Tokioms šalims kaip JAV paskelbus politiką ir tikslus, orientuotus į atsinaujinančios energijos pajėgumų didinimą, atsiranda naujų ir patobulintų atsinaujinančios energijos technologijų galimybių. „Xenecore“, Niujorke įsikūrusi įmonė, kurianti efektyvesnes vėjo turbinų mentes, turinčias didesnes energijos surinkimo galimybes, naudoja savo patirtį kuriant sudėtines dalis kurdama ir kurdama atsparumo pagrindu sukurtas ventiliatoriaus formos vėjo mentes.
„Xenecore“ 2010 m. įkūrė Jerry Choe, įmonės generalinis direktorius ir įkūrėjas, naudodamas medžiagų technologijas sporto prekėms kurdamas anglies pluošto kompozitines teniso raketes, ir sudarė daugybę patentų. Siekdamas sukurti anglies pluošto teniso raketę, pasižyminčią dideliu našumu ir galingumu mušant kamuolį, ir sumažinti raketės poveikį rankai, po 18-mėnesio kūrimo laikotarpio jis ir jo komanda sukūrė medžiagą ir proceso tirpalas, kuris dabar parduodamas prekės pavadinimu Xenecore – termoplastinis mikrosferos produktas, kuris gali būti naudojamas kaip sudėtinių dalių struktūrinė šerdis.
Po šių pirminių pasisekimų bendrovė daug investavo į tolesnį termoplastinių mikrosferų technologijos optimizavimą ir jai visame pasaulyje buvo suteikta daugiau nei 250 patentų. Bendrovė nustatė, kad Xenecore produktų naudojimas gali apimti ne tik teniso raketes, bet ir naujas galimybes kitoms reikmėms, pvz., dronų mentėms ir pastaruoju metu atsparumu pagrįstoms vėjo turbinų mentėms.
Maždaug prieš dvejus metus Choe ir „Xenecore“ komanda pradėjo nagrinėti, kaip bendrovės proceso technologijas ir produktus būtų galima panaudoti vėjo turbinų menčių kūrimui. Šiandien dauguma vėjo turbinų turi plonas orlaivio formos mentes, kurios generuoja elektrą daugiausia iš keltuvo. Kai vėjas praeina per mentes, vienoje menčių pusėje susidaręs mažesnis slėgis traukia mentes statmenai vėjo krypčiai, todėl jie sukasi rotorius, perduoda energiją turbinai, kad generuotų elektrą.
Šios geležtės dažniausiai yra pagamintos iš stiklo pluošto odos, o ilgesnėse geležtės yra paremtos anglies pluošto kompozito sparno SPAR dangteliu. Vėjo mentės paprastai dedamos į atvirą formą, įpurškiamos vakuumu, o po to surenkamos naudojant šlyties juostą, putplasčio šerdį ir klijus.
Tačiau pirmieji vėjo malūnai atrodė labai skirtingai – juose buvo plačios, plokščios, vėduoklės formos medinės mentės, kurios generuodavo elektrą per pasipriešinimą, o vėjas buvo tiesiogiai naudojamas stumti peilius vėjo kryptimi. Kai pirmą kartą buvo išrastos vėjo turbinos, visi naudojo vilkimą, nes jis užfiksavo daugiau vėjo. Tačiau šie pirmieji peiliai buvo problema dėl naudojamų medžiagų, nes pirmieji vėjo malūnai buvo pagaminti iš minkštų, mažiau patvarių medžiagų, tokių kaip audinys.
1919 m. vokiečių fizikas Albertas Batesas paskelbė savo dabar žinomą Beitso įstatymą dėl vėjo gaudymo ir ašmenų dizaino. Pagal šį įstatymą, ašmenys gali sugauti tik ne daugiau kaip 59 procentus vėjo energijos naudojant keltuvą. Ši teorija turėjo įtakos orlaivių sparnų ir vėjo turbinų menčių formai, siekiant maksimaliai padidinti pakėlimą ir sumažinti pasipriešinimą, naudojant plonas, lenktas konstrukcijas, kurios vis dar populiarios ir šiandien.
Choe teigimu, 59 procentų energijos surinkimo greitis yra teorinis maksimumas, nes faktinės vėjo turbinos energiją sugauna daug mažiau efektyviai, tačiau tai nėra didžiausias šiandieninių medžiagų rodiklis. Kadangi šiandien naudojami stiklo pluošto ir anglies pluošto kompozitai yra tvirtesni ir lengvesni, jie veikia daug geriau nei metalinės medžiagos, naudojamos Beitso laikais peiliams ir sparnams gaminti. Todėl, atsižvelgiant į tai, kad esamos medžiagų savybės buvo optimizuotos, geriausias dizainas dabar gali būti neefektyvus ir nebeatitikti reikalavimų.
Verta paminėti, kad yra nemažai atsparumu pagrįstų vėjo menčių konstrukcijų, kurios buvo naudojamos jau seniai, pavyzdžiui, Savonius tipo vertikalioji vėjo turbina, kuri pasižymi dviem puodelio formos mentėmis, besisukančiomis aplink centrinę turbiną. Šios turbinos paprastai yra daug mažiau efektyvios nei kėlimo turbinos, nes vertikalioje padėtyje dvi mentės iš tikrųjų blokuoja dalį vėjo, kurį gali užfiksuoti kita mentės pusė. Tačiau dėl paprasto dizaino ir gebėjimo surinkti energiją silpno vėjo vietose jie yra populiarūs namų ar komercinės aplinkos turbinoms.
Choe ir jo komanda nusprendė sukurti naujesnę horizontalią vėjo turbiną, kuri maksimaliai padidintų pasipriešinimą ir, svarbiausia, naudotų pažangias kompozicines medžiagas.
