Gdy kraje takie jak Stany Zjednoczone ogłaszają polityki i cele skoncentrowane na zwiększeniu mocy w zakresie energii odnawialnej, pojawiają się możliwości dla nowych i ulepszonych technologii energii odnawialnej. Xenecore, nowojorska firma opracowująca wydajniejsze łopaty turbin wiatrowych o większych możliwościach wychwytywania energii, wykorzystuje swoją wiedzę w zakresie części kompozytowych do projektowania i opracowywania łopat wiatrowych w kształcie wachlarza opartych na oporze.
Firma Xenecore została założona w 2010 roku przez Jerry'ego Choe, dyrektora generalnego i założyciela firmy, dzięki wykorzystaniu technologii materiałowej w zastosowaniach artykułów sportowych do opracowania rakiet tenisowych z kompozytów z włókna węglowego i uzyskała szereg patentów. Aby uzyskać rakietę tenisową z włókna węglowego o wysokiej wydajności i mocy podczas uderzania piłki oraz zminimalizować wpływ rakiety na ramię, po 18-miesięcznym okresie opracowywania on i jego zespół opracowali materiał i rozwiązanie procesowe, które jest obecnie sprzedawane pod nazwą handlową Xenecore, termoplastyczny produkt w postaci mikrosfer, który może być używany jako rdzeń konstrukcyjny części kompozytowych.
Po tych początkowych sukcesach firma dużo zainwestowała w dalszą optymalizację technologii termoplastycznych mikrosfer i uzyskała ponad 250 patentów na całym świecie. Firma odkryła, że zastosowanie produktów Xenecore może wykraczać poza rakiety tenisowe i obejmować nowe możliwości innych zastosowań, takich jak łopaty dronów, a ostatnio także łopaty turbin wiatrowych oparte na oporności.
Około dwa lata temu Choe i zespół Xenecore zaczęli badać, w jaki sposób technologia procesowa i produkty firmy mogłyby zostać wykorzystane do opracowania łopat turbin wiatrowych. Obecnie większość turbin wiatrowych ma smukłe łopaty w kształcie samolotu, które wytwarzają energię elektryczną głównie z windy. Gdy wiatr przechodzi przez łopaty, niższe ciśnienie powstające po jednej stronie łopat ciągnie łopaty prostopadle do kierunku wiatru, powodując obracanie wirników, przekazując energię do turbiny w celu wytworzenia energii elektrycznej.
Łopaty te są zwykle wykonane z poszycia z włókna szklanego, a w dłuższych łopatkach są podtrzymywane przez kompozytową nasadkę skrzydłową SPAR z włókna węglowego. Łopaty wiatrowe są zwykle umieszczane w otwartej formie, wtryskiwane próżniowo, a następnie łączone razem za pomocą taśmy ścinanej, rdzenia piankowego i kleju.
Najwcześniejsze wiatraki wyglądały jednak zupełnie inaczej i miały szerokie, płaskie, drewniane łopatki w kształcie wachlarza, które wytwarzały elektryczność poprzez opór, przy czym wiatr był bezpośrednio używany do popychania łopatek w kierunku wiatru. Kiedy po raz pierwszy wynaleziono turbiny wiatrowe, wszyscy używali oporu, ponieważ wychwytywał więcej wiatru. Ale te pierwsze łopaty stanowiły problem ze względu na użyte materiały, ponieważ najwcześniejsze wiatraki były budowane z miękkich, mniej trwałych materiałów, takich jak tkaniny.
W 1919 roku niemiecki fizyk Albert Bates opublikował swoje słynne prawo Batesa dotyczące wychwytywania wiatru i projektowania łopat. Zgodnie z tym prawem łopata może przechwycić maksymalnie 59 procent energii wiatru za pomocą siły nośnej. Teoria ta wpłynęła na kształt skrzydeł samolotów i łopat turbin wiatrowych, aby zmaksymalizować siłę nośną i zminimalizować opór, stosując cienkie, zakrzywione konstrukcje, które są nadal popularne.
Według Choe, 59-procentowy wskaźnik wychwytywania energii jest teoretycznym maksimum, ponieważ rzeczywiste turbiny wiatrowe wychwytują energię znacznie mniej wydajnie, ale nie jest to maksimum dla dzisiejszych materiałów. Ponieważ stosowane obecnie kompozyty z włókna szklanego i włókna węglowego są mocniejsze i lżejsze, działają znacznie lepiej niż materiały metalowe używane do produkcji ostrzy i skrzydeł w czasach Batesa. Dlatego, biorąc pod uwagę, że istniejące właściwości materiałów zostały zoptymalizowane, najlepszy projekt może być teraz nieefektywny i nie spełniać już wymagań.
Warto zauważyć, że istnieje wiele konstrukcji łopat wiatrowych opartych na oporze, które są używane od dawna, na przykład pionowa turbina wiatrowa typu Savonius, która ma dwie łopaty w kształcie miseczki, które obracają się wokół centralnej turbiny. Turbiny te są generalnie znacznie mniej wydajne niż turbiny oparte na windach, ponieważ w układzie pionowym dwie łopaty faktycznie blokują część wiatru, który może uchwycić druga połowa łopaty. Jednak ich prosta konstrukcja i zdolność do wychwytywania energii w obszarach o słabym wietrze sprawiają, że są one popularne w turbinach w środowiskach domowych lub komercyjnych.
Choe i jego zespół postanowili opracować nowszą poziomą turbinę wiatrową, która maksymalizuje opór i, co najważniejsze, wykorzystuje zaawansowane materiały kompozytowe.
