Tā kā valstis, piemēram, Amerikas Savienotās Valstis, paziņo par politiku un mērķiem, kas vērsti uz atjaunojamās enerģijas jaudas palielināšanu, pastāv iespējas jaunām un uzlabotām atjaunojamās enerģijas tehnoloģijām. Xenecore, Ņujorkas uzņēmums, kas izstrādā efektīvākas vēja turbīnu lāpstiņas ar augstākām enerģijas uztveršanas iespējām, izmanto savas zināšanas kompozītmateriālu ražošanā, lai izstrādātu un izstrādātu uz pretestību balstītas ventilatora formas vēja lāpstiņas.
Xenecore 2010. gadā dibināja Džerijs Čo, uzņēmuma izpilddirektors un dibinātājs, izmantojot materiālu tehnoloģiju sporta preču lietojumos, lai izstrādātu oglekļa šķiedras kompozītmateriāla tenisa raketes, un izveidoja vairākus patentus. Lai iegūtu oglekļa šķiedras tenisa raketi ar augstu veiktspēju un jaudu, sitot bumbu, un lai pēc iespējas samazinātu raketes ietekmi uz roku, pēc 18-mēneša izstrādes perioda viņš un viņa komanda izstrādāja materiālu un procesa risinājums, kas tagad tiek tirgots ar tirdzniecības nosaukumu Xenecore, termoplastisks mikrosfēras izstrādājums, ko var izmantot kā strukturālo kodolu kompozītmateriāliem.
Pēc šiem sākotnējiem panākumiem uzņēmums ieguldīja lielus ieguldījumus turpmākā termoplastisko mikrosfēru tehnoloģijas optimizācijā un saņēma vairāk nekā 250 patentus visā pasaulē. Uzņēmums atklāja, ka Xenecore produktu izmantošana varētu paplašināties ne tikai tenisa raketēs, bet arī piedāvāt jaunas iespējas citiem lietojumiem, piemēram, dronu lāpstiņām un pēdējā laikā vēja turbīnu lāpstiņām, kuru pamatā ir pretestība.
Apmēram pirms diviem gadiem Choe un Xenecore komanda sāka pētīt, kā uzņēmuma procesu tehnoloģiju un produktus varētu izmantot vēja turbīnu lāpstiņu izstrādei. Mūsdienās lielākajai daļai vēja turbīnu ir slaidas lidmašīnas formas lāpstiņas, kas ģenerē elektroenerģiju galvenokārt no pacelšanas. Kad vējš iet cauri lāpstiņām, zemāks spiediens, kas veidojas vienā lāpstiņu pusē, velk lāpstiņas perpendikulāri vēja virzienam, liekot tiem griezt rotorus, nododot enerģiju turbīnai, lai ražotu elektroenerģiju.
Šie asmeņi parasti ir izgatavoti no stiklšķiedras ādas, un garāki asmeņi tiek atbalstīti ar oglekļa šķiedras kompozītmateriāla spārnu SPAR vāciņu. Vēja lāpstiņas parasti ievieto atvērtā veidnē, iesmidzina vakuumā un pēc tam saliek kopā, izmantojot bīdes tīklu, putu serdi un līmi.
Tomēr agrākās vējdzirnavas izskatījās ļoti atšķirīgi, un tajās bija plati, plakani, vēdekļveida koka asmeņi, kas ar pretestību ģenerēja elektrību, un vējš tika tieši izmantots, lai bīdītu asmeņus vēja virzienā. Kad vēja turbīnas pirmo reizi tika izgudrotas, visi izmantoja vilkšanu, jo tā tvēra vairāk vēja. Taču šie pirmie asmeņi bija problēma izmantoto materiālu dēļ, jo agrākās vējdzirnavas tika būvētas no mīkstiem, mazāk izturīgiem materiāliem, piemēram, auduma.
