Dok zemlje poput Sjedinjenih Država objavljuju politike i ciljeve usmjerene na povećanje kapaciteta obnovljive energije, postoje mogućnosti za nove i poboljšane tehnologije obnovljive energije. Xenecore, tvrtka sa sjedištem u New Yorku koja razvija učinkovitije lopatice vjetroturbina s većim mogućnostima hvatanja energije, koristi svoju stručnost u kompozitnim dijelovima za dizajn i razvoj lopatica vjetra u obliku lepeze zasnovanih na otporu.
Xenecore je 2010. utemeljio Jerry Choe, glavni izvršni direktor i osnivač tvrtke, korištenjem tehnologije materijala u primjenama sportske opreme za razvoj kompozitnih teniskih reketa od ugljičnih vlakana i formirao niz patenata. Kako bi se postigao teniski reket od karbonskih vlakana s visokim performansama i snagom prilikom udaranja loptice, te kako bi se smanjio utjecaj reketa na ruku, nakon 18-mjesečnog razdoblja razvoja, on i njegov tim razvili su materijal i procesno rješenje, koje se sada prodaje pod trgovačkim nazivom Xenecore, termoplastični mikrosferni proizvod koji se može koristiti kao strukturna jezgra za kompozitne dijelove.
Nakon ovih početnih uspjeha, tvrtka je uložila velika sredstva u daljnju optimizaciju tehnologije termoplastičnih mikrosfera i dobila je više od 250 patenata diljem svijeta. Tvrtka je otkrila da bi se upotreba proizvoda Xenecore mogla proširiti izvan teniskih reketa na nove mogućnosti za druge primjene, kao što su lopatice dronova i, u novije vrijeme, lopatice vjetroturbina koje se temelje na otporu.
Prije otprilike dvije godine, Choe i Xenecore tim počeli su istraživati kako se procesna tehnologija i proizvodi tvrtke mogu koristiti za razvoj lopatica vjetroturbina. Danas većina vjetroturbina ima vitke lopatice u obliku zrakoplova koje proizvode električnu energiju prvenstveno iz uzgona. Kako vjetar prolazi kroz lopatice, niži tlak formiran na jednoj strani lopatica povlači lopatice okomito na smjer vjetra, uzrokujući da okreću rotore, prenoseći energiju turbini za proizvodnju električne energije.
Ove su lopatice obično izrađene od kože od stakloplastike, au duljim lopaticama podupire SPAR kapu od kompozitnih karbonskih vlakana. Vjetrene lopatice obično se stavljaju u otvoreni kalup, ubrizgavaju vakuumom, a zatim se sastavljaju zajedno pomoću mreže za smicanje, jezgre od pjene i ljepila.
Međutim, najranije vjetrenjače izgledale su vrlo drugačije, imale su široke, ravne drvene lopatice u obliku lepeze koje su stvarale električnu energiju kroz otpor, a vjetar se izravno koristio za guranje lopatica u smjeru vjetra. Kad su vjetroturbine prvi put izumljene, svi su koristili otpor jer je hvatala više vjetra. Ali ove prve lopatice bile su problem zbog korištenih materijala, jer su prve vjetrenjače bile građene od mekanih, manje izdržljivih materijala kao što je tkanina.
Godine 1919. njemački fizičar Albert Bates objavio je svoj danas poznati Batesov zakon o hvatanju vjetra i dizajnu lopatica. Prema ovom zakonu, lopatica može uhvatiti najviše 59 posto energije vjetra pomoću uzgona. Ova je teorija utjecala na oblik krila zrakoplova i lopatica vjetroturbina kako bi se povećao uzgon i smanjio otpor, koristeći tanke, zakrivljene dizajne koji su i danas popularni.
Prema Choeu, stopa hvatanja energije od 59 posto je teoretski maksimum jer stvarne vjetroturbine hvataju energiju mnogo manje učinkovito, ali to nije maksimum za današnje materijale. Budući da su kompoziti od staklenih vlakana i karbonskih vlakana koji se danas koriste jači i lakši, imaju mnogo bolje performanse od metalnih materijala koji su se koristili za izradu lopatica i krila u Batesovo vrijeme. Stoga, s obzirom da su postojeća svojstva materijala optimizirana, najbolji dizajn sada može biti neučinkovit i više ne ispunjava zahtjeve.
Vrijedno je napomenuti da postoji niz dizajna lopatica vjetra koji se temelje na otporu i koji su u upotrebi već duže vrijeme, kao što je vertikalna vjetroturbina tipa Savonius, koja ima dvije lopatice u obliku šalice koje se okreću oko središnje turbine. Ove su turbine općenito mnogo manje učinkovite od turbina koje se temelje na dizanju jer, u okomitom postavljanju, dvije lopatice zapravo blokiraju dio vjetra koji druga polovica lopatice može uhvatiti. Međutim, njihov jednostavan dizajn i sposobnost hvatanja energije u područjima sa slabim vjetrom čine ih popularnima za turbine u kućnim ili poslovnim okruženjima.
Choe i njegov tim krenuli su u razvoj novije horizontalne vjetroturbine koja maksimizira otpor i, što je najvažnije, koristi napredne kompozitne materijale.
