Καθώς χώρες όπως οι Ηνωμένες Πολιτείες ανακοινώνουν πολιτικές και στόχους που επικεντρώνονται στην αύξηση της ικανότητας ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, υπάρχουν ευκαιρίες για νέες και βελτιωμένες τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η Xenecore, μια εταιρεία με έδρα τη Νέα Υόρκη που αναπτύσσει πιο αποδοτικά πτερύγια ανεμογεννητριών με υψηλότερες δυνατότητες δέσμευσης ενέργειας, χρησιμοποιεί την τεχνογνωσία της στα σύνθετα μέρη για να σχεδιάσει και να αναπτύξει πτερύγια ανέμου σε σχήμα ανεμιστήρα με βάση την αντίσταση.
Η Xenecore ιδρύθηκε το 2010 από τον Jerry Choe, Διευθύνοντα Σύμβουλο και ιδρυτή της εταιρείας, μέσω της χρήσης της τεχνολογίας υλικών σε εφαρμογές αθλητικών ειδών για την ανάπτυξη σύνθετων ρακέτες τένις από ανθρακονήματα, και δημιούργησε μια σειρά από διπλώματα ευρεσιτεχνίας. Προκειμένου να επιτευχθεί μια ρακέτα τένις από ανθρακονήματα με υψηλή απόδοση και δύναμη κατά το χτύπημα της μπάλας και για να ελαχιστοποιηθεί η πρόσκρουση της ρακέτας στο χέρι, μετά από μια 18-μηνιαία περίοδο ανάπτυξης, αυτός και η ομάδα του ανέπτυξαν ένα υλικό και λύση διεργασίας, η οποία κυκλοφορεί τώρα με την εμπορική ονομασία Xenecore, ένα προϊόν θερμοπλαστικής μικροσφαιρών που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δομικός πυρήνας για σύνθετα μέρη.
Μετά από αυτές τις αρχικές επιτυχίες, η εταιρεία επένδυσε πολλά στην περαιτέρω βελτιστοποίηση της τεχνολογίας των θερμοπλαστικών μικροσφαιρών και της απονεμήθηκαν περισσότερες από 250 πατέντες παγκοσμίως. Η εταιρεία διαπίστωσε ότι η χρήση προϊόντων Xenecore θα μπορούσε να επεκταθεί πέρα από τις ρακέτες του τένις σε νέες ευκαιρίες για άλλες εφαρμογές, όπως πτερύγια drone και, πιο πρόσφατα, πτερύγια ανεμογεννητριών με βάση την αντίσταση.
Πριν από περίπου δύο χρόνια, ο Choe και η ομάδα της Xenecore άρχισαν να εξετάζουν πώς θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν η τεχνολογία και τα προϊόντα επεξεργασίας της εταιρείας για την ανάπτυξη πτερυγίων ανεμογεννητριών. Σήμερα, οι περισσότερες ανεμογεννήτριες έχουν λεπτά πτερύγια σε σχήμα αεροσκάφους που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια κυρίως από την ανύψωση. Καθώς ο άνεμος περνά μέσα από τα πτερύγια, η χαμηλότερη πίεση που σχηματίζεται στη μία πλευρά των πτερυγίων τραβά τα πτερύγια κάθετα προς την κατεύθυνση του ανέμου, αναγκάζοντάς τα να περιστρέφουν τους ρότορες, μεταφέροντας ενέργεια στον στρόβιλο για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια.
Αυτές οι λεπίδες είναι συνήθως κατασκευασμένες από φίμπεργκλας και στις μακρύτερες λεπίδες υποστηρίζονται από ένα σύνθετο καπάκι φτερού από ανθρακονήματα SPAR. Τα πτερύγια ανέμου συνήθως τοποθετούνται σε ανοιχτό καλούπι, εγχέονται υπό κενό και στη συνέχεια συναρμολογούνται μεταξύ τους χρησιμοποιώντας έναν ιστό διάτμησης, πυρήνα αφρού και κόλλα.
