Apabila negara seperti Amerika Syarikat mengumumkan dasar dan matlamat yang tertumpu pada peningkatan kapasiti tenaga boleh diperbaharui, terdapat peluang untuk teknologi tenaga boleh diperbaharui baharu dan dipertingkatkan. Xenecore, sebuah syarikat yang berpangkalan di New York City membangunkan bilah turbin angin yang lebih cekap dengan keupayaan menangkap tenaga yang lebih tinggi, menggunakan kepakarannya dalam bahagian komposit untuk mereka bentuk dan membangunkan bilah angin berbentuk kipas berasaskan rintangan.
Xenecore diasaskan pada tahun 2010 oleh Jerry Choe, Ketua Pegawai Eksekutif dan pengasas syarikat, melalui penggunaan teknologi bahan dalam aplikasi barangan sukan untuk membangunkan raket tenis komposit gentian karbon, dan membentuk beberapa paten. Untuk mencapai raket tenis gentian karbon dengan prestasi dan kuasa tinggi semasa memukul bola, dan untuk meminimumkan kesan raket pada lengan, selepas 18-tempoh pembangunan sebulan, dia dan pasukannya telah membangunkan bahan dan penyelesaian proses, yang kini dipasarkan di bawah nama dagangan Xenecore, produk mikrosfera termoplastik yang boleh digunakan sebagai teras struktur untuk bahagian komposit.
Berikutan kejayaan awal ini, syarikat itu melabur banyak dalam pengoptimuman lanjut teknologi mikrosfera termoplastik dan telah dianugerahkan lebih daripada 250 paten di seluruh dunia. Syarikat itu mendapati bahawa penggunaan produk Xenecore boleh melangkaui raket tenis kepada peluang baharu untuk aplikasi lain, seperti bilah dron dan, lebih baru-baru ini, bilah turbin angin berasaskan rintangan.
Kira-kira dua tahun lalu, Choe dan pasukan Xenecore mula melihat bagaimana teknologi proses dan produk syarikat boleh digunakan untuk membangunkan bilah turbin angin. Hari ini, kebanyakan turbin angin mempunyai bilah berbentuk pesawat langsing yang menjana elektrik terutamanya daripada lif. Apabila angin melalui bilah, tekanan rendah yang terbentuk pada satu sisi bilah menarik bilah berserenjang dengan arah angin, menyebabkan ia memutar pemutar, memindahkan tenaga ke turbin untuk menjana elektrik.
Bilah ini biasanya diperbuat daripada kulit gentian kaca, dan bilah yang lebih panjang disokong oleh penutup SPAR sayap komposit gentian karbon. Bilah angin biasanya diletakkan di dalam acuan terbuka, vakum disuntik, dan kemudian dipasang bersama menggunakan web ricih, teras buih, dan pelekat.
Kincir angin terawal, bagaimanapun, kelihatan sangat berbeza, menampilkan bilah kayu lebar, rata, berbentuk kipas yang menjana elektrik melalui rintangan, dengan angin terus digunakan untuk menolak bilah ke arah angin. Apabila turbin angin mula-mula dicipta, semua orang menggunakan seretan kerana ia menangkap lebih banyak angin. Tetapi bilah pertama ini menjadi masalah kerana bahan yang digunakan, kerana kincir angin terawal dibina dengan bahan lembut dan kurang tahan lama seperti kain.
Pada tahun 1919, ahli fizik Jerman Albert Bates menerbitkan Undang-undang Bates yang kini terkenal mengenai penangkapan angin dan reka bentuk bilah. Mengikut undang-undang ini, bilah hanya boleh menangkap maksimum 59 peratus tenaga angin menggunakan lif. Teori ini mempengaruhi bentuk sayap pesawat dan bilah turbin angin untuk memaksimumkan daya angkat dan meminimumkan seretan, menggunakan reka bentuk nipis melengkung yang masih popular hari ini.
Menurut Choe, kadar tangkapan tenaga 59 peratus adalah maksimum teori kerana turbin angin sebenar menangkap tenaga dengan kurang cekap, tetapi ia bukan maksimum untuk bahan hari ini. Oleh kerana komposit gentian kaca dan gentian karbon yang digunakan hari ini lebih kuat dan ringan, ia berprestasi lebih baik daripada bahan logam yang digunakan untuk membuat bilah dan sayap pada zaman Bates. Oleh itu, memandangkan sifat bahan sedia ada telah dioptimumkan, reka bentuk terbaik kini mungkin tidak cekap dan tidak lagi memenuhi keperluan.
Perlu diingat bahawa terdapat beberapa reka bentuk bilah angin berasaskan rintangan yang telah digunakan sejak sekian lama, seperti turbin angin menegak jenis Savonius, yang menampilkan dua bilah berbentuk cawan yang berputar mengelilingi turbin pusat. Turbin ini secara amnya kurang cekap berbanding turbin berasaskan lif kerana, dalam persediaan menegak, kedua-dua bilah sebenarnya menyekat beberapa angin yang separuh lagi bilah boleh ditangkap. Walau bagaimanapun, reka bentuk ringkas dan keupayaan untuk menangkap tenaga di kawasan angin rendah menjadikannya popular untuk turbin di rumah atau persekitaran komersial.
Choe dan pasukannya berusaha untuk membangunkan turbin angin mendatar yang lebih baharu yang memaksimumkan seretan dan, yang paling penting, menggunakan bahan komposit termaju.