Jednym z pierwszych wyzwań, przed którymi stanął zespół Xenecore, był fakt, że odkąd turbiny dźwigowe stały się standardem, dzisiejsze oprogramowanie symulacyjne jest wykorzystywane wyłącznie do analizy wydajności turbin dźwigowych. Choe i jego zespół wypróbowali wiele narzędzi analitycznych i ostatecznie wykorzystali oprogramowanie do obliczeniowej dynamiki płynów Ansys Fluent do modelowania zachowania wiatru na ostrzu.
Korzystając z tych modeli, celem jest opracowanie łopaty, która może uchwycić maksymalny opór, wytwarzać energię elektryczną wewnątrz turbiny, a jednocześnie wytrzymać duże obciążenia wiatrem przy jak najmniejszej wadze. Zespół Xenecore najpierw próbował stworzyć ostrze kompozytowe z litego włókna węglowego, ale wytrzymałość nie była dobra, nawet płyty z litego włókna węglowego mogą pękać przy silnym wietrze.
Wreszcie Xenecore zaprojektował pojedyncze ostrze w kształcie wachlarza, zwane Fanturbine, składające się z górnej i dolnej warstwy pokrytej termoplastycznymi mikrosferami Xenecore. Skóry te są wzmocnione żebrami zwanymi dwuteownikami. Projekt jest bioniczny, ponieważ żebra rozchodzą się z centralnego punktu, podobnie jak liście na liściu palmowym.
Łopaty są wytwarzane w jednoetapowym procesie formowania tłocznego przy użyciu wysokomodułowego włókna węglowego i żywic epoksydowych, aby zmaksymalizować wytrzymałość i stabilność oraz wytrzymać duże obciążenia wiatrem przy jak najmniejszej wadze. Jednoczęściowa konstrukcja z monomeru została również zaprojektowana tak, aby zmaksymalizować stabilność i teoretycznie wydłużyć żywotność ostrza, ponieważ nie ma połączeń ani klejów, które mogłyby z czasem ulec uszkodzeniu lub zmęczeniu. Obecnie pierwsza wersja tych łopat jest stosunkowo niewielka, mierzy 3 na 3 stopy, a jej celem jest zwiększenie rozmiaru do większych rozmiarów, aby konkurować z konwencjonalnymi łopatami wiatrowymi.
Aby wyprodukować każde ostrze, pocięta tkanina z włókna węglowego jest umieszczana w aluminiowej górnej i dolnej formie, a na wierzchu każdej skóry umieszcza się wiele warstw papieru foliowego Xenecore. Forma zamyka się, a pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia mikrosfery rozszerzają się w lekką piankę strukturalną, która wiąże się z korą. W procesie powstaje pojedyncza, bezszwowa, wolna od spoiwa, swobodnie poruszająca się pojedyncza część belki dwuteowej.
Konstrukcja turbiny Xenecore składa się z czterech łopatek wentylatora na każdej turbinie, pokrywających około 80 procent dostępnej powierzchni. Wiatr popycha łopaty i obraca wirniki, co wytwarza energię w turbinie. Według białej księgi z 2021 r. sporządzonej przez nieżyjącego już dr Paulo Abdala, profesora lotnictwa na Uniwersytecie w Brasilii, ilość wytwarzanej energii elektrycznej w dużej mierze zależy od prędkości wiatru. Wytrzymałość płaskich łopat w kształcie wachlarza pomaga w tworzeniu ostrych różnic ciśnienia po bokach łopat, co zwiększa prędkość wiatru i wytwarzanie energii.
Zgodnie z symulacjami firmy Xenecore, w idealnych warunkach wentylator mógłby teoretycznie osiągnąć maksymalnie 98% przechwytywania energii wiatru. Ponadto ostrze zostało zaprojektowane tak, aby wytrzymać wiatry o sile huraganu, aw symulacjach okazało się, że wytrzymuje wiatry o prędkości do 376 mil na godzinę, czyli znacznie powyżej maksymalnej prędkości huraganu. Według Choe łopaty te mogą działać na istniejących turbinach bez zmiany istniejącej infrastruktury.
W 2022 roku Xenecore rozpoczął produkcję małych turbin o mocy 5 kW z łopatkami 3 x 3 stopy i sprzedawał je dystrybutorom w Ameryce Południowej oraz online na całym świecie. Te małe systemy mają zastąpić panele słoneczne o podobnej mocy stosowane w domach i firmach, zapewniając taką samą ilość energii, ale działają znacznie lepiej i kosztują trzy razy mniej w eksploatacji, wyjaśnił Choe.
Łopaty zostały przetestowane pod kątem wytwarzania siedmiokrotnie większej mocy niż konwencjonalne turbiny wiatrowe o podobnej wielkości. Największy system przetestowany przez Xenecore to 100-kilowatowa turbina z łopatkami o szerokości 11 stóp. Pracuje nad wersją na poziomie megawatów.
Choe powiedział, że w niedalekiej przyszłości istnieje duże zainteresowanie większymi łopatami Fanturbine, zauważając, że technologia ta może potencjalnie zmodernizować największą obecnie turbinę Haliade X francuskiej firmy GE, co może zwiększyć jej wydajność 100-krotnie z 14 megawatów do 1,4 gigawatów.
Obecnie firma poszukuje inwestorów i partnerów, którzy pomogą przenieść technologię na kolejny etap. Aby przetestować technologię, kolejnym krokiem Xenecore jest zbudowanie i zainstalowanie turbiny o mocy 1 MW na zmodernizowanej, wycofanej z eksploatacji wieży turbiny wiatrowej.
