Kuna sellised riigid nagu Ameerika Ühendriigid teatavad poliitikast ja eesmärkidest, mis keskenduvad taastuvenergia võimsuse suurendamisele, on võimalusi uute ja täiustatud taastuvenergia tehnoloogiate jaoks. Xenecore, New Yorgis asuv ettevõte, mis arendab tõhusamaid tuuleturbiini labasid, millel on suurem energiahõive, kasutab oma teadmisi komposiitdetailide alal, et kavandada ja arendada takistuspõhiseid ventilaatorikujulisi tuulelabasid.
Xenecore'i asutas 2010. aastal ettevõtte tegevjuht ja asutaja Jerry Choe, kasutades materjalitehnoloogiat spordikaupade rakendustes süsinikkiust komposiittennisereketite väljatöötamiseks, ning moodustas mitmeid patente. Selleks, et saavutada palli löömisel suure jõudlusega ja võimsusega süsinikkiust tennisereket ning minimeerida reketi mõju käele, töötas ta pärast 18-kuulist arendusperioodi koos oma meeskonnaga välja materjali ja protsessilahendus, mida turustatakse nüüd kaubanime Xenecore all, mis on termoplastne mikrosfääritoode, mida saab kasutada komposiitdetailide struktuurse südamikuna.
Pärast neid esialgseid edusamme investeeris ettevõte suuri investeeringuid termoplastiliste mikrosfääride tehnoloogia edasisse optimeerimisse ja talle omistati üle 250 patendi üle maailma. Ettevõte leidis, et Xenecore'i toodete kasutamine võib laieneda tennisereketite asemel uutele võimalustele ka muude rakenduste jaoks, nagu droonilabad ja viimasel ajal ka takistuspõhised tuuleturbiini labad.
Umbes kaks aastat tagasi hakkasid Choe ja Xenecore'i meeskond uurima, kuidas saaks ettevõtte protsessitehnoloogiat ja tooteid kasutada tuuleturbiinide labade arendamiseks. Tänapäeval on enamikul tuuleturbiinidel õhukesed lennukikujulised labad, mis toodavad elektrit peamiselt tõstest. Kui tuul läbib labasid, tõmbab labade ühel küljel tekkiv madalam rõhk labasid tuule suunaga risti, pannes need rootoreid pöörlema, kandes energiat turbiinile elektri tootmiseks.
Need terad on tavaliselt valmistatud klaaskiust nahast ja pikematel labadel toetab süsinikkiust komposiittiiva SPAR kate. Tuulelabad asetatakse tavaliselt avatud vormi, süstitakse vaakumiga ja seejärel monteeritakse kokku, kasutades nihkevõrku, vahtsüdamikku ja liimi.
Varasemad tuulikud nägid aga välja väga erinevad – neil olid laiad, lamedad lehvikukujulised puidust labad, mis genereerisid elektrit läbi takistuse, kusjuures tuult kasutati labade tuule suunas surumiseks. Kui tuuleturbiinid esmakordselt leiutati, kasutasid kõik takistust, kuna see püüdis rohkem tuult. Kuid need esimesed terad tekitasid probleeme kasutatud materjalide tõttu, kuna esimesed tuuleveskid ehitati pehmetest ja vähem vastupidavatest materjalidest, näiteks riidest.
1919. aastal avaldas saksa füüsik Albert Bates oma praeguseks kuulsa Batesi seaduse tuulepüüdmise ja labade disaini kohta. Selle seaduse kohaselt suudab tera tõste abil püüda maksimaalselt 59 protsenti tuuleenergiast. See teooria mõjutas õhusõiduki tiibade ja tuuleturbiini labade kuju, et maksimeerida tõstejõudu ja minimeerida takistust, kasutades õhukesi kõveraid konstruktsioone, mis on tänapäevalgi populaarsed.
Choe sõnul on 59-protsendiline energiahõive teoreetiline maksimum, sest tegelikud tuuleturbiinid püüavad energiat palju vähem tõhusalt, kuid see ei ole tänapäeva materjalide puhul maksimum. Kuna tänapäeval kasutatavad klaaskiust ja süsinikkiust komposiidid on tugevamad ja kergemad, toimivad need palju paremini kui Batesi ajal terade ja tiibade valmistamiseks kasutatud metallmaterjalid. Seetõttu, arvestades, et olemasolevaid materjaliomadusi on optimeeritud, võib parim disain nüüd olla ebaefektiivne ega vasta enam nõuetele.
Väärib märkimist, et on olemas mitmeid takistusel põhinevaid tuulelabade konstruktsioone, mis on olnud kasutusel pikka aega, näiteks Savoniuse tüüpi vertikaaltuulik, millel on kaks tassikujulist laba, mis pöörlevad ümber keskse turbiini. Need turbiinid on üldiselt palju vähem tõhusad kui tõstepõhised turbiinid, kuna vertikaalse seadistuse korral blokeerivad need kaks laba tegelikult osa tuulest, mida laba teine pool suudab kinni püüda. Kuid nende lihtne disain ja võime koguda energiat vähese tuulega piirkondades muudavad need populaarseks kodu- või ärikeskkonna turbiinide jaoks.
Choe ja tema meeskond otsustasid välja töötada uuema horisontaalse tuuleturbiini, mis maksimeerib takistust ja mis kõige tähtsam, kasutab täiustatud komposiitmaterjale.
