Pe măsură ce țări precum Statele Unite anunță politici și obiective concentrate pe creșterea capacității de energie regenerabilă, există oportunități pentru tehnologii noi și îmbunătățite de energie regenerabilă. Xenecore, o companie cu sediul în New York, care dezvoltă pale de turbine eoliene mai eficiente, cu capacități mai mari de captare a energiei, își folosește experiența în piese compozite pentru a proiecta și dezvolta pale eoliene în formă de evantai bazate pe rezistență.
Xenecore a fost fondată în 2010 de Jerry Choe, CEO și fondator al companiei, prin utilizarea tehnologiei materialelor în aplicații de articole sportive pentru a dezvolta rachete de tenis din compozit din fibră de carbon și a format o serie de brevete. Pentru a obține o rachetă de tenis din fibră de carbon cu performanță și putere ridicate în timpul lovirii mingii și pentru a minimiza impactul rachetei asupra brațului, după o perioadă de 18-lună de dezvoltare, el și echipa sa au dezvoltat un material și soluție de proces, care este acum comercializată sub denumirea comercială Xencore, un produs din microsfere termoplastice care poate fi folosit ca miez structural pentru piesele compozite.
În urma acestor succese inițiale, compania a investit masiv în optimizarea în continuare a tehnologiei microsferelor termoplastice și a primit peste 250 de brevete în întreaga lume. Compania a descoperit că utilizarea produselor Xenecore s-ar putea extinde dincolo de rachetele de tenis la noi oportunități pentru alte aplicații, cum ar fi palele de drone și, mai recent, palele de turbine eoliene bazate pe rezistență.
În urmă cu aproximativ doi ani, Choe și echipa Xenecore au început să analizeze modul în care tehnologia de proces și produsele companiei ar putea fi utilizate pentru a dezvolta palete de turbine eoliene. Astăzi, majoritatea turbinelor eoliene au pale subțiri în formă de aeronave care generează energie electrică în principal din lift. Pe măsură ce vântul trece prin pale, presiunea inferioară formată pe o parte a palelor trage paletele perpendicular pe direcția vântului, determinându-le să rotească rotoarele, transferând energie turbinei pentru a genera electricitate.
Aceste lame sunt de obicei realizate din piele din fibră de sticlă, iar lamele mai lungi sunt susținute de un capac SPAR din aripă compozită din fibră de carbon. Lamele de vânt sunt de obicei plasate într-o matriță deschisă, injectate în vid și apoi asamblate împreună folosind o bandă de forfecare, miez de spumă și adeziv.
Cele mai vechi mori de vânt, însă, arătau foarte diferit, prezentând palete de lemn largi, plate, în formă de evantai, care generau electricitate prin rezistență, vântul fiind folosit direct pentru a împinge palele în direcția vântului. Când turbinele eoliene au fost inventate pentru prima dată, toată lumea folosea drag pentru că capta mai mult vânt. Dar aceste prime lame au reprezentat o problemă din cauza materialelor utilizate, deoarece primele mori de vânt au fost construite cu materiale moi, mai puțin durabile, cum ar fi pânza.
În 1919, fizicianul german Albert Bates a publicat acum faimoasa sa lege Bates despre captarea vântului și proiectarea palelor. Conform acestei legi, lama poate capta doar maximum 59% din energia eoliană folosind liftul. Această teorie a influențat forma aripilor aeronavelor și a palelor turbinelor eoliene pentru a maximiza portanța și a minimiza rezistența, folosind modele subțiri, curbate, care sunt încă populare astăzi.
Potrivit lui Choe, rata de captare a energiei de 59% este un maxim teoretic, deoarece turbinele eoliene reale captează energia mult mai puțin eficient, dar nu este maximul pentru materialele de astăzi. Deoarece compozitele din fibră de sticlă și fibră de carbon folosite astăzi sunt mai puternice și mai ușoare, au performanțe mult mai bune decât materialele metalice folosite pentru a face lame și aripi pe vremea lui Bates. Prin urmare, având în vedere că proprietățile materialelor existente au fost optimizate, cel mai bun design poate fi acum ineficient și să nu mai îndeplinească cerințele.
Este demn de remarcat faptul că există o serie de modele de pale eoliene bazate pe rezistență care au fost utilizate de mult timp, cum ar fi turbina eoliană verticală de tip Savonius, care are două pale în formă de cupă care se rotesc în jurul unei turbine centrale. Aceste turbine sunt, în general, mult mai puțin eficiente decât turbinele bazate pe lift, deoarece, într-o configurație verticală, cele două pale blochează de fapt o parte din vântul pe care cealaltă jumătate a palei îl poate capta. Cu toate acestea, designul lor simplu și capacitatea de a capta energie în zonele cu vânt scăzut le fac populare pentru turbinele din medii casnice sau comerciale.
Choe și echipa sa și-au propus să dezvolte o turbină eoliană orizontală mai nouă, care maximizează rezistența și, cel mai important, utilizează materiale compozite avansate.