Vienas iš ankstyvųjų iššūkių, su kuriais susidūrė „Xenecore“ komanda, buvo tai, kad, kadangi lifto turbinos tapo standartu, šiandieninė modeliavimo programinė įranga naudojama tik keltuvų turbinų veikimui analizuoti. Choe ir jo komanda išbandė daugybę analitinių įrankių ir galiausiai panaudojo Ansys Fluent skaičiavimo skysčių dinamikos programinę įrangą, kad modeliuotų vėjo elgesį ant ašmenų.
Naudojant šiuos modelius, siekiama sukurti ašmenis, galinčius užfiksuoti didžiausią pasipriešinimą, generuoti elektros energiją turbinos viduje ir tuo pačiu atlaikyti dideles vėjo apkrovas su kuo mažesniu svoriu. „Xenecore“ komanda pirmiausia bandė pagaminti iš vientiso anglies pluošto kompozito ašmenis, tačiau stiprumas nebuvo geras, net ir kieto anglies pluošto plokštės gali lūžti pučiant dideliam vėjui.
Galiausiai „Xenecore“ sukūrė vieną ventiliatoriaus formos mentę, vadinamą „Fanturbine“, kurią sudaro viršutinė ir apatinė oda, padengta Xenecore termoplastinėmis mikrosferomis. Šios odos yra sutvirtintos briaunomis, vadinamomis I sijomis. Dizainas yra bioniškas, nes šonkauliai išsiskleidžia iš centrinio taško, panašiai kaip lapai ant palmės lapo.
Peiliai gaminami vieno žingsnio suspaudimo formavimo procesu, naudojant didelio modulio anglies pluoštą ir epoksidines dervas, siekiant maksimaliai padidinti stiprumą ir stabilumą bei atlaikyti dideles vėjo apkrovas su kuo lengvesniu svoriu. Vieno gabalo monomero konstrukcija taip pat sukurta taip, kad maksimaliai padidintų stabilumą ir teoriškai pailgintų ašmenų tarnavimo laiką, nes nėra jungčių ar klijų, kurie laikui bėgant galėtų pažeisti ar pavargti. Šiuo metu pirmoji šių menčių versija yra santykinai maža, jos matmenys yra 3 x 3 pėdos, siekiant padidinti dydį, kad būtų galima konkuruoti su įprastomis vėjo mentėmis.
Norint pagaminti kiekvieną geležtę, nupjautas anglies pluošto audinys dedamas į aliuminio viršutinę ir apatinę formą, o ant kiekvienos odos uždedami keli Xenecore plėvelės popieriaus sluoksniai. Pelėsiai užsidaro, o esant aukštai temperatūrai ir slėgiui, mikrosferos išsiplečia į lengvas struktūrines putas, kurios jungiasi su žieve. Proceso metu gaunama viena, besiūlė, be rišamųjų medžiagų, laisvai judanti viena I formos spindulio dalis.
„Xenecore“ turbinos konstrukciją sudaro keturios kiekvienos turbinos ventiliatoriaus mentės, dengiančios maždaug 80 procentų turimo paviršiaus ploto. Vėjas stumia mentes ir sukasi rotorius, o tai sukuria energiją turbinoje. Remiantis 2021 m. velionio Brazilijos universiteto aviacijos profesoriaus Paulo Abdalos baltąja knyga, pagamintos elektros energijos kiekis labai priklauso nuo vėjo greičio. Dėl plokščių ventiliatoriaus formos menčių tvirtumas padeda sukurti didelius slėgio skirtumus menčių šonuose, o tai padidina vėjo greitį ir energijos generavimą.
Remiantis „Xenecore“ modeliavimu, idealiomis sąlygomis ventiliatorius teoriškai galėtų pasiekti ne daugiau kaip 98 procentus vėjo energijos. Be to, ašmenys suprojektuoti taip, kad atlaikytų uraganinius vėjus, o modeliuojant pasirodė, kad jis atlaiko iki 376 mylių per valandą vėją, gerokai viršijantį didžiausią uragano greitį. Choe teigimu, šios mentės gali veikti esamose turbinose nekeičiant esamos infrastruktūros.
2022 m. Xenecore pradėjo gaminti 5 kW galios mažas turbinas su 3 x 3 pėdų mentėmis ir pardavė jas platintojams Pietų Amerikoje ir internetu visame pasaulyje. Šios mažos sistemos yra skirtos pakeisti panašios galios saulės baterijas, naudojamas namuose ir įmonėse, tiekiančios tą patį energijos kiekį, tačiau jos veikia daug geriau ir kainuoja tris kartus pigiau, paaiškino Choe.
Išbandyta, kad mentės pagamintų septynis kartus daugiau galios nei įprastos panašaus dydžio vėjo turbinos. Didžiausia „Xenecore“ išbandyta sistema yra 100-kilovatų turbina su 11 pėdų pločio mentėmis. Yra kuriama megavatų lygio versija.
Choe teigė, kad artimiausiu metu sulauksime didelio susidomėjimo didesnėmis „Fanturbine“ mentėmis, ir pažymėjo, kad ši technologija gali modifikuoti prancūzų GE Haliade X turbiną, kuri šiuo metu yra didžiausia, o jos pajėgumas gali padidėti 100-kartų nuo 14. megavatų iki 1,4 gigavato.
Šiuo metu bendrovė ieško investuotojų ir partnerių, kurie padėtų technologiją perkelti į kitą etapą. Siekdama įrodyti technologiją, kitas „Xenecore“ žingsnis yra pastatyti ir sumontuoti 1 MW turbiną ant modifikuoto, nebenaudojamo vėjo turbinos bokšto.