Οι πρώτοι ανεμόμυλοι, ωστόσο, έμοιαζαν πολύ διαφορετικοί, με φαρδιές, επίπεδες ξύλινες λεπίδες σε σχήμα βεντάλιας που παρήγαγαν ηλεκτρισμό μέσω αντίστασης, με τον άνεμο να χρησιμοποιείται απευθείας για να σπρώχνει τις λεπίδες προς την κατεύθυνση του ανέμου. Όταν πρωτοεφευρέθηκαν οι ανεμογεννήτριες, όλοι χρησιμοποιούσαν οπισθέλκουσα επειδή αιχμαλώτιζαν περισσότερο άνεμο. Αλλά αυτές οι πρώτες λεπίδες ήταν ένα πρόβλημα λόγω των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν, καθώς οι πρώτοι ανεμόμυλοι κατασκευάστηκαν με μαλακά, λιγότερο ανθεκτικά υλικά, όπως ύφασμα.
Το 1919, ο Γερμανός φυσικός Άλμπερτ Μπέιτς δημοσίευσε τον διάσημο πλέον Νόμο του Μπέιτς για τη σύλληψη του ανέμου και τον σχεδιασμό της λεπίδας. Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, η λεπίδα μπορεί να συλλάβει μόνο το 59 τοις εκατό της αιολικής ενέργειας χρησιμοποιώντας ανελκυστήρα. Αυτή η θεωρία επηρέασε το σχήμα των πτερυγίων του αεροσκάφους και των πτερυγίων της ανεμογεννήτριας για να μεγιστοποιηθεί η άντωση και να ελαχιστοποιηθεί η οπισθέλκουσα, χρησιμοποιώντας λεπτά, καμπύλα σχέδια που είναι ακόμα δημοφιλή σήμερα.
Σύμφωνα με τον Choe, το ποσοστό δέσμευσης ενέργειας 59% είναι ένα θεωρητικό μέγιστο, επειδή οι πραγματικές ανεμογεννήτριες συλλαμβάνουν ενέργεια πολύ λιγότερο αποτελεσματικά, αλλά δεν είναι το μέγιστο για τα σημερινά υλικά. Επειδή τα σύνθετα υλικά από υαλοβάμβακα και ανθρακονήματα που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι ισχυρότερα και ελαφρύτερα, έχουν πολύ καλύτερη απόδοση από τα μεταλλικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή λεπίδων και φτερών στην εποχή του Bates. Επομένως, δεδομένου ότι οι υπάρχουσες ιδιότητες του υλικού έχουν βελτιστοποιηθεί, ο καλύτερος σχεδιασμός μπορεί τώρα να είναι αναποτελεσματικός και να μην πληροί πλέον τις απαιτήσεις.
Αξίζει να σημειωθεί ότι υπάρχουν πολλά σχέδια πτερυγίων ανέμου με βάση την αντίσταση που χρησιμοποιούνται εδώ και πολύ καιρό, όπως η κάθετη ανεμογεννήτρια τύπου Savonius, η οποία διαθέτει δύο πτερύγια σε σχήμα κυπέλλου που περιστρέφονται γύρω από μια κεντρική τουρμπίνα. Αυτοί οι στρόβιλοι είναι γενικά πολύ λιγότερο αποδοτικοί από τους στρόβιλους που βασίζονται σε ανελκυστήρα επειδή, σε μια κατακόρυφη διάταξη, τα δύο πτερύγια εμποδίζουν στην πραγματικότητα μέρος του ανέμου που μπορεί να συλλάβει το άλλο μισό του πτερυγίου. Ωστόσο, ο απλός σχεδιασμός τους και η ικανότητά τους να συλλαμβάνουν ενέργεια σε περιοχές με χαμηλό άνεμο τα καθιστούν δημοφιλή για τουρμπίνες σε οικιακά ή εμπορικά περιβάλλοντα.
Ο Choe και η ομάδα του ξεκίνησαν να αναπτύξουν μια νεότερη οριζόντια ανεμογεννήτρια που μεγιστοποιεί την αντίσταση και, το πιο σημαντικό, χρησιμοποιεί προηγμένα σύνθετα υλικά.