Una dintre provocările timpurii cu care s-a confruntat echipa Xenecore a fost aceea că, deoarece turbinele bazate pe lift au devenit standard, software-ul de simulare de astăzi este folosit doar pentru a analiza performanța turbinelor bazate pe lift. Choe și echipa sa au încercat o serie de instrumente analitice și, în cele din urmă, au folosit software-ul de dinamică a fluidelor computaționale Ansys Fluent pentru a modela comportamentul vântului pe pale.
Folosind aceste modele, scopul este de a dezvolta o lamă care să poată capta rezistența maximă, să genereze electricitate în interiorul turbinei și, în același timp, să reziste la sarcinile mari ale vântului cu o greutate cât mai mică. Echipa Xenecore a încercat mai întâi să facă o lamă solidă din compozit din fibră de carbon, dar rezistența nu a fost bună, chiar și plăcile solide din fibră de carbon se pot rupe la vântul puternic.
În cele din urmă, Xenecore a proiectat o singură lamă în formă de evantai, numită Fanturbină, constând dintr-o piele de sus și de jos acoperită cu microsfere termoplastice Xenecore. Aceste piei sunt întărite cu nervuri numite I-beams. Designul este bionic, deoarece coastele ies în evantaie dintr-un punct central, la fel ca frunzele unei frunze de palmier.
Lamele sunt fabricate printr-un proces de turnare prin compresie într-o singură etapă, utilizând fibră de carbon cu modul înalt și rășini epoxidice pentru a maximiza rezistența și stabilitatea și pentru a rezista la sarcinile mari de vânt cu cea mai ușoară greutate posibilă. Designul monomer dintr-o singură bucată este, de asemenea, proiectat pentru a maximiza stabilitatea și, teoretic, extinde durata de viață a lamei, deoarece nu există îmbinări sau adezivi care pot deteriora sau oboseală în timp. În prezent, prima versiune a acestor lame este relativ mică, măsurând 3 pe 3 picioare, cu scopul de a crește la o dimensiune mai mare pentru a concura cu palele eoliene convenționale.
Pentru a produce fiecare lamă, țesătura din fibră de carbon tăiată este plasată într-o matriță de aluminiu de sus și de jos, iar mai multe straturi de hârtie de film Xenecore sunt plasate deasupra fiecărei piele. Mucegaiul se închide și, la temperaturi și presiune ridicate, microsferele se extind într-o spumă structurală ușoară care se leagă de cortex. Procesul produce o singură parte a fasciculului I, fără sudură, fără liant și care se mișcă liber.
Designul turbinei Xenecore constă din patru pale de ventilator pe fiecare turbină, acoperind aproximativ 80% din suprafața disponibilă. Vântul împinge palele și învârte rotoarele, ceea ce creează energie în turbină. Potrivit unei cărți albe din 2021 a regretatului dr. Paulo Abdala, profesor de aviație la Universitatea din Brasilia, cantitatea de electricitate generată depinde în mare măsură de viteza vântului. Robustețea palelor plate în formă de evantai ajută la crearea unor diferențe de presiune abrupte pe părțile laterale ale palelor, ceea ce crește viteza vântului și generarea de energie.
Conform simulărilor lui Xenecore, în condiții ideale, ventilatorul ar putea atinge, teoretic, un maxim de 98 la sută captarea energiei eoliene. În plus, lama este proiectată să reziste la vânt forțat de uragan și, în simulări, s-a dovedit că rezistă la vânt de până la 376 de mile pe oră, cu mult peste viteza maximă a unui uragan. Potrivit lui Choe, aceste palete pot funcționa pe turbinele existente fără a modifica infrastructura existentă.
În 2022, Xenecore a început producția de turbine mici de 5 kW cu palete de 3 x 3 picioare și le-a vândut distribuitorilor din America de Sud și online din întreaga lume. Aceste sisteme mici sunt concepute pentru a înlocui panourile solare cu putere similară utilizate în case și afaceri, oferind aceeași cantitate de putere, dar au performanțe mult mai bune și costă de trei ori mai puțin de funcționare, a explicat Choe.
Lamele au fost testate pentru a produce de șapte ori mai multă putere decât turbinele eoliene convenționale de dimensiuni similare. Cel mai mare sistem pe care l-a testat Xenecore este o turbină de 100-kilowați cu pale de 11 picioare lățime. Are o versiune la nivel de megawați în lucru.
Choe a spus că există un mare interes pentru palele Fanturbine mai mari în viitorul apropiat, menționând că tehnologia are potențialul de a moderniza turbina franceză Haliade X a GE, în prezent cea mai mare, care ar putea crește capacitatea acesteia de 100-ori, de la 14. megawați până la 1,4 gigawați.
În prezent, compania caută investitori și parteneri care să ajute să ducă tehnologia la etapa următoare. Pentru a demonstra tehnologia, următorul pas al Xenecore este să construiască și să instaleze o turbină de 1 MW pe un turn de turbină eoliană dezafectată.