Jedan od ranih izazova s kojima se Xenecore tim suočio bio je taj da se, budući da su turbine temeljene na uzgonu postale standard, današnji softver za simulaciju koristi samo za analizu performansi turbina temeljenih na uzgonu. Choe i njegov tim isprobali su niz analitičkih alata i na kraju upotrijebili računalni softver za dinamiku fluida Ansys Fluent za modeliranje ponašanja vjetra na oštrici.
Korištenjem ovih modela, cilj je razviti lopaticu koja može uhvatiti maksimalan otpor, generirati električnu energiju unutar turbine, au isto vrijeme izdržati velika opterećenja vjetrom sa što manjom težinom. Tim Xenecore prvo je pokušao napraviti oštricu od čvrstih kompozitnih karbonskih vlakana, ali čvrstoća nije bila dobra, čak se i ploče od čvrstih karbonskih vlakana mogu slomiti pod jakim vjetrovima.
Konačno, Xenecore je dizajnirao jednu oštricu u obliku lepeze, nazvanu Fanturbine, koja se sastoji od gornjeg i donjeg sloja prekrivenih Xenecore termoplastičnim mikrosferama. Te su oplate ojačane rebrima koja se nazivaju I-grede. Dizajn je bionički jer se rebra lepezasto šire iz središnje točke, slično lišću na palminom lišću.
Lopatice su proizvedene u jednom koraku procesa kompresijskog kalupljenja upotrebom visokomodulnih ugljičnih vlakana i epoksidnih smola kako bi se maksimizirala čvrstoća i stabilnost i kako bi se oduprli velikim opterećenjima vjetrom uz najmanju moguću težinu. Jednodijelni monomerni dizajn također je dizajniran da maksimizira stabilnost i teoretski produži životni vijek oštrice, budući da nema spojeva ili ljepila koji se mogu oštetiti ili zamoriti tijekom vremena. Trenutačno je prva verzija ovih lopatica relativno mala, dimenzija 3 x 3 stope, s ciljem povećanja na veću veličinu kako bi se natjecala s konvencionalnim lopaticama za vjetar.
Za proizvodnju svake oštrice, izrezana tkanina od karbonskih vlakana stavlja se u aluminijski gornji i donji kalup, a više slojeva Xenecore film papira stavlja se na vrh svake kože. Kalup se zatvara, a pod visokom temperaturom i pritiskom mikrosfere se šire u laganu strukturnu pjenu koja se veže za korteks. Proces proizvodi jedan, bešavni, slobodni pojedinačni dio I-grede bez veziva.
Xenecoreov dizajn turbine sastoji se od četiri lopatice ventilatora na svakoj turbini, pokrivajući približno 80 posto raspoložive površine. Vjetar gura lopatice i vrti rotore, što stvara energiju u turbini. Prema bijeloj knjizi iz 2021. pokojnog dr. Paula Abdale, profesora zrakoplovstva na Sveučilištu u Braziliji, količina proizvedene električne energije uvelike ovisi o brzini vjetra. Robusnost ravnih lopatica u obliku lepeze pomaže u stvaranju velikih razlika tlaka na stranama lopatica, što povećava brzinu vjetra i proizvodnju energije.
Prema simulacijama Xenecorea, u idealnim uvjetima, ventilator bi teoretski mogao postići najviše 98 posto hvatanja energije vjetra. Osim toga, lopatica je dizajnirana da izdrži vjetrove snage uragana, au simulacijama se pokazalo da može izdržati vjetrove do 376 milja na sat, znatno iznad najveće brzine uragana. Prema Choeu, ove lopatice mogu raditi na postojećim turbinama bez mijenjanja postojeće infrastrukture.
Godine 2022. Xenecore je započeo proizvodnju malih turbina od 5 kW s lopaticama od 3 x 3 stope i prodao ih distributerima u Južnoj Americi i online diljem svijeta. Ovi mali sustavi dizajnirani su da zamijene solarne panele slične snage koji se koriste u domovima i tvrtkama, dajući istu količinu energije, ali rade puno bolje i koštaju tri puta manje za rad, objasnio je Choe.
Lopatice su ispitane kako bi proizvele sedam puta veću snagu od konvencionalnih vjetroturbina slične veličine. Najveći sustav koji je Xenecore testirao je 100-kilovatna turbina s lopaticama širokim 11 stopa. U izradi je verzija na razini megavata.
Choe je rekao da postoji veliko zanimanje za veće Fanturbine lopatice u bliskoj budućnosti, napominjući da ta tehnologija ima potencijal za naknadnu ugradnju Haliade X turbine francuskog GE-a, trenutno najveće, koja bi mogla povećati svoj kapacitet 100-puta, sa 14 megavata do 1,4 gigavata.
Trenutačno tvrtka traži investitore i partnere koji će joj pomoći podići tehnologiju na sljedeću fazu. Kako bi dokazao tehnologiju, Xenecoreov sljedeći korak je izgradnja i instaliranje turbine od 1 MW na naknadno opremljeni toranj vjetroturbine koji nije u pogonu.
