Þar sem lönd eins og Bandaríkin boða stefnu og markmið sem miða að því að auka endurnýjanlega orkugetu, þá eru tækifæri fyrir nýja og endurbætta endurnýjanlega orkutækni. Xenecore, fyrirtæki með aðsetur í New York borg sem þróar hagkvæmari vindmyllublöð með meiri orkufangagetu, notar sérfræðiþekkingu sína í samsettum hlutum til að hanna og þróa viðnámsbundin viftulaga vindblöð.
Xenecore var stofnað árið 2010 af Jerry Choe, forstjóra og stofnanda fyrirtækisins, með því að nota efnistækni í íþróttavöruumsóknum til að þróa koltrefja samsetta tennisspaða, og myndaði fjölda einkaleyfa. Til þess að ná fram koltrefja tennisspaða með mikilli frammistöðu og krafti á meðan hann slær boltann, og til að lágmarka áhrif spaðans á handlegginn, eftir 18-mánaðar þróunartímabil, þróaði hann og teymi hans efni og vinnslulausn, sem nú er markaðssett undir vöruheitinu Xenecore, hitaþjálu örkúluvöru sem hægt er að nota sem burðarkjarna fyrir samsetta hluta.
Í kjölfar þessara fyrstu velgengni fjárfesti fyrirtækið mikið í frekari hagræðingu á hitaþjálu örkúlutækni og hlaut meira en 250 einkaleyfi um allan heim. Fyrirtækið komst að því að notkun Xenecore afurða gæti náð lengra en tennisspaðar til nýrra tækifæra fyrir önnur forrit, svo sem drónablöð og, nýlega, vindmyllublöð sem byggjast á viðnám.
Fyrir um tveimur árum hófu Choe og Xenecore teymið að skoða hvernig hægt væri að nota vinnslutækni og vörur fyrirtækisins til að þróa vindmyllublöð. Í dag eru flestar vindmyllur með mjó flugvélalaga blöð sem framleiða rafmagn fyrst og fremst með lyftu. Þegar vindurinn fer í gegnum blöðin togar lægri þrýstingurinn sem myndast á annarri hlið blaðanna í blöðin hornrétt á vindáttina, sem veldur því að þau snúa snúningunum og flytja orku til hverflans til að framleiða rafmagn.
Þessi blöð eru venjulega gerð úr trefjaglerhúð og í lengri blöð eru þau studd af koltrefja samsettu vængi SPAR hettu. Vindblöð eru venjulega sett í opið mót, sprautað í lofttæmi og síðan sett saman með klippivef, froðukjarna og lími.
Elstu vindmyllurnar litu hins vegar mjög öðruvísi út, þær voru með breiðum, flötum, viftulaga viðarblöðum sem mynduðu rafmagn með mótstöðu, þar sem vindurinn var beint notaður til að ýta blaðunum í átt að vindinum. Þegar vindmyllur voru fyrst fundnar upp notuðu allir drag vegna þess að það náði meiri vindi. En þessi fyrstu blöð voru vandamál vegna efna sem notuð voru, þar sem elstu vindmyllurnar voru byggðar með mjúkum, minna varanlegum efnum eins og dúk.
Árið 1919 gaf þýski eðlisfræðingurinn Albert Bates út hina frægu Bates lög um vindfang og blaðhönnun. Samkvæmt þessum lögum getur blaðið aðeins náð að hámarki 59 prósent af vindorkunni með lyftu. Þessi kenning hafði áhrif á lögun vængja flugvéla og vindmyllublaða til að hámarka lyftingu og lágmarka viðnám, með því að nota þunnt, bogið form sem er enn vinsælt í dag.
Samkvæmt Choe er 59 prósent orkufangahlutfallið fræðilegt hámark vegna þess að raunverulegar vindmyllur fanga orku mun óhagkvæmari, en það er ekki hámarkið fyrir efni nútímans. Vegna þess að trefjagler- og koltrefjasamsetningin sem notuð eru í dag eru sterkari og léttari skila þau miklu betri árangri en málmefnin sem notuð voru til að búa til blað og vængi á dögum Bates. Þess vegna, í ljósi þess að núverandi efniseiginleikar hafa verið fínstilltir, getur besta hönnunin nú verið óhagkvæm og uppfyllt ekki lengur kröfurnar.
Vert er að taka fram að það er fjöldi mótstöðubyggðra vindblaðahönnunar sem hafa verið í notkun í langan tíma, svo sem lóðrétta vindmylla af Savonius gerð, sem er með tveimur bollalaga blöðum sem snúast um miðhverfla. Þessar túrbínur eru almennt mun óhagkvæmari en túrbínur sem byggjast á lyfti vegna þess að í lóðréttri uppsetningu hindra blöðin tvö í raun og veru hluta af vindinum sem hinn helmingur blaðsins getur náð. Hins vegar, einföld hönnun þeirra og geta til að fanga orku á svæðum með litlum vindi gera þá vinsæla fyrir hverfla í heima- eða atvinnuumhverfi.