Salah satu cabaran awal yang dihadapi oleh pasukan Xenecore ialah memandangkan turbin berasaskan lif telah menjadi standard, perisian simulasi hari ini hanya digunakan untuk menganalisis prestasi turbin berasaskan lif. Choe dan pasukannya mencuba beberapa alat analisis dan akhirnya menggunakan perisian dinamik bendalir pengiraan Ansys Fluent untuk memodelkan gelagat angin pada bilah.
Menggunakan model ini, matlamatnya adalah untuk membangunkan bilah yang boleh menangkap seretan maksimum, menjana tenaga elektrik di dalam turbin, dan pada masa yang sama menahan beban angin kencang dengan berat serendah mungkin. Pasukan Xenecore mula-mula cuba membuat bilah komposit gentian karbon pepejal, tetapi kekuatannya tidak baik, malah plat gentian karbon pepejal boleh pecah di bawah angin kencang.
Akhir sekali, Xenecore mereka bentuk bilah tunggal berbentuk kipas, dipanggil Fanturbine, yang terdiri daripada kulit atas dan bawah yang diliputi dengan mikrosfera termoplastik Xenecore. Kulit ini diperkuat dengan tulang rusuk yang dipanggil I-beams. Reka bentuknya adalah bionik kerana tulang rusuknya keluar dari titik tengah, sama seperti daun pada daun kelapa sawit.
Bilah-bilah ini dihasilkan dalam proses pengacuan mampatan satu langkah menggunakan gentian karbon modulus tinggi dan resin epoksi untuk memaksimumkan kekuatan dan kestabilan, dan untuk menahan beban angin kencang dengan berat yang paling ringan. Reka bentuk monomer satu keping juga direka untuk memaksimumkan kestabilan dan secara teorinya memanjangkan hayat bilah, kerana tiada sambungan atau pelekat yang boleh merosakkan atau keletihan dari semasa ke semasa. Pada masa ini, versi pertama bilah ini agak kecil, berukuran 3 kali 3 kaki, dengan matlamat untuk berskala sehingga saiz yang lebih besar untuk bersaing dengan bilah angin konvensional.
Untuk menghasilkan setiap bilah, fabrik gentian karbon yang dipotong diletakkan dalam acuan atas dan bawah aluminium, dan berbilang lapisan kertas filem Xenecore diletakkan di atas setiap kulit. Acuan ditutup, dan di bawah suhu dan tekanan tinggi, mikrosfera mengembang menjadi buih struktur ringan yang mengikat korteks. Proses ini menghasilkan satu bahagian tunggal, lancar, bebas pengikat, bergerak bebas dari rasuk-I.
Reka bentuk turbin Xenecore terdiri daripada empat bilah kipas pada setiap turbin, meliputi kira-kira 80 peratus daripada kawasan permukaan yang tersedia. Angin menolak bilah dan memutar pemutar, yang menghasilkan tenaga dalam turbin. Menurut kertas putih 2021 oleh mendiang Dr. Paulo Abdala, profesor penerbangan di Universiti Brasilia, jumlah tenaga elektrik yang dijana sebahagian besarnya bergantung pada kelajuan angin. Keteguhan bilah berbentuk kipas rata membantu mencipta perbezaan tekanan yang curam pada bahagian tepi bilah, yang meningkatkan kelajuan angin dan penjanaan kuasa.
Menurut simulasi Xenecore, dalam keadaan ideal, kipas secara teorinya boleh mencapai maksimum 98 peratus tangkapan tenaga angin. Di samping itu, bilah itu direka bentuk untuk menahan angin kuat taufan, dan dalam simulasi, ia terbukti dapat menahan angin sehingga 376 batu sejam, jauh melebihi kelajuan tertinggi taufan. Menurut Choe, bilah ini boleh beroperasi pada turbin sedia ada tanpa mengubah infrastruktur sedia ada.
Pada tahun 2022, Xenecore memulakan pengeluaran turbin kecil 5 kW dengan bilah kaki 3 x 3 dan menjualnya kepada pengedar di Amerika Selatan dan dalam talian di seluruh dunia. Sistem kecil ini direka bentuk untuk menggantikan panel solar kuasa serupa yang digunakan di rumah dan perniagaan, memberikan jumlah kuasa yang sama, tetapi mereka berprestasi lebih baik dan kos tiga kali lebih murah untuk dijalankan, jelas Choe.
Bilah telah diuji untuk menghasilkan kuasa tujuh kali lebih besar daripada turbin angin konvensional dengan saiz yang sama. Sistem terbesar yang telah diuji oleh Xenecore ialah 100-turbin kilowatt dengan bilah selebar 11 kaki. Ia mempunyai versi tahap megawatt dalam kerja-kerja.
Choe berkata terdapat banyak minat terhadap bilah Fanturbine yang lebih besar dalam masa terdekat, dengan menyatakan bahawa teknologi itu berpotensi untuk menyesuaikan semula turbin Haliade X GE Perancis, yang kini terbesar, yang boleh meningkatkan kapasitinya 100-kali ganda, daripada 14 megawatt kepada 1.4 gigawatt.
Pada masa ini, syarikat sedang mencari pelabur dan rakan kongsi untuk membantu membawa teknologi ke peringkat seterusnya. Untuk membuktikan teknologi itu, langkah seterusnya Xenecore ialah membina dan memasang turbin 1 MW pada menara turbin angin yang dinyahtauliah semula.