Üks Xenecore'i meeskonna varajastest väljakutsetest oli see, et kuna liftipõhised turbiinid on muutunud standardiks, kasutatakse tänapäevast simulatsioonitarkvara ainult liftipõhiste turbiinide jõudluse analüüsimiseks. Choe ja tema meeskond proovisid mitmeid analüütilisi tööriistu ja lõpuks kasutasid Ansys Fluent arvutusvedeliku dünaamika tarkvara, et modelleerida tuule käitumist labal.
Neid mudeleid kasutades on eesmärk välja töötada laba, mis suudab püüda maksimaalset takistust, genereerida turbiini sees elektrit ja samal ajal taluda suuri tuulekoormusi võimalikult väikese kaaluga. Xenecore'i meeskond proovis esmalt valmistada tahke süsinikkiust komposiittera, kuid tugevus ei olnud hea, isegi tahked süsinikkiust plaadid võivad tugeva tuule käes puruneda.
Lõpuks konstrueeris Xenecore ühe lehvikukujulise tera, nimega Fanturbine, mis koosneb ülemisest ja alumisest nahast, mis oli kaetud Xenecore termoplastiliste mikrosfääridega. Need nahad on tugevdatud ribidega, mida nimetatakse I-taladeks. Disain on biooniline, kuna ribid lehvivad keskpunktist välja, sarnaselt palmilehtede lehtedega.
Terad on valmistatud üheetapilise survevalu protsessis, kasutades suure mooduliga süsinikkiudu ja epoksüvaikusid, et maksimeerida tugevust ja stabiilsust ning taluda suuri tuulekoormusi võimalikult kerge kaaluga. Ühes tükis monomeeri disain on loodud ka stabiilsuse maksimeerimiseks ja teoreetiliselt tera eluea pikendamiseks, kuna puuduvad ühenduskohad ega liimid, mis võivad aja jooksul kahjustada või väsida. Praegu on nende labade esimene versioon suhteliselt väike, mõõtmetega 3 x 3 jalga, eesmärgiga suurendada suurust, et konkureerida tavaliste tuulelabadega.
Iga tera valmistamiseks asetatakse lõigatud süsinikkiust kangas alumiiniumist ülemisse ja alumisse vormi ning iga naha peale asetatakse mitu kihti Xenecore kilepaberit. Vorm sulgub ning kõrgel temperatuuril ja rõhul paisuvad mikrosfäärid kergeks struktuurseks vahuks, mis seostub ajukoorega. Protsessi käigus saadakse üks, õmblusteta, sideainevaba, vabalt liikuv I-tala üksikosa.
Xenecore'i turbiini konstruktsioon koosneb neljast ventilaatorilabast igal turbiinil, mis katavad ligikaudu 80 protsenti saadaolevast pinnast. Tuul surub labasid ja keerutab rootoreid, mis tekitab turbiinis energiat. Brasilia ülikooli lennundusprofessori surnud dr Paulo Abdala 2021. aasta valge raamatu kohaselt sõltub toodetud elektri kogus suuresti tuule kiirusest. Lamedate lehvikukujuliste labade vastupidavus aitab tekitada labade külgedel järsud rõhuerinevused, mis suurendab tuule kiirust ja energiatootmist.
Xenecore'i simulatsioonide kohaselt võiks ventilaator ideaalsetes tingimustes teoreetiliselt saavutada maksimaalselt 98 protsenti tuuleenergiat. Lisaks on tera konstrueeritud taluma orkaani jõuga tuult ja simulatsioonides osutus see vastupidavaks tuulele kuni 376 miili tunnis, mis ületab tunduvalt orkaani tippkiirust. Choe sõnul saavad need labad töötada olemasolevatel turbiinidel ilma olemasolevat infrastruktuuri muutmata.
2022. aastal alustas Xenecore 5 kW 3 x 3 jala labadega väikeste turbiinide tootmist ning müüs neid edasimüüjatele Lõuna-Ameerikas ja Internetis üle maailma. Need väikesed süsteemid on mõeldud asendama kodudes ja ettevõtetes kasutatavaid sarnaseid võimsusega päikesepaneele, pakkudes sama palju võimsust, kuid need toimivad palju paremini ja maksavad kolm korda vähem, selgitas Choe.
Labasid on testitud nii, et need toodavad seitse korda rohkem võimsust kui tavalised sarnase suurusega tuuleturbiinid. Suurim süsteem, mida Xenecore on testinud, on 100-kilovatine turbiin, mille labad on 11 jalga laiused. Sellel on valmimas megavati tasemel versioon.
Choe ütles, et lähitulevikus tuntakse suurt huvi suuremate Fanturbine'i labade vastu, märkides, et tehnoloogial on potentsiaali moderniseerida Prantsuse GE Haliade X turbiini, mis on praegu suurim ja mis võib suurendada oma võimsust 100-korda 14-lt. megavatist 1,4 gigavatini.
Praegu otsib ettevõte investoreid ja partnereid, kes aitaksid tehnoloogia järgmisse etappi viia. Tehnoloogia tõestamiseks on Xenecore järgmiseks sammuks ehitada ja paigaldada 1 MW turbiin moderniseeritavale kasutusest kõrvaldatud tuulikutornile.
