Vzhledem k tomu, že země jako Spojené státy oznamují politiky a cíle zaměřené na zvyšování kapacity obnovitelné energie, objevují se příležitosti pro nové a vylepšené technologie obnovitelné energie. Xenecore, společnost se sídlem v New Yorku, která vyvíjí účinnější lopatky větrných turbín s vyšší schopností zachycování energie, využívá své odborné znalosti v oblasti kompozitních dílů k navrhování a vývoji vějířovitých větrných lopatek založených na odporu.
Společnost Xenecore byla založena v roce 2010 Jerry Choe, generálním ředitelem a zakladatelem společnosti, pomocí technologie materiálů v aplikacích sportovních potřeb k vývoji tenisových raket z kompozitních uhlíkových vláken a vytvořila řadu patentů. Aby bylo možné získat tenisovou raketu z uhlíkových vláken s vysokým výkonem a silou při úderu do míče a minimalizovat dopad rakety na paži, po 18-měsíčním vývoji vyvinul on a jeho tým materiál a procesní roztok, který je nyní prodáván pod obchodním názvem Xenecore, produkt z termoplastických mikrokuliček, který lze použít jako strukturální jádro pro kompozitní díly.
Po těchto počátečních úspěších společnost značně investovala do další optimalizace technologie termoplastických mikrokuliček a získala více než 250 patentů po celém světě. Společnost zjistila, že použití produktů Xenecore by se mohlo rozšířit za hranice tenisových raket k novým příležitostem pro další aplikace, jako jsou lopatky dronů a v poslední době lopatky větrných turbín na bázi odporu.
Přibližně před dvěma lety začali Choe a tým Xenecore zkoumat, jak by bylo možné využít procesní technologii a produkty společnosti k vývoji lopatek větrných turbín. Dnes má většina větrných turbín štíhlé lopatky ve tvaru letadla, které generují elektřinu především ze vztlaku. Když vítr prochází lopatkami, nižší tlak vytvořený na jedné straně lopatek táhne lopatky kolmo ke směru větru, což způsobuje, že otáčejí rotory a přenášejí energii do turbíny k výrobě elektřiny.
Tyto listy jsou obvykle vyrobeny ze sklolaminátové kůže a u delších listů jsou podepřeny krytem křídla SPAR z kompozitu uhlíkových vláken. Větrné lopatky jsou obvykle umístěny v otevřené formě, vakuově vstřikovány a poté spojeny dohromady pomocí smykové tkaniny, pěnového jádra a lepidla.
Nejstarší větrné mlýny však vypadaly velmi odlišně, měly široké ploché vějířovité dřevěné lopatky, které vytvářely elektřinu prostřednictvím odporu, přičemž vítr přímo tlačil lopatky ve směru větru. Když byly poprvé vynalezeny větrné turbíny, každý používal tažení, protože zachycovalo více větru. Ale tyto první lopatky byly problémem kvůli použitým materiálům, protože nejstarší větrné mlýny byly postaveny z měkkých, méně odolných materiálů, jako je látka.
V roce 1919 německý fyzik Albert Bates publikoval svůj dnes již slavný Batesův zákon o zachycování větru a konstrukci čepele. Podle tohoto zákona může lopatka zachytit pouze maximálně 59 procent energie větru pomocí vztlaku. Tato teorie ovlivnila tvar křídel letadel a lopatek větrných turbín s cílem maximalizovat vztlak a minimalizovat odpor pomocí tenkých, zakřivených konstrukcí, které jsou dodnes populární.
Podle Choea je míra zachycení energie 59 procent teoretickým maximem, protože skutečné větrné turbíny zachycují energii mnohem méně efektivně, ale není to maximum pro dnešní materiály. Protože dnes používané kompozity ze skleněných vláken a uhlíkových vláken jsou pevnější a lehčí, fungují mnohem lépe než kovové materiály používané k výrobě lopatek a křídel za Batesových časů. Vzhledem k tomu, že stávající vlastnosti materiálů byly optimalizovány, může být nejlepší návrh nyní neefektivní a již nesplňuje požadavky.
Stojí za zmínku, že existuje řada konstrukcí větrných lopatek založených na odporu, které se používají již dlouhou dobu, jako je vertikální větrná turbína typu Savonius, která se vyznačuje dvěma lopatkami ve tvaru misky, které se otáčejí kolem centrální turbíny. Tyto turbíny jsou obecně mnohem méně účinné než turbíny založené na vztlaku, protože ve vertikálním uspořádání obě lopatky ve skutečnosti blokují část větru, který může zachytit druhá polovina lopatky. Jejich jednoduchý design a schopnost zachycovat energii v oblastech se slabým větrem je však činí oblíbenými pro turbíny v domácím nebo komerčním prostředí.
Choe a jeho tým se pustili do vývoje novější horizontální větrné turbíny, která maximalizuje odpor a hlavně využívá pokročilé kompozitní materiály.
