Како земље попут Сједињених Држава објављују политике и циљеве фокусиране на повећање капацитета обновљиве енергије, постоје могућности за нове и побољшане технологије обновљиве енергије. Ксенецоре, компанија са седиштем у Њујорку која развија ефикасније лопатице ветротурбина са већим могућностима хватања енергије, користи своју стручност у композитним деловима за пројектовање и развој лопатица ветра засноване на отпорности.
Ксенецоре је 2010. године основао Џери Чое, извршни директор и оснивач компаније, коришћењем технологије материјала у апликацијама спортске опреме за развој композитних тениских рекета од угљеничних влакана, и формирао је низ патената. Да би се постигао тениски рекет од карбонских влакана са високим перформансама и снагом приликом ударања лоптице и да би се смањио утицај рекета на руку, након 18-месечног развојног периода, он и његов тим су развили материјал и процесно решење, које се сада продаје под трговачким именом Ксенецоре, производ од термопластичне микросфере који се може користити као структурно језгро за композитне делове.
Након ових почетних успеха, компанија је уложила велика средства у даљу оптимизацију технологије термопластичних микросфера и добила је више од 250 патената широм света. Компанија је открила да би се употреба Ксенецоре производа могла проширити даље од тениских рекета до нових могућности за друге примене, као што су лопатице за дронове и, однедавно, лопатице ветротурбина засноване на отпору.
Пре отприлике две године, Цхое и Ксенецоре тим почели су да истражују како процесна технологија и производи компаније могу да се користе за развој лопатица ветротурбина. Данас већина ветротурбина има витке лопатице у облику авиона које производе електричну енергију првенствено из подизања. Како ветар пролази кроз лопатице, нижи притисак формиран на једној страни лопатица повлачи лопатице окомито на правац ветра, узрокујући да ротирају роторе, преносећи енергију турбини да генерише електричну енергију.
Ове оштрице су обично направљене од коже од фибергласа, а код дужих лопатица су подупрте СПАР капом крила од композитних карбонских влакана. Лопатице ветра се обично постављају у отворени калуп, убризгавају у вакууму, а затим се склапају помоћу мреже за смицање, језгра од пене и лепка.
Најраније ветрењаче су, међутим, изгледале веома другачије, са широким, равним, лепезастим дрвеним лопатицама које су стварале електричну енергију кроз отпор, при чему се ветар директно користио да гурне лопатице у правцу ветра. Када су ветротурбине први пут измишљене, сви су користили повлачење јер су хватали више ветра. Али ове прве лопатице биле су проблем због коришћених материјала, јер су најраније ветрењаче грађене од меких, мање издржљивих материјала као што је тканина.
Године 1919, немачки физичар Алберт Бејтс објавио је свој сада познати Бејтсов закон о хватању ветра и дизајну лопатица. Према овом закону, оштрица може да ухвати највише 59 процената енергије ветра користећи подизање. Ова теорија је утицала на облик крила авиона и лопатица ветротурбина како би се максимизирало подизање и минимизирало отпор, користећи танке, закривљене дизајне који су и данас популарни.
Према Чоеу, стопа хватања енергије од 59 процената је теоретски максимум јер стварне ветротурбине хватају енергију много мање ефикасно, али то није максимум за данашње материјале. Пошто су композити од фибергласа и угљеничних влакана који се данас користе јачи и лакши, они раде много боље од металних материјала који се користе за прављење лопатица и крила у Бејтсово време. Стога, с обзиром на то да су постојеће карактеристике материјала оптимизоване, најбољи дизајн сада може бити неефикасан и више не испуњава захтеве.
Вреди напоменути да постоји велики број дизајна лопатица ветра заснованих на отпору који су у употреби већ дуже време, као што је вертикална ветротурбина типа Савониус, која има две лопатице у облику чаше које се ротирају око централне турбине. Ове турбине су генерално много мање ефикасне од турбина заснованих на подизању, јер, у вертикалној поставци, две лопатице заправо блокирају део ветра који друга половина лопатице може да ухвати. Међутим, њихов једноставан дизајн и способност хватања енергије у областима са слабим ветром чине их популарним за турбине у кућним или комерцијалним окружењима.
Чое и његов тим кренули су да развију новију хоризонталну турбину на ветар која максимизира отпор и, што је најважније, користи напредне композитне материјале.
