Тъй като страни като Съединените щати обявяват политики и цели, насочени към увеличаване на капацитета за възобновяема енергия, има възможности за нови и подобрени технологии за възобновяема енергия. Xenecore, базирана в Ню Йорк компания, разработваща по-ефективни лопатки на вятърни турбини с по-високи възможности за улавяне на енергия, използва своя опит в композитните части, за да проектира и разработи базирани на съпротивление ветрилообразни лопатки.
Xenecore е основана през 2010 г. от Джери Чоу, главен изпълнителен директор и основател на компанията, чрез използването на материална технология в приложения за спортни стоки за разработване на тенис ракети от въглеродни влакна и формира редица патенти. За да се постигне тенис ракета от въглеродни влакна с висока производителност и мощност при удряне на топката и да се сведе до минимум въздействието на ракетата върху ръката, след 18-месечен период на разработка, той и неговият екип разработиха материал и процесно решение, което сега се предлага на пазара под търговското наименование Xenecore, термопластичен микросферичен продукт, който може да се използва като структурно ядро за композитни части.
След тези първоначални успехи компанията инвестира сериозно в по-нататъшното оптимизиране на технологията за термопластични микросфери и получи повече от 250 патента по целия свят. Компанията установи, че използването на продуктите на Xenecore може да се разшири отвъд тенис ракетите до нови възможности за други приложения, като перки на дронове и, напоследък, перки на вятърни турбини, базирани на устойчивост.
Преди около две години Choe и екипът на Xenecore започнаха да търсят как технологията и продуктите на компанията могат да бъдат използвани за разработване на лопатки на вятърни турбини. Днес повечето вятърни турбини имат тънки перки с форма на самолет, които генерират електричество предимно от повдигане. Докато вятърът преминава през лопатките, по-ниското налягане, образувано от едната страна на лопатките, дърпа лопатките перпендикулярно на посоката на вятъра, което ги кара да въртят роторите, прехвърляйки енергия към турбината за генериране на електричество.
Тези лопатки обикновено са изработени от кожа от фибростъкло, а при по-дългите лопатки се поддържат от капачка SPAR на крилото от композитни въглеродни влакна. Вятърните лопатки обикновено се поставят в отворена форма, впръскват се под вакуум и след това се сглобяват заедно с помощта на срязващо се платно, сърцевина от пяна и лепило.
Най-ранните вятърни мелници обаче изглеждаха много различно, включвайки широки, плоски, ветрилообразни дървени остриета, които генерираха електричество чрез съпротивление, като вятърът се използваше директно, за да избута остриетата по посока на вятъра. Когато вятърните турбини бяха изобретени за първи път, всички използваха съпротивление, защото улавяше повече вятър. Но тези първи остриета бяха проблем поради използваните материали, тъй като най-ранните вятърни мелници бяха изградени от меки, по-малко издръжливи материали като плат.
През 1919 г. немският физик Алберт Бейтс публикува своя вече известен Закон на Бейтс за улавяне на вятъра и дизайн на перките. Според този закон перката може да улови само максимум 59 процента от вятърната енергия с помощта на повдигане. Тази теория повлия на формата на крилата на самолетите и лопатките на вятърните турбини, за да се увеличи максимално повдигането и да се намали съпротивлението, като се използват тънки, извити конструкции, които са популярни и днес.
Според Choe 59-процентният процент на улавяне на енергия е теоретичен максимум, тъй като действителните вятърни турбини улавят енергия много по-малко ефективно, но това не е максимумът за днешните материали. Тъй като композитите от фибростъкло и въглеродни влакна, използвани днес, са по-здрави и по-леки, те се представят много по-добре от металните материали, използвани за направата на остриета и крила по времето на Бейтс. Следователно, като се има предвид, че свойствата на съществуващите материали са оптимизирани, най-добрият дизайн сега може да е неефективен и вече да не отговаря на изискванията.
Струва си да се отбележи, че има редица дизайни на вятърни лопатки, базирани на съпротивление, които се използват от дълго време, като например вертикалната вятърна турбина тип Savonius, която включва две чашковидни лопатки, които се въртят около централна турбина. Тези турбини обикновено са много по-малко ефективни от турбините, базирани на повдигане, тъй като при вертикална настройка двете лопатки всъщност блокират част от вятъра, който другата половина на лопатката може да улови. Въпреки това, техният прост дизайн и способността им да улавят енергия в райони със слаб вятър ги правят популярни за турбини в домашни или търговски среди.
Чоу и неговият екип се заеха да разработят по-нова хоризонтална вятърна турбина, която максимизира съпротивлението и, най-важното, използва съвременни композитни материали.