Μία από τις πρώτες προκλήσεις που αντιμετώπισε η ομάδα Xenecore ήταν ότι από τη στιγμή που οι τουρμπίνες που βασίζονται σε ανελκυστήρα έχουν γίνει το πρότυπο, το σημερινό λογισμικό προσομοίωσης χρησιμοποιείται μόνο για την ανάλυση της απόδοσης των στροβίλων που βασίζονται σε ανελκυστήρα. Ο Choe και η ομάδα του δοκίμασαν μια σειρά από αναλυτικά εργαλεία και τελικά χρησιμοποίησαν το λογισμικό υπολογιστικής δυναμικής ρευστών Ansys Fluent για να μοντελοποιήσουν τη συμπεριφορά του ανέμου στη λεπίδα.
Χρησιμοποιώντας αυτά τα μοντέλα, ο στόχος είναι να αναπτυχθεί ένα πτερύγιο που μπορεί να συλλάβει τη μέγιστη οπισθέλκουσα, να παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέσα στον στρόβιλο και ταυτόχρονα να αντέχει υψηλά φορτία ανέμου με όσο το δυνατόν μικρότερο βάρος. Η ομάδα του Xenecore προσπάθησε αρχικά να φτιάξει μια σύνθετη λεπίδα από συμπαγή ανθρακονήματα, αλλά η αντοχή δεν ήταν καλή, ακόμη και οι πλάκες από συμπαγείς ίνες άνθρακα μπορούν να σπάσουν κάτω από ισχυρούς ανέμους.
Τέλος, η Xenecore σχεδίασε μια ενιαία λεπίδα σε σχήμα ανεμιστήρα, που ονομάζεται Fanturbine, που αποτελείται από ένα πάνω και κάτω δέρμα καλυμμένο με θερμοπλαστικά μικροσφαιρίδια Xenecore. Αυτά τα δέρματα είναι ενισχυμένα με νευρώσεις που ονομάζονται I-beams. Το σχέδιο είναι βιονικό επειδή οι νευρώσεις βγαίνουν από ένα κεντρικό σημείο, όπως τα φύλλα σε ένα φύλλο φοίνικα.
Οι λεπίδες κατασκευάζονται σε μια διαδικασία χύτευσης με συμπίεση ενός σταδίου χρησιμοποιώντας ανθρακονήματα και εποξειδικές ρητίνες υψηλού μέτρου για μεγιστοποίηση της αντοχής και της σταθερότητας και για την αντίσταση στα υψηλά φορτία ανέμου με το μικρότερο δυνατό βάρος. Η μονομερής σχεδίαση έχει επίσης σχεδιαστεί για να μεγιστοποιεί τη σταθερότητα και θεωρητικά να παρατείνει τη διάρκεια ζωής της λεπίδας, καθώς δεν υπάρχουν αρμοί ή κόλλες που μπορεί να βλάψουν ή να κουραστούν με την πάροδο του χρόνου. Επί του παρόντος, η πρώτη έκδοση αυτών των λεπίδων είναι σχετικά μικρή, με διαστάσεις 3 επί 3 πόδια, με στόχο την κλιμάκωση σε μεγαλύτερο μέγεθος για να ανταγωνιστεί τα συμβατικά πτερύγια ανέμου.
Για την παραγωγή κάθε λεπίδας, το κομμένο ύφασμα από ανθρακονήματα τοποθετείται σε ένα καλούπι από αλουμίνιο πάνω και κάτω και πολλαπλές στρώσεις χαρτιού μεμβράνης Xenecore τοποθετούνται πάνω από κάθε δέρμα. Το καλούπι κλείνει και κάτω από υψηλή θερμοκρασία και πίεση, οι μικροσφαίρες διαστέλλονται σε έναν ελαφρύ δομικό αφρό που συνδέεται με τον φλοιό. Η διαδικασία παράγει ένα ενιαίο, άνευ ραφής, χωρίς συνδετικό υλικό, που κινείται ελεύθερα μόνο τμήμα της δέσμης I.
