بهینه‌سازی توربین‌های بادی با حل یک مسئله ریاضی قدیمی

دیوییا تایاجی، دانشجوی کارشناسی‌ارشد مهندسی هوافضا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، با بازنگری یک مسئله ریاضی قدیمی، راه‌حلی ساده و در عین حال مؤثر برای بهینه‌سازی شرایط جریان باد در توربین‌های بادی و افزایش تولید برق آنها ارائه داده است.

به گزارش تک‌ناک، این مسئله که به نام «دیسک روتور بهینه» (optimum rotor disk solution) شناخته می‌شود، توسط هرمن گلاورت، مهندس آیرودینامیک بریتانیایی، در قرن گذشته مطرح شده بود.

چالش مسئله گلاورت

پروفسور سوِن اشمیتز، استاد راهنمای دیوییا، او را تشویق کرد تا نگاهی دقیق‌تر به این مسئله بیندازد. اشمیتز در این باره گفت: «وقتی به مسئله گلاورت نگاه کردم، متوجه شدم برخی گزینه‌ها نامفهوم و خیلی پیچیده است. مطمئن بودم رویکرد بهتری وجود دارد. دیوییا چهارمین دانشجویی بود که این چالش را به او پیشنهاد کردم و تنها کسی بود که آن را پذیرفت. کار او واقعاً قابل تحسین است.»

دیوییا با صرف ساعت‌ها زمان، راه‌حلی جدید بر اساس حساب تغییرات ارائه داد، که یک روش ریاضی برای بهینه‌سازی محدود‌شده است.

بهینه‌سازی کارآیی توربین‌های بادی

دیوییا در مورد راه‌حل خود توضیح داد: «من کمی تغییر در مسئله گلاورت ایجاد کرده‌ام، که به تعیین عملکرد آیرودینامیکی بهینه یک توربین بادی کمک می‌کند. این تغییرات شرایط جریان ایدئال را برای توربین شناسایی می‌کند و به گونه‌ای طراحی شده است که تولید برق آن به حداکثر برسد.»

پروفسور اشمیتز بیان کرد که کار اصلی گلاورت تنها بر حداکثر ضریب توان قابل دستیابی تمرکز داشت، که نشان می‌دهد یک توربین به چه میزان به‌ طور کارآمد باد را به برق تبدیل می‌کند. اما گلاورت به نیروها و گشتاورهای وارد بر روتور (واحد چرخان همراه با پره‌ها) توجه نکرده بود و حتی به نحوه خم شدن پره‌ها تحت فشار باد نپرداخته بود.

اشمیتز با یک مثال ساده این موضوع را توضیح داد: «اگر دست‌های خود را باز کنید و کسی کف دست شما را فشار دهد، شما باید در برابر این حرکت مقاومت کنید. این همان نیروی فشاری به سمت پایین و گشتاور خمشی است، که توربین‌های بادی باید در برابر آن مقاومت کنند.»

وی اعلام کرد: «روش دیوییا به احتمال زیاد نسل جدیدی از توربین‌ها را شکل خواهد داد و پیشرفت‌هایی در طراحی و کارآیی آنها به همراه خواهد داشت.»

دستاوردها و جوایز برای بهینه‌سازی توربین‌های بادی

کار دیوییا باعث شد تا او جایزه آنتونی ای. وولک (Anthony E. Wolk Award) برای بهترین پایان‌نامه مهندسی هوافضا در بین هم‌دوره‌ای‌های خود را دریافت کند. او معتقد است که یافته‌های او می‌تواند به طراحی‌های کارآمدتر توربین‌های بادی و پیشرفت‌های بیشتر در انرژی‌های تجدیدپذیر کمک کند.

برنامه‌های آینده

دیوییا در حال تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد و انجام شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است. او امید دارد که تحقیقات او در راه‌حل‌های پیشرفته توربین بادی به‌کار گرفته شود.

علاوه بر این، او روی جریان هوای اطراف روتور هلیکوپتر تحقیق می‌کند. این تحقیقات از سوی نیروی دریایی ایالات متحده پشتیبانی می‌شود و هدف آن بهبود شبیه‌سازی پرواز و ایمنی خلبان است.

سختی‌ها و افتخارات

دیوییا در مورد فرایند تحقیق خود گفت: «من حدود ۱۰ تا ۱۵ ساعت در هفته را برای حل مسئله، نوشتن پایان‌نامه و تحقیق صرف می‌کردم. این چالش واقعاً محاسباتی بود، اما اکنون از دیدن تمام کارهای انجام‌شده، احساس افتخار می‌کنم.»

دیوییا تایاجی نه تنها یک مسئله ریاضی قدیمی را حل کرده، بلکه راه را برای بهینه‌سازی توربین‌های بادی و افزایش کارآیی انرژی‌های تجدیدپذیر هموار کرده است. این دستاورد می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر آینده صنعت انرژی بادی و طراحی توربین‌های نسل بعدی داشته باشد.

نوشته بهینه‌سازی توربین‌های بادی با حل یک مسئله ریاضی قدیمی اولین بار در تک ناک - اخبار تکنولوژی روز جهان و ایران. پدیدار شد.