Da lande som USA annoncerer politikker og mål, der fokuserer på at øge vedvarende energikapacitet, er der muligheder for nye og forbedrede vedvarende energiteknologier. Xenecore, en New York City-baseret virksomhed, der udvikler mere effektive vindmøllevinger med højere energifangstevner, bruger sin ekspertise inden for kompositdele til at designe og udvikle modstandsbaserede vifteformede vindvinger.
Xenecore blev grundlagt i 2010 af Jerry Choe, CEO og grundlægger af virksomheden, gennem brug af materialeteknologi i sportsudstyrsapplikationer til at udvikle kulfiberkomposittennisketchere, og dannede en række patenter. For at opnå en kulfiber-tennisketcher med høj ydeevne og kraft, mens de rammer bolden, og for at minimere ketcherens påvirkning på armen, udviklede han og hans team efter en 18-måneds udviklingsperiode et materiale og procesløsning, som nu markedsføres under handelsnavnet Xenecore, et termoplastisk mikrosfæreprodukt, der kan bruges som en strukturel kerne til kompositdele.
Efter disse indledende succeser investerede virksomheden kraftigt i yderligere optimering af termoplastisk mikrosfæreteknologi og blev tildelt mere end 250 patenter verden over. Virksomheden fandt ud af, at brugen af Xenecore-produkter kunne strække sig ud over tennisketchere til nye muligheder for andre applikationer, såsom dronevinger og for nylig modstandsbaserede vindmøllevinger.
For omkring to år siden begyndte Choe og Xenecore-teamet at undersøge, hvordan virksomhedens procesteknologi og produkter kunne bruges til at udvikle vindmøllevinger. I dag har de fleste vindmøller slanke flyformede vinger, der primært genererer elektricitet fra lift. Når vinden passerer gennem vingerne, trækker det lavere tryk dannet på den ene side af vingerne på vingerne vinkelret på vindretningen, hvilket får dem til at rotere rotorerne og overføre energi til turbinen for at generere elektricitet.
Disse klinger er normalt lavet af glasfiberskind, og i længere klinger er de understøttet af en kulfiberkompositvinge SPAR-hætte. Vindvinger anbringes normalt i en åben form, vakuuminjiceres og samles derefter sammen ved hjælp af en forskydningsbane, skumkerne og klæbemiddel.
De tidligste vindmøller så dog meget anderledes ud, med brede, flade, vifteformede trævinger, der genererede elektricitet gennem modstand, hvor vinden blev brugt direkte til at skubbe vingerne i vindens retning. Da vindmøller først blev opfundet, brugte alle træk, fordi det fangede mere vind. Men disse første vinger var et problem på grund af de anvendte materialer, da de tidligste vindmøller blev bygget med bløde, mindre holdbare materialer såsom stof.
I 1919 udgav den tyske fysiker Albert Bates sin nu berømte Bates-lov om vindfang og vingedesign. Ifølge denne lov kan vingen maksimalt opfange 59 procent af vindenergien ved hjælp af lift. Denne teori påvirkede formen af flyvinger og vindmøllevinger for at maksimere løft og minimere luftmodstand ved hjælp af tynde, buede designs, der stadig er populære i dag.
Ifølge Choe er 59 procent energifangst et teoretisk maksimum, fordi faktiske vindmøller fanger energi meget mindre effektivt, men det er ikke maksimum for nutidens materialer. Fordi de glasfiber- og kulfiberkompositter, der bruges i dag, er stærkere og lettere, yder de meget bedre end de metalmaterialer, der blev brugt til at lave klinger og vinger på Bates' tid. Da eksisterende materialeegenskaber er blevet optimeret, kan det bedste design derfor nu være ineffektivt og ikke længere opfylde kravene.
Det er værd at bemærke, at der er en række modstandsbaserede vindvingedesigns, som har været i brug i lang tid, såsom den vertikale vindmølle af Savonius-typen, som har to skålformede vinger, der roterer rundt om en central mølle. Disse møller er generelt meget mindre effektive end løftebaserede møller, fordi de to vinger faktisk blokerer for noget af vinden, som den anden halvdel af vingen kan fange i en lodret opsætning. Men deres enkle design og evne til at fange energi i områder med lav vind gør dem populære til møller i hjemmet eller kommercielle miljøer.
Choe og hans team satte sig for at udvikle en nyere vandret vindmølle, der maksimerer luftmodstanden og, vigtigst af alt, bruger avancerede kompositmaterialer.