Ο σχεδιασμός του στροβίλου της Xenecore αποτελείται από τέσσερα πτερύγια ανεμιστήρα σε κάθε στρόβιλο, καλύπτοντας περίπου το 80 τοις εκατό της διαθέσιμης επιφάνειας. Ο άνεμος σπρώχνει τα πτερύγια και περιστρέφει τους ρότορες, γεγονός που δημιουργεί ενέργεια στον στρόβιλο. Σύμφωνα με μια λευκή βίβλο του 2021 από τον αείμνηστο Δρ. Paulo Abdala, καθηγητή αεροπορίας στο Πανεπιστήμιο της Μπραζίλια, η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ταχύτητα του ανέμου. Η στιβαρότητα των επίπεδων λεπίδων σε σχήμα ανεμιστήρα συμβάλλει στη δημιουργία απότομων διαφορών πίεσης στα πλάγια των λεπίδων, γεγονός που αυξάνει την ταχύτητα του ανέμου και την παραγωγή ενέργειας.
Σύμφωνα με τις προσομοιώσεις του Xenecore, υπό ιδανικές συνθήκες, ο ανεμιστήρας θα μπορούσε θεωρητικά να επιτύχει μέγιστη δέσμευση αιολικής ενέργειας 98 τοις εκατό. Επιπλέον, η λεπίδα έχει σχεδιαστεί για να αντέχει ανέμους με δύναμη τυφώνα και σε προσομοιώσεις, αποδείχθηκε ότι αντέχει ανέμους έως και 376 μίλια την ώρα, πολύ πάνω από την τελική ταχύτητα ενός τυφώνα. Σύμφωνα με τον Choe, αυτά τα πτερύγια μπορούν να λειτουργήσουν σε υπάρχοντες στρόβιλους χωρίς να αλλάξουν την υπάρχουσα υποδομή.
Το 2022, η Xenecore ξεκίνησε την παραγωγή μικρών στροβίλων 5 kW με πτερύγια 3 x 3 ποδιών και τους πούλησε σε διανομείς στη Νότια Αμερική και διαδικτυακά σε όλο τον κόσμο. Αυτά τα μικρά συστήματα έχουν σχεδιαστεί για να αντικαθιστούν παρόμοια ηλιακά πάνελ που χρησιμοποιούνται σε σπίτια και επιχειρήσεις, παρέχοντας την ίδια ποσότητα ενέργειας, αλλά αποδίδουν πολύ καλύτερα και κοστίζουν τρεις φορές λιγότερο στη λειτουργία τους, εξήγησε ο Choe.
Τα πτερύγια έχουν δοκιμαστεί για να παράγουν επτά φορές περισσότερη ισχύ από τις συμβατικές ανεμογεννήτριες παρόμοιου μεγέθους. Το μεγαλύτερο σύστημα που έχει δοκιμάσει η Xenecore είναι ένας στρόβιλος 100-κιλοβάτ με πτερύγια πλάτους 11 πόδια. Έχει στα σκαριά μια έκδοση σε επίπεδο μεγαβάτ.
Ο Choe είπε ότι υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για μεγαλύτερα πτερύγια Fanturbine στο εγγύς μέλλον, σημειώνοντας ότι η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να μετασκευάσει τον στρόβιλο Haliade X της γαλλικής GE, τον μεγαλύτερο επί του παρόντος, ο οποίος θα μπορούσε να 100-πλασιάσει τη χωρητικότητά του από 14 μεγαβάτ έως 1,4 γιγαβάτ.
Επί του παρόντος, η εταιρεία αναζητά επενδυτές και συνεργάτες που θα βοηθήσουν στην προώθηση της τεχνολογίας στο επόμενο στάδιο. Για να αποδείξει την τεχνολογία, το επόμενο βήμα της Xenecore είναι να κατασκευάσει και να εγκαταστήσει μια τουρμπίνα 1 MW σε έναν εκ των υστέρων παροπλισμένο πύργο ανεμογεννητριών.