Едно от ранните предизвикателства, пред които се изправи екипът на Xenecore, беше, че тъй като турбините, базирани на повдигане, се превърнаха в стандарт, днешният симулационен софтуер се използва само за анализиране на работата на турбините, базирани на повдигане. Чоу и неговият екип опитаха редица аналитични инструменти и в крайна сметка използваха софтуера за изчислителна динамика на флуидите Ansys Fluent, за да моделират поведението на вятъра върху острието.
Използвайки тези модели, целта е да се разработи лопатка, която може да улови максимално съпротивление, да генерира електричество вътре в турбината и в същото време да издържа на големи натоварвания от вятър с възможно най-малко тегло. Екипът на Xenecore първо се опита да направи композитно острие от твърди въглеродни влакна, но здравината не беше добра, дори твърдите плочи от въглеродни влакна могат да се счупят при силен вятър.
И накрая, Xenecore проектира едно ветрилообразно острие, наречено Fanturbine, състоящо се от горна и долна обшивка, покрити с термопластични микросфери Xenecore. Тези кожи са подсилени с ребра, наречени I-греди. Дизайнът е бионичен, защото ребрата се разпръскват от централна точка, подобно на листата на палмово листо.
Остриетата се произвеждат в едноетапен процес на формоване чрез компресия, като се използват високомодулни въглеродни влакна и епоксидни смоли, за да се увеличи максимално здравината и стабилността и да се издържат на големи натоварвания от вятър с възможно най-лекото тегло. Мономерният дизайн от една част също е проектиран да увеличи максимално стабилността и теоретично да удължи живота на острието, тъй като няма съединения или лепила, които могат да се повредят или уморят с течение на времето. Понастоящем първата версия на тези лопатки е сравнително малка, с размери 3 на 3 фута, с цел да се увеличи до по-голям размер, за да се конкурира с конвенционалните лопатки за вятър.
За да се произведе всяко острие, нарязаният плат от въглеродни влакна се поставя в алуминиева горна и долна форма и множество слоеве филмова хартия Xenecore се поставят върху всяка кожа. Формата се затваря и под висока температура и налягане микросферите се разширяват в лека структурна пяна, която се свързва с кортекса. Процесът произвежда единична, безшевна, без свързващо вещество, свободно движеща се единична част от I-лъча.
Турбинният дизайн на Xenecore се състои от четири перки на вентилатора на всяка турбина, покриващи приблизително 80 процента от наличната повърхност. Вятърът бута лопатките и върти роторите, което създава енергия в турбината. Според бяла книга от 2021 г. на покойния д-р Пауло Абдала, професор по авиация в университета в Бразилия, количеството генерирана електроенергия до голяма степен зависи от скоростта на вятъра. Здравината на плоските ветрилообразни лопатки спомага за създаването на големи разлики в налягането отстрани на лопатките, което увеличава скоростта на вятъра и генерирането на енергия.
Според симулациите на Xenecore, при идеални условия вентилаторът теоретично може да постигне максимум 98 процента улавяне на вятърна енергия. В допълнение, острието е проектирано да издържа на ураганни ветрове и при симулации се оказа, че издържа на ветрове до 376 мили в час, доста над максималната скорост на ураган. Според Choe тези лопатки могат да работят върху съществуващи турбини, без да променят съществуващата инфраструктура.
През 2022 г. Xenecore започна производството на 5 kW малки турбини с лопатки 3 x 3 фута и ги продаде на дистрибутори в Южна Америка и онлайн по целия свят. Тези малки системи са предназначени да заменят слънчеви панели с подобна мощност, използвани в домове и предприятия, като осигуряват същото количество енергия, но работят много по-добре и струват три пъти по-малко за работа, обясни Чоу.
Лопатките са тествани да произвеждат седем пъти повече мощност от конвенционалните вятърни турбини с подобен размер. Най-голямата система, която Xenecore тества, е 100-киловатова турбина с лопатки широки 11 фута. Разработва се версия на ниво мегават.
Чоу каза, че има голям интерес към по-големи лопатки Fanturbine в близко бъдеще, отбелязвайки, че технологията има потенциала да модернизира турбината Haliade X на френския GE, която в момента е най-голямата, което може да увеличи капацитета й 100-кратно от 14 мегавата до 1,4 гигавата.
В момента компанията търси инвеститори и партньори, които да помогнат за пренасянето на технологията на следващия етап. За да докаже технологията, следващата стъпка на Xenecore е да изгради и инсталира 1 MW турбина върху модернизирана изведена от експлоатация кула на вятърна турбина.