Choe og teymi hans lögðu upp með að þróa nýrri lárétta vindmyllu sem hámarkar viðnám og, síðast en ekki síst, notar háþróuð samsett efni.
Ein af fyrstu áskorunum sem Xenecore teymið stóð frammi fyrir var að þar sem lyftutengdar hverflar eru orðnar staðalbúnaður er hermihugbúnaður nútímans aðeins notaður til að greina afköst hverfla sem byggjast á lyftu. Choe og teymi hans reyndu fjölda greiningartóla og notuðu að lokum Ansys Fluent computational fluid dynamics hugbúnað til að móta hegðun vindsins á blaðinu.
Með því að nota þessi líkön er markmiðið að þróa blað sem getur fanga hámarks viðnám, framleitt rafmagn inni í hverflinum og á sama tíma þolað mikið vindálag með eins litlum þyngd og mögulegt er. Xenecore teymið reyndi fyrst að búa til solid koltrefja samsett blað, en styrkurinn var ekki góður, jafnvel solid koltrefjaplötur geta brotnað undir miklum vindi.
Að lokum hannaði Xenecore eitt viftulaga blað, kallað Fanturbine, sem samanstendur af toppi og neðri húð sem er þakið Xenecore hitaþjálu örkúlum. Þessi skinn eru styrkt með rifbeinum sem kallast I-geislar. Hönnunin er lífræn vegna þess að rifin flæða út frá miðpunkti, líkt og laufin á pálmablaði.
Blöðin eru framleidd í eins þrepa þjöppunarmótunarferli með koltrefjum og epoxýkvoða með háum stuðli til að hámarka styrk og stöðugleika og standast mikið vindálag með léttustu mögulegu þyngd. Einliðahönnunin í einu lagi er einnig hönnuð til að hámarka stöðugleika og fræðilega lengja endingu blaðsins, þar sem engar samskeyti eða lím geta skemmt eða þreytist með tímanum. Eins og er, er fyrsta útgáfan af þessum blöðum tiltölulega lítil, mælist 3 sinnum 3 fet, með það að markmiði að stækka upp í stærri stærð til að keppa við hefðbundin vindblöð.
Til að framleiða hvert blað er skorið koltrefjaefni sett í álform að ofan og neðan og mörg lög af Xenecore filmupappír eru sett ofan á hverja húð. Mótið lokar og við háan hita og þrýsting þenjast örkúlurnar út í létta byggingarfroðu sem binst heilaberki. Ferlið framleiðir einn, óaðfinnanlegan, bindiefnalausan, frjálsan hluta I-geislans.
Hverflahönnun Xenecore samanstendur af fjórum viftublöðum á hverri hverflum, sem þekja um það bil 80 prósent af tiltæku yfirborði. Vindurinn ýtir við blaðunum og snýst snúningana, sem skapar orku í hverflinum. Samkvæmt hvítbók frá 2021 eftir látinn Dr. Paulo Abdala, prófessor í flugi við háskólann í Brasilíu, er magn raforku sem framleitt er að miklu leyti háð vindhraða. Sterkleiki flötu viftulaga blaðanna hjálpar til við að skapa brattan þrýstingsmun á hliðum blaðanna, sem eykur vindhraða og orkuframleiðslu.
Samkvæmt uppgerðum Xenecore, við kjöraðstæður gæti viftan fræðilega náð að hámarki 98 prósent vindorkufanga. Að auki er blaðið hannað til að standast vinda af völdum fellibyls og í uppgerðum reyndist það þola allt að 376 mílna hraða á klukkustund, vel yfir hámarkshraða fellibyls. Að sögn Choe geta þessar blöð starfað á núverandi hverflum án þess að breyta núverandi innviðum.
Árið 2022 hóf Xenecore framleiðslu á 5 kW litlum hverflum með 3 x 3 feta blöðum og seldi þær til dreifingaraðila í Suður-Ameríku og á netinu um allan heim. Þessi litlu kerfi eru hönnuð til að skipta um svipaða orku sólarrafhlöður sem notuð eru á heimilum og fyrirtækjum, veita sama magn af orku, en þau skila miklu betur og kosta þrisvar sinnum minna í rekstri, útskýrði Choe.
Blöðin hafa verið prófuð til að framleiða sjö sinnum meira afl en hefðbundnar vindmyllur af svipaðri stærð. Stærsta kerfið sem Xenecore hefur prófað er 100-kílóvatt hverfla með blöð 11 fet á breidd. Það er megavatta útgáfa í vinnslu.
Choe sagði að mikill áhugi væri á stærri Fanturbine blöðum í náinni framtíð og benti á að tæknin hefði möguleika á að endurbæta Haliade X hverfla franska GE, sem nú er sú stærsta, sem gæti aukið getu sína 100-falt úr 14 megavött í 1,4 gígavött.
Eins og er er fyrirtækið að leita að fjárfestum og samstarfsaðilum til að hjálpa til við að taka tæknina á næsta stig. Til að sanna tæknina er næsta skref Xenecore að smíða og setja upp 1 MW túrbínu á endurgerðum vindmylluturni sem hefur verið tekinn úr notkun.