1919. gadā vācu fiziķis Alberts Beitss publicēja savu tagad slaveno Beitsa likumu par vēja uztveršanu un lāpstiņu dizainu. Saskaņā ar šo likumu lāpstiņa var uztvert tikai ne vairāk kā 59 procentus no vēja enerģijas, izmantojot pacēlumu. Šī teorija ietekmēja gaisa kuģa spārnu un vēja turbīnu lāpstiņu formu, lai maksimāli palielinātu pacelšanu un samazinātu pretestību, izmantojot plānus, izliektus dizainus, kas joprojām ir populāri.
Saskaņā ar Choe teikto, 59 procentu enerģijas uztveršanas ātrums ir teorētisks maksimums, jo faktiskās vēja turbīnas uztver enerģiju daudz mazāk efektīvi, taču tas nav maksimālais mūsdienu materiāliem. Tā kā mūsdienās izmantotie stiklšķiedras un oglekļa šķiedras kompozītmateriāli ir stiprāki un vieglāki, tie darbojas daudz labāk nekā metāla materiāli, ko Beitsa laikos izmantoja asmeņu un spārnu izgatavošanai. Tāpēc, ņemot vērā, ka esošās materiāla īpašības ir optimizētas, labākais dizains tagad var būt neefektīvs un vairs neatbilst prasībām.
Ir vērts atzīmēt, ka ir vairākas uz pretestību balstītas vēja lāpstiņu konstrukcijas, kas tiek izmantotas jau ilgu laiku, piemēram, Savonius tipa vertikālā vēja turbīna, kurai ir divi kausveida lāpstiņas, kas rotē ap centrālo turbīnu. Šīs turbīnas parasti ir daudz mazāk efektīvas nekā turbīnas ar pacēlumu, jo vertikālā iestatījumā abas lāpstiņas faktiski bloķē daļu vēja, ko var uztvert lāpstiņas otra puse. Tomēr to vienkāršais dizains un spēja uztvert enerģiju vāja vēja zonās padara tos populārus turbīnām mājas vai komerciālā vidē.
Choe un viņa komanda nolēma izstrādāt jaunāku horizontālu vēja turbīnu, kas maksimāli palielina pretestību un, pats galvenais, izmanto progresīvus kompozītmateriālus.
Viens no agrīnajiem izaicinājumiem, ar ko saskārās Xenecore komanda, bija tas, ka, tā kā uz pacēlāju balstītas turbīnas ir kļuvušas par standartu, mūsdienu simulācijas programmatūra tiek izmantota tikai ar pacēlāju balstītu turbīnu veiktspējas analīzei. Choe un viņa komanda izmēģināja vairākus analītiskos rīkus un galu galā izmantoja Ansys Fluent skaitļošanas šķidruma dinamikas programmatūru, lai modelētu vēja uzvedību uz asmens.
Izmantojot šos modeļus, mērķis ir izstrādāt lāpstiņu, kas spēj uztvert maksimālo pretestību, ģenerēt elektrību turbīnas iekšpusē un vienlaikus izturēt lielas vēja slodzes ar pēc iespējas mazāku svaru. Xenecore komanda vispirms mēģināja izgatavot cietu oglekļa šķiedras kompozītmateriālu asmeni, taču izturība nebija laba, pat cietas oglekļa šķiedras plāksnes var salūzt liela vēja ietekmē.
Visbeidzot, Xenecore izstrādāja vienu vēdekļveida asmeni, ko sauc par Fanturbīnu, kas sastāv no augšējās un apakšējās ādas, kas pārklāta ar Xenecore termoplastiskām mikrosfērām. Šīs ādas ir pastiprinātas ar ribām, ko sauc par I-sijām. Dizains ir bionisks, jo ribas izplešas no centrālā punkta, līdzīgi kā lapas uz palmas lapas.
