Joven estudiante ha renovado un problema de matemáticas de un siglo de antigüedad y ha descubierto una solución simple pero elegante para optimizar las condiciones de flujo de las turbinas eólicas y mejorar la producción de energía.
Estudiante perfecciona un problema matemático centenario, ampliando las posibilidades de la energía eólica
Una estudiante de ingeniería de Penn State refinó un problema matemático con más de cien años de antigüedad, simplificándolo y haciéndolo más accesible para su uso y exploración. El trabajo de Divya Tyagi amplía la investigación en aerodinámica, desbloqueando nuevas posibilidades en el diseño de turbinas eólicas que Hermann Glauert, un aerodinamicista británico y autor original del problema, no había considerado.
Tyagi, quien actualmente cursa una maestría en ingeniería aeroespacial, desarrolló esta investigación como parte de su tesis de grado en el Schreyer Honors College de Penn State. Su trabajo fue publicado en Wind Energy Science y ha sido reconocido por su relevancia en la optimización del rendimiento de las turbinas eólicas.
Un nuevo enfoque para mejorar la eficiencia de las turbinas eólicas
“He creado un apéndice al problema de Glauert que permite determinar el rendimiento aerodinámico óptimo de una turbina eólica resolviendo las condiciones ideales de flujo para maximizar su producción de energía”, explicó Tyagi, quien obtuvo su licenciatura en ingeniería aeroespacial.
Su asesor, Sven Schmitz, profesor de la Facultad de Ingeniería Aeroespacial y coautor del estudio, destacó que el trabajo original de Glauert se centraba exclusivamente en el coeficiente de potencia máximo alcanzable, una medida de la eficiencia con la que una turbina convierte la energía del viento en electricidad. Sin embargo, Glauert no había considerado completamente las fuerzas y momentos que actúan sobre el rotor, la unidad giratoria con aspas, ni cómo estas aspas se doblan bajo la presión del viento.
“Si una persona extiende los brazos y alguien presiona sobre su palma, debe resistir ese movimiento”, explicó Schmitz. “A esto lo llamamos fuerza de empuje en la dirección del viento y momento flector en la base, y las turbinas eólicas deben soportarlo también. Es esencial comprender la magnitud total de estas cargas, algo que Glauert no había calculado completamente”.
Impacto en la próxima generación de turbinas eólicas
Schmitz subrayó que la simplicidad del apéndice desarrollado por Tyagi, basado en el cálculo de variaciones, permitirá a los investigadores explorar nuevos aspectos del diseño de turbinas eólicas.
“El impacto real se verá en la próxima generación de turbinas eólicas, que podrán aprovechar este nuevo conocimiento”, afirmó. “La solución elegante de Divya seguramente se integrará en los programas académicos de ingeniería alrededor del mundo”.
Tyagi considera que su trabajo es un paso hacia la mejora de la generación de energía eólica y la reducción de costos.
“Mejorar el coeficiente de potencia de una turbina eólica grande en solo un 1% tiene un impacto significativo en la producción de energía y afecta a otros coeficientes que hemos derivado”, explicó. “Un aumento del 1% en la eficiencia podría incrementar notablemente la producción de energía de una turbina, permitiendo abastecer a comunidades enteras”.
Reconocimientos y futuras aplicaciones
Durante su último año de licenciatura, Tyagi fue galardonada con el Premio Anthony E. Wolk, otorgado a estudiantes de ingeniería aeroespacial que presentan la mejor tesis en su campo.
Actualmente, en su maestría, Tyagi se especializa en simulaciones de dinámica de fluidos computacional, analizando el flujo de aire alrededor del rotor de un helicóptero. Su investigación, financiada por la Marina de los Estados Unidos, busca mejorar la seguridad de vuelo y las simulaciones de aterrizaje de helicópteros en barcos en movimiento.
“El objetivo es integrar estos análisis con el flujo de aire complejo que se genera alrededor de un barco para comprender cómo interactúa con un helicóptero al intentar aterrizar en su cubierta”, detalló.
Reflexionando sobre su investigación de pregrado, Tyagi reconoció los desafíos de demostrar su solución en papel.
“Pasé entre 10 y 15 horas semanales trabajando en el problema, escribiendo la tesis y realizando investigación. Fue un proceso largo debido a la complejidad matemática, pero me siento muy orgullosa al ver el impacto de mi trabajo”, comentó.
Schmitz, quien ha estudiado el problema de Glauert durante décadas, elogó la perseverancia de Tyagi.
“Cuando analizaba el problema de Glauert, pensaba que faltaban pasos y que era innecesariamente complicado. Sabía que debía haber una forma más sencilla de resolverlo. Ahí es donde entró Divya. Fue la cuarta estudiante a la que desafié con este problema, y la única que lo aceptó y resolvió. Su trabajo es verdaderamente impresionante”.
Vía www.psu.edu
