Ahogy az olyan országok, mint az Egyesült Államok, olyan politikákat és célokat hirdetnek meg, amelyek a megújuló energia kapacitásának növelésére összpontosítanak, lehetőség nyílik új és továbbfejlesztett megújulóenergia-technológiákra. A Xenecore, a New York-i székhelyű vállalat, amely hatékonyabb szélturbina lapátokat fejleszt nagyobb energiaelnyelő képességgel, kompozit alkatrészek terén szerzett szakértelmét használja ellenállás alapú, legyező alakú széllapátok tervezésére és fejlesztésére.
A Xenecore-t 2010-ben alapította Jerry Choe, a cég vezérigazgatója és alapítója, anyagtechnológiát felhasználva a sportszerek területén szénszálas kompozit teniszütők fejlesztésére, és számos szabadalmat alapított. Annak érdekében, hogy egy szénszálas teniszütőt készítsenek, amely nagy teljesítményű és erős labdaütés közben, valamint hogy minimalizálja az ütőnek a karra gyakorolt hatását, egy 18-hónapos fejlesztési időszak után csapatával egy anyagot és eljárási megoldás, amely ma Xenecore márkanéven kerül forgalomba, hőre lágyuló mikrogömb termék, amely kompozit alkatrészek szerkezeti magjaként használható.
A kezdeti sikereket követően a vállalat jelentős összegeket fektetett be a hőre lágyuló mikrogömbtechnológia további optimalizálásába, és világszerte több mint 250 szabadalmat kapott. A vállalat úgy találta, hogy a Xenecore termékek használata a teniszütőkön túlmenően új lehetőségekre is kiterjedhet más alkalmazásokhoz, például drónlapátokhoz és újabban az ellenálláson alapuló szélturbina lapátokhoz.
Körülbelül két évvel ezelőtt Choe és a Xenecore csapata elkezdte vizsgálni, hogyan lehetne a vállalat folyamattechnológiáját és termékeit szélturbinák lapátjainak fejlesztésére használni. Manapság a legtöbb szélturbina karcsú, repülőgép alakú lapátokkal rendelkezik, amelyek elsősorban emelésből termelnek áramot. Ahogy a szél áthalad a lapátokon, a lapátok egyik oldalán kialakuló kisebb nyomás a szélirányra merőlegesen rántja a lapátokat, aminek hatására azok elforgatják a rotorokat, energiát adva át a turbinának, hogy elektromosságot termeljenek.
Ezek a pengék általában üvegszálas bőrből készülnek, a hosszabb pengéknél pedig egy szénszálas kompozit szárnyú SPAR kupak tartják őket. A széllapátokat általában nyitott formába helyezik, vákuum-injektálást végeznek, majd nyírószalag, habmag és ragasztó segítségével összeillesztik.
A legkorábbi szélmalmok azonban nagyon eltérően néztek ki, széles, lapos, legyező alakú falapátokkal, amelyek ellenálláson keresztül áramot termeltek, és a szél közvetlenül a szél irányába tolja a lapátokat. Amikor a szélturbinákat először feltalálták, mindenki vontatást használt, mert több szelet fogott fel. De ezek az első pengék problémát okoztak a felhasznált anyagok miatt, mivel a legkorábbi szélmalmokat puha, kevésbé tartós anyagokból, például szövetből építették.
1919-ben Albert Bates német fizikus kiadta ma már híres Bates-törvényét a szélfogásról és a lapátok tervezéséről. E törvény szerint a lapát csak a szélenergia maximum 59 százalékát tudja felfogni emeléssel. Ez az elmélet befolyásolta a repülőgép szárnyainak és a szélturbinák lapátjainak alakját, hogy maximalizálja az emelést és minimalizálja a légellenállást, a vékony, ívelt kialakítások segítségével, amelyek ma is népszerűek.
Choe szerint az 59 százalékos energiaelnyelési arány elméleti maximum, mert a tényleges szélturbinák sokkal kevésbé hatékonyan kötik le az energiát, de ez nem a maximum a mai anyagok esetében. Mivel a ma használt üvegszálas és szénszálas kompozitok erősebbek és könnyebbek, sokkal jobban teljesítenek, mint a Bates korában pengék és szárnyak készítéséhez használt fémanyagok. Ezért, tekintettel arra, hogy a meglévő anyagtulajdonságokat optimalizálták, a legjobb tervezés most már nem hatékony, és már nem felel meg a követelményeknek.
Érdemes megjegyezni, hogy számos ellenállás-alapú széllapát-kialakítás létezik, amelyeket régóta használnak, mint például a Savonius típusú függőleges szélturbina, amely két, egy központi turbina körül forgó, csésze alakú lapáttal rendelkezik. Ezek a turbinák általában sokkal kevésbé hatékonyak, mint az emelő alapú turbinák, mivel függőleges elrendezésben a két lapát ténylegesen blokkolja a szél egy részét, amelyet a lapát másik fele képes felfogni. Egyszerű kialakításuk és az alacsony szélerősségű területeken történő energiafelvételi képességük miatt azonban népszerűek a turbinák otthoni vagy kereskedelmi környezetben.
Choe és csapata egy újabb vízszintes szélturbina kifejlesztését tűzte ki célul, amely maximalizálja a légellenállást, és ami a legfontosabb, fejlett kompozit anyagokat használ.