Asmeņi tiek ražoti vienpakāpes presēšanas formēšanas procesā, izmantojot augstas moduļa oglekļa šķiedru un epoksīda sveķus, lai maksimāli palielinātu izturību un stabilitāti, kā arī izturētu lielas vēja slodzes ar mazāko iespējamo svaru. Viengabala monomēra dizains ir izstrādāts arī tā, lai maksimāli palielinātu stabilitāti un teorētiski pagarinātu asmens kalpošanas laiku, jo nav savienojumu vai līmvielu, kas laika gaitā varētu sabojāt vai nogurst. Pašlaik pirmā šo lāpstiņu versija ir salīdzinoši maza, tās izmēri ir 3 x 3 pēdas, un tās mērķis ir palielināt izmēru, lai konkurētu ar parastajiem vēja lāpstiņām.
Lai izgatavotu katru asmeni, grieztais oglekļa šķiedras audums tiek ievietots alumīnija augšējā un apakšējā veidnē, un uz katras ādas tiek novietoti vairāki Xenecore plēves papīra slāņi. Veidne aizveras, un augstā temperatūrā un spiedienā mikrosfēras izplešas vieglās strukturālās putās, kas saistās ar garozu. Process rada vienu, bezšuvju, bez saistvielām, brīvi kustīgu atsevišķu I veida sijas daļu.
Xenecore turbīnas konstrukcija sastāv no četrām ventilatora lāpstiņām katrā turbīnā, kas aptver aptuveni 80 procentus no pieejamās virsmas. Vējš spiež lāpstiņas un griež rotorus, kas rada enerģiju turbīnā. Saskaņā ar 2021. gada Balto grāmatu, ko sagatavojis nelaiķis Dr. Paulo Abdala, Brazīlijas universitātes aviācijas profesors, saražotās elektroenerģijas daudzums lielā mērā ir atkarīgs no vēja ātruma. Plakano vēdekļveida lāpstiņu robustums palīdz radīt straujas spiediena atšķirības lāpstiņu sānos, kas palielina vēja ātrumu un enerģijas ražošanu.
Saskaņā ar Xenecore simulācijām ideālos apstākļos ventilators teorētiski varētu sasniegt ne vairāk kā 98 procentus vēja enerģijas. Turklāt asmens ir izstrādāts tā, lai izturētu viesuļvētras spēku vējus, un simulācijās tika pierādīts, ka tas iztur vēju līdz 376 jūdzēm stundā, kas ievērojami pārsniedz viesuļvētras maksimālo ātrumu. Saskaņā ar Choe teikto, šie lāpstiņas var darboties uz esošajām turbīnām, nemainot esošo infrastruktūru.
2022. gadā uzņēmums Xenecore sāka ražot 5 kW mazas turbīnas ar 3 x 3 pēdu lāpstiņām un pārdeva tās izplatītājiem Dienvidamerikā un tiešsaistē visā pasaulē. Šīs mazās sistēmas ir paredzētas, lai aizstātu līdzīgas jaudas saules paneļus, ko izmanto mājās un uzņēmumos, nodrošinot tādu pašu enerģijas daudzumu, taču tās darbojas daudz labāk un maksā trīs reizes mazāk, lai to darbinātu, skaidroja Choe.
Asmeņi ir pārbaudīti, lai ražotu septiņas reizes vairāk jaudas nekā parastās līdzīga izmēra vēja turbīnas. Lielākā Xenecore pārbaudītā sistēma ir 100-kilovatu turbīna ar 11 pēdu platām lāpstiņām. Tam tiek izstrādāta megavatu līmeņa versija.
Choe teica, ka tuvākajā nākotnē ir liela interese par lielākiem Fanturbine lāpstiņām, norādot, ka tehnoloģijai ir potenciāls modernizēt franču GE Haliade X turbīnu, kas pašlaik ir lielākā, kas varētu palielināt savu jaudu 100-kārtīgi no 14. megavatiem līdz 1,4 gigavatiem.
Patlaban uzņēmums meklē investorus un partnerus, kas palīdzētu pārcelt tehnoloģiju uz nākamo posmu. Lai pierādītu tehnoloģiju, Xenecore nākamais solis ir uzbūvēt un uzstādīt 1 MW turbīnu uz modernizēta, likvidēta vēja turbīnas torņa.