Један од раних изазова са којима се Ксенецоре тим суочио био је да пошто су турбине засноване на подизању постале стандард, данашњи софтвер за симулацију се користи само за анализу перформанси турбина заснованих на подизању. Цхое и његов тим су испробали бројне аналитичке алате и на крају су користили софтвер за рачунарску динамику флуида Ансис Флуент за моделирање понашања вјетра на лопатици.
Користећи ове моделе, циљ је да се развије лопатица која може да ухвати максимални отпор, да генерише електричну енергију унутар турбине, а да у исто време издржи велика оптерећења ветра са што мањом тежином. Ксенецоре тим је прво покушао да направи сечиво од чврстог карбонског влакна, али снага није била добра, чак се и плоче од чврстих карбонских влакана могу сломити под јаким ветровима.
Коначно, Ксенецоре је дизајнирао једно сечиво у облику лепезе, названо Фантурбине, које се састоји од горње и доње коже прекривене Ксенецоре термопластичним микросферама. Ове коже су ојачане ребрима званим И-греде. Дизајн је бионички јер се ребра извијају из централне тачке, слично као листови на палмином листу.
Сечива се производе у процесу компресијског обликовања у једном кораку коришћењем високомодулних угљеничних влакана и епоксидних смола да би се максимизирала чврстоћа и стабилност, и да би се одупрле великим оптерећењима ветром уз најмању могућу тежину. Једноделни мономер дизајн је такође дизајниран да максимизира стабилност и теоретски продужи животни век сечива, пошто нема спојева или лепкова који могу да оштете или заморе током времена. Тренутно, прва верзија ових лопатица је релативно мала, димензија 3 са 3 стопе, са циљем да се повећа на већу величину како би се такмичила са конвенционалним лопатицама за ветар.
Да би се произвела свако сечиво, исечена тканина од угљеничних влакана ставља се у алуминијумски горњи и доњи калуп, а на сваку кожу се ставља више слојева Ксенецоре филм папира. Калуп се затвара, а под високом температуром и притиском, микросфере се шире у лагану структурну пену која се везује за кортекс. Процес производи један, бешавни, без везива, који се слободно креће један део И-греде.
Ксенецоре-ов дизајн турбине се састоји од четири лопатице вентилатора на свакој турбини, покривајући приближно 80 процената расположиве површине. Ветар гура лопатице и окреће роторе, што ствара енергију у турбини. Према белој књизи из 2021. покојног др Паула Абдале, професора ваздухопловства на Универзитету у Бразилији, количина произведене електричне енергије у великој мери зависи од брзине ветра. Робусност равних лопатица у облику лепезе помаже у стварању великих разлика у притиску на бочним странама лопатица, што повећава брзину ветра и производњу енергије.
Према Ксенецоре-овим симулацијама, под идеалним условима, вентилатор би теоретски могао да постигне максимално 98 процената хватања енергије ветра. Поред тога, сечиво је дизајнирано да издржи ураганске ветрове, а у симулацијама се показало да издржи ветрове до 376 миља на сат, што је знатно изнад највеће брзине урагана. Према Чоу, ове лопатице могу да раде на постојећим турбинама без промене постојеће инфраструктуре.
У 2022, Ксенецоре је започео производњу малих турбина од 5 кВ са 3 к 3 ножним лопатицама и продао их дистрибутерима у Јужној Америци и онлајн широм света. Ови мали системи су дизајнирани да замене сличне соларне панеле који се користе у кућама и предузећима, обезбеђујући исту количину енергије, али раде много боље и коштају три пута мање за рад, објаснио је Чо.
Лопатице су тестиране да производе седам пута више снаге од конвенционалних ветротурбина сличне величине. Највећи систем који је Ксенецоре тестирао је 100-киловатна турбина са лопатицама ширине 11 стопа. У припреми је верзија на нивоу мегавата.
Цхое је рекао да постоји велико интересовање за веће лопатице Фантурбине у блиској будућности, напомињући да ова технологија има потенцијал за реконструкцију француске ГЕ Халиаде Кс турбине, тренутно највеће, што би могло да повећа њен капацитет 100-пута, са 14 мегавата до 1,4 гигавата.
Тренутно, компанија тражи инвеститоре и партнере који би помогли да се технологија подигне на следећу фазу. Да би доказао технологију, Ксенецоре-ов следећи корак је изградња и инсталација турбине од 1 МВ на торњу турбине ветротурбине које је реконструисано.
