Divya Tyagi, một sinh viên kỹ thuật tại Penn State, đã đơn giản hóa một vấn đề toán học trăm năm tuổi, giúp nó dễ tiếp cận hơn và có tính ứng dụng cao trong lĩnh vực điện gió và giúp hoàn thiện công trình của nhà khí động học người Anh Hermann Glauert (1892-1934).

Giải pháp của cô, vốn bị bỏ qua trong các nghiên cứu trước đây (overlooked in past research), tính đến các lực quan trọng tác động lên cánh tua-bin. Công trình đoạt giải thưởng của cô có thể định hình tương lai của năng lượng gió, giúp tăng sản lượng điện và giảm chi phí. 

Tối ưu hóa hiệu suất tua-bin gió

Tyagi, hiện là nghiên cứu sinh thạc sĩ ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ, lần đầu tiên tiếp cận vấn đề này khi còn là sinh viên đại học trong luận án danh dự tại Schreyer Honors College. Phát hiện của cô sau đó đã được công bố trên tạp chí Wind Energy Science.

“Tôi đã bổ sung một phần vào bài toán của Glauert để xác định hiệu suất khí động học tối ưu của tua-bin gió bằng cách tìm ra điều kiện dòng không khí lý tưởng nhằm tối đa hóa công suất đầu ra,” Tyagi, người đã nhận bằng cử nhân kỹ thuật hàng không vũ trụ, cho biết.

Người hướng dẫn của cô, Giáo sư Sven Schmitz tại Khoa Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ và đồng tác giả của nghiên cứu, lưu ý rằng công trình gốc của Glauert chỉ tập trung vào hệ số công suất tối đa có thể đạt được (maximum attainable power coefficient), tức là mức độ hiệu quả của tua-bin trong việc chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng. Tuy nhiên, nó không tính đến tổng các hệ số lực và mô-men tác động lên rô-to, cũng như cách cánh tua-bin uốn cong dưới áp lực gió. 

“Nếu bạn dang tay ra và ai đó ấn vào lòng bàn tay bạn, bạn sẽ phải chống lại lực đó,” Schmitz, một giảng viên tại Viện Năng lượng và Môi trường, giải thích. “Chúng tôi gọi đó là lực đẩy xuôi gió (downwind thrust force) và mô-men uốn tại gốc cánh, và tua-bin gió cũng phải chịu những tác động tương tự. Điều quan trọng là phải hiểu tổng tải trọng lên cánh lớn đến mức nào – điều mà Glauert chưa tính đến.” 

Schmitz cho biết sự đơn giản của phần bổ sung do Tyagi phát triển, dựa trên phép tính biến phân sẽ cho phép các nhà nghiên cứu khám phá những khía cạnh mới trong thiết kế tua-bin gió.

“Ảnh hưởng thực sự sẽ nằm ở thế hệ tua-bin gió tiếp theo, khi áp dụng những kiến thức mới mà phát hiện của Divya mang lại,” Schmitz nói. “Tôi tin rằng giải pháp tinh tế của cô ấy sẽ được giảng dạy trong các lớp học trên khắp đất nước và thế giới.”

Nâng cao hiệu suất năng lượng gió

Tyagi cho biết cô xem công trình của mình là một bước tiến trong việc cải thiện sản xuất năng lượng gió và giảm chi phí.

“Chỉ cần cải thiện hệ số công suất của một tua-bin gió lớn 1% cũng có thể tạo ra tác động đáng kể đến sản lượng điện của nó, và điều đó cũng ảnh hưởng đến các hệ số khác mà chúng tôi đã thiết lập công thức liên hệ,” cô giải thích. 

Trong năm cuối đại học (senior year), Tyagi đã giành được Giải thưởng Anthony E. Wolk cho luận án của cô về phần bổ sung cho công trình của Glauert. Giải thưởng Wolk được trao cho sinh viên năm cuối ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ có luận án xuất sắc nhất trong số các sinh viên cùng ngành. 

Hiện đang theo học chương trình thạc sĩ, Tyagi đang nghiên cứu các mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán, phân tích luồng không khí xung quanh rô-to trực thăng.

“Mục tiêu là tích hợp điều đó với dòng chảy phức tạp quanh một con tàu để xem luồng khí từ tàu ảnh hưởng thế nào đến một chiếc trực thăng khi nó cố gắng hạ cánh trên boong,” cô cho biết.

Nghiên cứu của cô, được Hải quân Hoa Kỳ tài trợ, nhằm cải thiện mô phỏng bay và tăng cường an toàn cho phi công bằng cách hiểu rõ hơn các tương tác động lực học này.

Sự kiên trì đằng sau đột phá

Nhìn lại nghiên cứu bậc đại học của mình, Tyagi cho biết việc chứng minh giải pháp trên giấy tờ là một thách thức lớn.

“Tôi thường dành khoảng 10 đến 15 giờ mỗi tuần để giải quyết bài toán, viết luận án và nghiên cứu. Mất rất nhiều thời gian vì nó đòi hỏi nhiều tính toán toán học,” cô nói. “Nhưng bây giờ tôi cảm thấy rất tự hào khi nhìn lại tất cả công việc mình đã làm.”

Schmitz, người đã xem xét về bài toán của Glauert trong nhiều thập kỷ, ghi nhận sự kiên trì của Tyagi trong việc giải quyết vấn đề này.

“Khi tôi nghĩ về bài toán của Glauert, tôi thấy có những bước bị thiếu và nó rất phức tạp,” Schmitz nói. “Phải có một cách đơn giản hơn để giải quyết nó. Đó là lúc Divya xuất hiện. Cô ấy là sinh viên thứ tư mà tôi thử thách với bài toán này, và là người duy nhất chấp nhận nó. Công trình của cô ấy thực sự ấn tượng.”

Divya Tyagi (bên phải), nghiên cứu sinh kỹ thuật tại Penn State, trình bày công trình của cô về một bài toán thế kỷ với Sven Schmitz, giảng viên tại College of Engineering và là người hướng dẫn của Tyagi. Ảnh: Kevin Sliman/Penn State

Bằng cách tinh chỉnh một vấn đề khí động học lâu đời, Divya Tyagi đã mở ra tiềm năng mới cho thiết kế tua-bin gió. Đột phá toán học của cô có thể nâng cao hiệu suất năng lượng và truyền cảm hứng cho những đổi mới trong tương lai. Ảnh: SciTechDaily.com