دهد:

شما باید درک کنید که کل بار چقدر بزرگ است، که گلاورت این کار را نکرد.

او تأکید می کند که انتظار دارد روش دیویا نسل بعدی توربین های بادی را شکل دهد و پیشرفت هایی را در طراحی و کارایی ایجاد کند.

این پروفسور اضافه می کند:

در مورد راه حل ظریف دیویا، من فکر می کنم که آن را در کلاس های درس، در سراسر کشور و در سراسر جهان پیدا خواهید کرد.

این دانشجو می گوید:

بهبود ضریب توان یک توربین بادی بزرگ تنها به میزان 1 درصد تأثیرات قابل توجهی بر تولید انرژی یک توربین دارد و این به ضرایب دیگری که ما روابطی برای آنها استخراج کردیم، منتقل می شود.

بهبود 1 درصدی در ضریب توان می تواند به طور قابل توجهی خروجی انرژی یک توربین را افزایش دهد و به طور بالقوه کل یک محله را تأمین کند.

توربین های بادی انرژی تجدیدپذیر را به ریزشبکه ها در سراسر آلاسکا تامین می کنند. اعتبار: Chris Pike، مرکز انرژی و قدرت آلاسکا، دانشگاه آلاسکا فیربنکس

Chris Pike، مرکز انرژی و قدرت آلاسکا، دانشگاه آلاسکا فیربنکس

اهداف و برنامه های آینده

در همین حال، دیویا که کارش جایزه آنتونی ای. ولک را برای بهترین پایان نامه مهندسی هوافضا در بین همسالانش به دست آورده است، معتقد است که یافته هایش می تواند به طراحی های کارآمدتر توربین و پیشرفت های بیشتر در انرژی های تجدیدپذیر کمک کند.

این دانشجو که اکنون در حال تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد و مطالعه شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی است، امیدوار است که تحقیقاتش در راه حل های پیشرفته توربین بادی ادغام شود.

دیویا که اکنون جریان هوا را در اطراف روتور هلیکوپتر مطالعه می کند، در تحقیقاتی که توسط نیروی دریایی ایالات متحده پشتیبانی می شود، قصد دارد با درک بهتر این تعاملات پویا، شبیه سازی پرواز و ایمنی خلبان را بهبود بخشد.

دیویا در یک بیانیه مطبوعاتی یادآوری می کند:

من حدود 10 تا 15 ساعت در هفته را بین مسئله، نوشتن پایان نامه و تحقیق صرف می کردم.

او اضافه می کند که این چالش از نظر ریاضی بسیار سنگین بود.

اما من اکنون واقعاً احساس غرور می کنم که تمام کارهایی را که انجام داده ام می بینم.

این مطالعه در مجله Wind Energy Science (WES) منتشر شده است.

https://interestingengineering.com/science/100-year-old-math-problem-revisited