En af de tidlige udfordringer, som Xenecore-teamet stod over for, var, at da lift-baserede turbiner er blevet standarden, bruges nutidens simuleringssoftware kun til at analysere ydeevnen af lift-baserede turbiner. Choe og hans team prøvede en række analytiske værktøjer og brugte til sidst Ansys Fluent computational fluid dynamics-software til at modellere vindens adfærd på vingen.
Ved hjælp af disse modeller er målet at udvikle en vinge, der kan fange maksimalt luftmodstand, generere elektricitet inde i møllen og samtidig modstå høje vindbelastninger med så lidt vægt som muligt. Xenecore-teamet forsøgte først at lave en solid kulfiberkompositklinge, men styrken var ikke god, selv solide kulfiberplader kan knække under kraftig vind.
Endelig designede Xenecore et enkelt vifteformet blad, kaldet en Fanturbine, bestående af en top- og bundskind dækket med Xenecore termoplastiske mikrosfærer. Disse skind er forstærket med ribber kaldet I-bjælker. Designet er bionisk, fordi ribberne viftes ud fra et centralt punkt, ligesom bladene på et palmeblad.
Bladene er fremstillet i en et-trins kompressionsstøbningsproces ved hjælp af kulfiber og epoxyharpikser med høj modul for at maksimere styrke og stabilitet og for at modstå høje vindbelastninger med den lettest mulige vægt. Monomerdesignet i ét stykke er også designet til at maksimere stabiliteten og teoretisk forlænge bladets levetid, da der ikke er nogen samlinger eller klæbemidler, der kan beskadige eller blive træt over tid. I øjeblikket er den første version af disse vinger relativt lille og måler 3 gange 3 fod, med det mål at skalere op til en større størrelse for at konkurrere med konventionelle vindvinger.
For at fremstille hvert blad placeres det afskårne kulfiberstof i en top- og bundform af aluminium, og flere lag Xenecore-filmpapir placeres oven på hver hud. Formen lukker, og under høj temperatur og tryk udvider mikrosfærerne sig til et let strukturelt skum, der binder sig til cortex. Processen producerer en enkelt, sømløs, bindemiddelfri, frit bevægende enkelt del af I-bjælken.
Xenecores turbinedesign består af fire ventilatorvinger på hver turbine, der dækker cirka 80 procent af det tilgængelige overfladeareal. Vinden skubber vingerne og drejer rotorerne, hvilket skaber energi i møllen. Ifølge en hvidbog fra 2021 af afdøde Dr. Paulo Abdala, professor i luftfart ved University of Brasilia, er mængden af genereret elektricitet i høj grad afhængig af vindhastigheden. Robustheden af de flade vifteformede vinger er med til at skabe stejle trykforskelle på siderne af vingerne, hvilket øger vindhastigheden og energiproduktionen.
Ifølge Xenecores simuleringer kunne ventilatoren under ideelle forhold teoretisk opnå maksimalt 98 procent vindenergifangst. Derudover er bladet designet til at modstå vind med orkanstyrke, og i simuleringer viste det sig at kunne modstå vind på op til 376 miles i timen, et godt stykke over tophastigheden for en orkan. Ifølge Choe kan disse vinger operere på eksisterende turbiner uden at ændre eksisterende infrastruktur.
I 2022 begyndte Xenecore produktionen af 5 kW små turbiner med 3 x 3 fods vinger og solgte dem til distributører i Sydamerika og online i hele verden. Disse små systemer er designet til at erstatte lignende strømsolpaneler, der bruges i hjem og virksomheder, og giver den samme mængde strøm, men de yder meget bedre og koster tre gange mindre at køre, forklarede Choe.
Vingerne er blevet testet til at producere syv gange mere strøm end konventionelle vindmøller af tilsvarende størrelse. Det største system, Xenecore har testet, er en 100-kilowatt-turbine med vinger, der er 11 fod brede. Den har en version på megawatt-niveau på vej.
Choe sagde, at der er stor interesse for større Fanturbine vinger i den nærmeste fremtid, og bemærkede, at teknologien har potentiale til at eftermontere franske GE's Haliade X-turbine, som i øjeblikket er den største, hvilket kan øge dens kapacitet 100-doble fra 14 megawatt til 1,4 gigawatt.
I øjeblikket leder virksomheden efter investorer og partnere til at hjælpe med at tage teknologien til næste fase. For at bevise teknologien er Xenecores næste skridt at bygge og installere en 1 MW mølle på et eftermonteret nedlagt vindmølletårn.
