ขณะที่ประเทศต่างๆ เช่น สหรัฐอเมริกาประกาศนโยบายและเป้าหมายที่มุ่งเน้นการเพิ่มกำลังการผลิตพลังงานหมุนเวียน จึงมีโอกาสสำหรับเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนใหม่ที่ได้รับการปรับปรุง Xenecore บริษัทในนิวยอร์กซิตี้ที่พัฒนาใบพัดกังหันลมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นพร้อมความสามารถในการดักจับพลังงานที่สูงขึ้น กำลังใช้ความเชี่ยวชาญด้านชิ้นส่วนประกอบเพื่อออกแบบและพัฒนาใบพัดกังหันลมที่มีแรงต้าน
Xenecore ก่อตั้งขึ้นในปี 2553 โดย Jerry Choe ซีอีโอและผู้ก่อตั้งบริษัท ผ่านการใช้เทคโนโลยีวัสดุในการประยุกต์ใช้กับสินค้ากีฬาเพื่อพัฒนาไม้เทนนิสผสมคาร์บอนไฟเบอร์ และสร้างสิทธิบัตรหลายฉบับ เพื่อให้ได้ไม้เทนนิสคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีประสิทธิภาพและกำลังสูงขณะตีลูก และเพื่อลดแรงกระแทกของไม้เทนนิสที่แขน หลังจากพัฒนา 18-เดือน เขาและทีมได้พัฒนาวัสดุและ โซลูชันกระบวนการซึ่งขณะนี้วางตลาดภายใต้ชื่อการค้า Xenecore ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์เทอร์โมพลาสติกไมโครสเฟียร์ที่สามารถใช้เป็นแกนโครงสร้างสำหรับชิ้นส่วนประกอบ
จากความสำเร็จในขั้นต้นเหล่านี้ บริษัทได้ลงทุนอย่างมากในการเพิ่มประสิทธิภาพเพิ่มเติมของเทคโนโลยีเทอร์โมพลาสติกไมโครสเฟียร์ และได้รับสิทธิบัตรมากกว่า 250 ฉบับทั่วโลก บริษัทพบว่าการใช้ผลิตภัณฑ์ Xenecore สามารถขยายขอบเขตนอกเหนือจากไม้เทนนิสไปสู่โอกาสใหม่ๆ สำหรับการใช้งานอื่นๆ เช่น ใบพัดของโดรน และล่าสุดคือใบพัดกังหันลมที่มีแรงต้าน
เมื่อประมาณสองปีที่แล้ว Choe และทีม Xenecore เริ่มพิจารณาว่าเทคโนโลยีการผลิตและผลิตภัณฑ์ของบริษัทสามารถนำมาใช้ในการพัฒนาใบพัดกังหันลมได้อย่างไร ปัจจุบัน กังหันลมส่วนใหญ่มีใบพัดรูปทรงเรียวยาวซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้าจากลิฟต์เป็นหลัก เมื่อลมผ่านใบพัด แรงดันต่ำที่เกิดขึ้นที่ด้านหนึ่งของใบพัดจะดึงใบพัดที่ตั้งฉากกับทิศทางลม ทำให้ใบพัดหมุน ถ่ายโอนพลังงานไปยังกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า
ใบมีดเหล่านี้มักทำจากผิวไฟเบอร์กลาส และในใบมีดที่ยาวขึ้นจะมีปีกหมวก SPAR ที่ประกอบเป็นคาร์บอนไฟเบอร์รองรับ ใบมีดลมมักจะอยู่ในแม่พิมพ์เปิด อัดฉีดด้วยสุญญากาศ จากนั้นจึงประกอบเข้าด้วยกันโดยใช้แผ่นใยเฉือน แกนโฟม และกาว
อย่างไรก็ตาม กังหันลมในยุคแรกๆ นั้นดูแตกต่างออกไปมาก โดยมีใบพัดไม้รูปทรงแบนกว้าง แบน ซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านแรงต้าน โดยใช้ลมโดยตรงเพื่อดันใบพัดไปตามทิศทางของลม เมื่อกังหันลมถูกประดิษฐ์ขึ้นเป็นครั้งแรก ทุกคนใช้การลากเพราะมันรับลมได้มากกว่า แต่ใบพัดแบบแรกเหล่านี้มีปัญหาเนื่องจากวัสดุที่ใช้ เนื่องจากกังหันลมรุ่นแรกสุดสร้างด้วยวัสดุที่อ่อนนุ่มและทนทานน้อยกว่า เช่น ผ้า
ในปี 1919 อัลเบิร์ต เบตส์ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ตีพิมพ์กฎเบตส์ซึ่งมีชื่อเสียงในขณะนี้เกี่ยวกับการดักจับลมและการออกแบบใบมีด ตามกฎหมายนี้ ใบมีดสามารถจับพลังงานลมได้สูงสุด 59 เปอร์เซ็นต์เท่านั้นโดยใช้แรงยก ทฤษฎีนี้มีอิทธิพลต่อรูปร่างของปีกเครื่องบินและใบพัดของกังหันลมเพื่อเพิ่มแรงยกสูงสุดและลดการลาก โดยใช้การออกแบบโค้งบางที่ยังคงเป็นที่นิยมในปัจจุบัน
จากข้อมูลของ Choe อัตราการดักจับพลังงาน 59 เปอร์เซ็นต์เป็นค่าสูงสุดทางทฤษฎี เนื่องจากกังหันลมจริงจับพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพน้อยกว่ามาก แต่นั่นไม่ใช่ค่าสูงสุดสำหรับวัสดุในปัจจุบัน เนื่องจากวัสดุผสมไฟเบอร์กลาสและคาร์บอนไฟเบอร์ที่ใช้ในปัจจุบันมีความแข็งแรงและเบากว่า จึงทำงานได้ดีกว่าวัสดุโลหะที่ใช้ทำใบมีดและปีกในสมัยของ Bates ดังนั้น เนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุที่มีอยู่ได้รับการปรับให้เหมาะสม การออกแบบที่ดีที่สุดจึงอาจไม่มีประสิทธิภาพและไม่ตรงตามข้อกำหนดอีกต่อไป