Jednou z prvních výzev, kterým tým Xenecore čelil, bylo, že od té doby, co se výtahové turbíny staly standardem, se dnešní simulační software používá pouze k analýze výkonu výtahových turbín. Choe a jeho tým vyzkoušeli řadu analytických nástrojů a nakonec použili výpočetní software pro dynamiku tekutin Ansys Fluent k modelování chování větru na listu.
Pomocí těchto modelů je cílem vyvinout lopatku, která dokáže zachytit maximální odpor, generovat elektřinu uvnitř turbíny a zároveň odolat vysokému zatížení větrem s co nejmenší hmotností. Tým Xenecore se nejprve pokusil vyrobit čepel z pevného kompozitu z uhlíkových vláken, ale pevnost nebyla dobrá, dokonce i pevné desky z uhlíkových vláken se mohou při silném větru zlomit.
Nakonec společnost Xenecore navrhla jedinou čepel ve tvaru vějíře, nazývanou Fanturbine, sestávající z horní a spodní vrstvy pokryté termoplastickými mikrokuličkami Xenecore. Tyto pláště jsou vyztuženy žebry nazývanými I-nosníky. Design je bionický, protože žebra vybíhají ze středu, podobně jako listy na palmovém listu.
Čepele jsou vyráběny v jednostupňovém lisovacím procesu za použití vysokomodulových uhlíkových vláken a epoxidových pryskyřic, aby se maximalizovala pevnost a stabilita a aby odolávaly vysokému zatížení větrem s co nejnižší hmotností. Jednodílná konstrukce monomeru je také navržena tak, aby maximalizovala stabilitu a teoreticky prodloužila životnost čepele, protože zde nejsou žádné spoje nebo lepidla, která by se mohla časem poškodit nebo unavit. V současné době je první verze těchto listů relativně malá, měří 3 x 3 stopy, s cílem zvětšit se na větší velikost, aby mohla konkurovat běžným větrným lopatkám.
Při výrobě každé čepele se nařezaná tkanina z uhlíkových vláken umístí do hliníkové horní a spodní formy a na každou vrstvu se položí několik vrstev fóliového papíru Xenecore. Forma se uzavře a pod vysokou teplotou a tlakem se mikrokuličky roztahují do lehké strukturální pěny, která se váže na kůru. Tento proces vytváří jedinou, bezešvou, bez pojiva, volně se pohybující jednotlivou část I-paprsku.
Konstrukce turbíny Xenecore se skládá ze čtyř lopatek ventilátoru na každé turbíně, které pokrývají přibližně 80 procent dostupné plochy. Vítr tlačí lopatky a roztáčí rotory, což vytváří energii v turbíně. Podle bílé knihy z roku 2021 zesnulého Dr. Paula Abdaly, profesora letectví na univerzitě v Brasilii, množství vyrobené elektřiny do značné míry závisí na rychlosti větru. Robustnost plochých vějířovitých lopatek pomáhá vytvářet strmé tlakové rozdíly na stranách lopatek, což zvyšuje rychlost větru a výrobu energie.
Podle simulací Xenecore by za ideálních podmínek mohl ventilátor teoreticky dosáhnout maximálně 98 procent zachycení větrné energie. Kromě toho je lopatka navržena tak, aby odolala větru o síle hurikánu a v simulacích se ukázalo, že odolá větru o rychlosti až 376 mil za hodinu, což je výrazně nad maximální rychlostí hurikánu. Podle Choe mohou tyto lopatky fungovat na stávajících turbínách bez změny stávající infrastruktury.
V roce 2022 Xenecore zahájila výrobu 5 kW malých turbín s lopatkami 3 x 3 stop a prodávala je distributorům v Jižní Americe a online po celém světě. Tyto malé systémy jsou navrženy tak, aby nahradily podobné energetické solární panely používané v domácnostech a podnicích, poskytují stejné množství energie, ale fungují mnohem lépe a jejich provoz stojí třikrát méně, vysvětlil Choe.
Lopatky byly testovány, aby produkovaly sedmkrát větší výkon než běžné větrné turbíny podobné velikosti. Největší systém, který Xenecore testoval, je 100-kilowattová turbína s lopatkami širokými 11 stop. Pracuje na verzi na úrovni megawattů.
Choe řekl, že v blízké budoucnosti bude velký zájem o větší lopatky Fanturbine, a poznamenal, že tato technologie má potenciál dovybavit francouzskou turbínu GE Haliade X, v současnosti největší, což by mohlo zvýšit její kapacitu 100-násobně ze 14 megawattů až 1,4 gigawattů.
V současné době společnost hledá investory a partnery, kteří by pomohli posunout technologii do další fáze. K prokázání technologie je dalším krokem společnosti Xenecore vybudování a instalace 1 MW turbíny na rekonstruovanou věž větrné turbíny, která byla vyřazena z provozu.