Az egyik korai kihívás, amellyel a Xenecore csapata szembesült, az volt, hogy mivel az emelőalapú turbinák szabványossá váltak, a mai szimulációs szoftvert csak az emelőalapú turbinák teljesítményének elemzésére használják. Choe és csapata számos elemző eszközt kipróbált, és végül az Ansys Fluent számítási folyadékdinamikai szoftvert használta a szél viselkedésének modellezésére a lapáton.
Ezekkel a modellekkel a cél egy olyan lapát kifejlesztése, amely maximális ellenállást képes rögzíteni, villamos energiát termelni a turbinán belül, és ugyanakkor a lehető legkisebb súllyal ellenáll a nagy szélterhelésnek. A Xenecore csapata először egy tömör szénszálas kompozit pengét próbált meg készíteni, de az erő nem volt jó, erős szél hatására még a tömör szénszálas lemezek is eltörhetnek.
Végül a Xenecore egyetlen legyező alakú pengét tervezett Fanturbine néven, amely felső és alsó héjból áll, amelyet Xenecore hőre lágyuló mikrogömbök borítanak. Ezeket a bőröket I-gerendáknak nevezett bordákkal erősítik meg. A dizájn bionikus, mert a bordák egy központi pontról legyeznek ki, hasonlóan a pálmalevél leveleihez.
A pengék egylépéses préselési eljárással készülnek, nagy modulusú szénszálas és epoxigyanták felhasználásával, hogy maximalizálják a szilárdságot és stabilitást, valamint ellenálljanak a nagy szélterhelésnek a lehető legkönnyebb súllyal. Az egy darabból álló monomer kialakítást úgy tervezték, hogy maximalizálja a stabilitást és elméletileg meghosszabbítsa a penge élettartamát, mivel nincsenek olyan illesztések vagy ragasztók, amelyek idővel károsodhatnak vagy elfáradhatnak. Jelenleg ezeknek a lapátoknak az első változata viszonylag kicsi, 3 x 3 láb méretű, azzal a céllal, hogy nagyobb méretre növeljék a versenyt a hagyományos széllapátokkal.
Az egyes pengék előállításához a vágott szénszálas szövetet egy alumínium felső és alsó formába helyezik, és több réteg Xenecore filmpapírt helyeznek mindegyik héj tetejére. A forma bezárul, és magas hőmérsékleten és nyomáson a mikrogömbök könnyű szerkezeti habbá tágulnak, amely a kéreghez kötődik. Az eljárás során az I-gerenda egyetlen, varratmentes, kötőanyag-mentes, szabadon mozgó része keletkezik.
A Xenecore turbina kialakítása minden turbinán négy ventilátorlapátból áll, amelyek a rendelkezésre álló felület körülbelül 80 százalékát fedik le. A szél nyomja a lapátokat és forgatja a rotorokat, ami energiát hoz létre a turbinában. A néhai Dr. Paulo Abdala, a Brazíliai Egyetem repüléstudományi professzorának 2021-es fehér könyve szerint a megtermelt villamos energia mennyisége nagymértékben függ a szél sebességétől. A lapos legyező alakú lapátok robusztussága elősegíti a meredek nyomáskülönbségek kialakulását a lapátok oldalán, ami növeli a szél sebességét és az energiatermelést.
A Xenecore szimulációi szerint ideális körülmények között a ventilátor elméletileg maximum 98 százalékos szélenergia-befogást tudna elérni. Ezenkívül a lapátot úgy tervezték, hogy ellenálljon a hurrikán erejű szélnek, és a szimulációk során bebizonyosodott, hogy akár 376 mérföld/órás széllel is ellenáll, ami jóval meghaladja a hurrikán végsebességét. Choe szerint ezek a lapátok a meglévő infrastruktúra megváltoztatása nélkül működhetnek a meglévő turbinákon.
2022-ben a Xenecore megkezdte az 5 kW-os, 3 x 3 láb lapátokkal rendelkező kis turbinák gyártását, és értékesítette őket Dél-Amerikában és világszerte online forgalmazóknak. Ezeket a kis rendszereket arra tervezték, hogy helyettesítsék az otthonokban és a vállalkozásokban használt hasonló teljesítményű napelemeket, és ugyanolyan mennyiségű energiát biztosítsanak, de sokkal jobban teljesítenek, és háromszor olcsóbbak az üzemeltetésük – magyarázta Choe.
A lapátokat úgy tesztelték, hogy hétszer nagyobb teljesítményt adnak, mint a hasonló méretű hagyományos szélturbinák. A Xenecore által tesztelt legnagyobb rendszer egy 100-kilowattos turbina, 11 láb széles lapátokkal. Megawatt szintű változata készül.
Choe elmondta, hogy a közeljövőben nagy az érdeklődés a nagyobb Fanturbine lapátok iránt, és megjegyezte, hogy a technológiában megvan a lehetőség a francia GE Haliade X turbinájának utólagos felszerelésére, amely jelenleg a legnagyobb, amely kapacitását 100-szeresére növelheti 14-ről. megawattról 1,4 gigawattra.
Jelenleg a cég befektetőket és partnereket keres, hogy segítsenek a technológia következő szakaszában. A technológia bizonyítása érdekében a Xenecore következő lépése egy 1 MW-os turbina építése és felszerelése egy utólagosan szerelt, leállított szélturbinatoronyra.