เป็นที่น่าสังเกตว่ามีการออกแบบกังหันลมแบบอิงแรงต้านจำนวนหนึ่งที่มีการใช้งานมาเป็นเวลานาน เช่น กังหันลมแนวตั้งแบบ Savonius ซึ่งมีใบพัดรูปถ้วยสองใบที่หมุนรอบกังหันกลาง โดยทั่วไปแล้วกังหันเหล่านี้มีประสิทธิภาพน้อยกว่ากังหันแบบยกขึ้นมาก เนื่องจากในการติดตั้งในแนวตั้ง ใบพัดทั้งสองจะปิดกั้นลมบางส่วนที่อีกครึ่งหนึ่งของใบพัดสามารถดักจับได้ อย่างไรก็ตาม การออกแบบที่เรียบง่ายและความสามารถในการจับพลังงานในบริเวณที่มีลมต่ำทำให้เป็นที่นิยมสำหรับกังหันในบ้านหรือสภาพแวดล้อมเชิงพาณิชย์
Choe และทีมของเขาเริ่มพัฒนากังหันลมแนวนอนรุ่นใหม่ที่เพิ่มแรงต้านสูงสุด และที่สำคัญที่สุดคือใช้วัสดุผสมขั้นสูง
หนึ่งในความท้าทายแรกๆ ที่ทีม Xenecore เผชิญคือ เนื่องจากเทอร์ไบน์ที่ใช้ลิฟต์ได้กลายเป็นมาตรฐาน ซอฟต์แวร์จำลองในปัจจุบันจึงใช้เพื่อวิเคราะห์ประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ที่ใช้ลิฟต์เท่านั้น Choe และทีมของเขาลองใช้เครื่องมือวิเคราะห์ต่างๆ และในที่สุดก็ใช้ซอฟต์แวร์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณของ Ansys Fluent เพื่อจำลองพฤติกรรมของลมบนใบมีด
เป้าหมายของการใช้โมเดลเหล่านี้คือการพัฒนาใบพัดที่สามารถรับแรงต้านสูงสุด สร้างกระแสไฟฟ้าภายในกังหัน และในขณะเดียวกันก็ทนทานต่อแรงลมแรงสูงโดยมีน้ำหนักน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ทีมงาน Xenecore พยายามสร้างใบมีดคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นครั้งแรก แต่ความแข็งแรงไม่ดีนัก แม้แต่แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์แข็งก็สามารถหักได้ภายใต้ลมแรง
ในที่สุด Xenecore ได้ออกแบบใบพัดรูปทรงใบพัดเดี่ยวที่เรียกว่า Fanturbine ซึ่งประกอบด้วยผิวด้านบนและด้านล่างที่หุ้มด้วย Xenecore เทอร์โมพลาสติกไมโครสเฟียร์ ผิวหนังเหล่านี้เสริมด้วยซี่โครงที่เรียกว่า I-beams การออกแบบเป็นไบโอนิคเพราะซี่โครงแผ่ออกจากจุดศูนย์กลาง คล้ายกับใบไม้บนใบปาล์ม
ใบมีดผลิตขึ้นในกระบวนการขึ้นรูปแบบอัดขึ้นรูปขั้นตอนเดียวโดยใช้คาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูงและอีพอกซีเรซินเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความมั่นคงสูงสุด และต้านทานแรงลมสูงด้วยน้ำหนักที่เบาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การออกแบบโมโนเมอร์แบบชิ้นเดียวยังได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่มความมั่นคงสูงสุดและยืดอายุการใช้งานของใบมีดในทางทฤษฎี เนื่องจากไม่มีข้อต่อหรือกาวที่สามารถทำลายหรือล้าเมื่อเวลาผ่านไป ปัจจุบัน ใบมีดรุ่นแรกมีขนาดค่อนข้างเล็ก โดยวัดได้ 3 คูณ 3 ฟุต โดยมีเป้าหมายที่จะปรับขนาดให้ใหญ่ขึ้นเพื่อแข่งขันกับใบมีดลมทั่วไป
ในการผลิตใบมีดแต่ละใบ ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ที่ตัดจะถูกวางในแม่พิมพ์อลูมิเนียมด้านบนและด้านล่าง และกระดาษฟิล์ม Xenecore หลายชั้นจะวางอยู่ด้านบนของแต่ละผิว แม่พิมพ์จะปิดลง และภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง ไมโครสเฟียร์จะขยายตัวเป็นโฟมโครงสร้างน้ำหนักเบาที่จับกับเยื่อหุ้มสมอง กระบวนการนี้สร้างชิ้นส่วน I-beam ชิ้นเดียว ไร้รอยต่อ ไร้สารยึดเกาะ และเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระ
การออกแบบกังหันของ Xenecore ประกอบด้วยใบพัดสี่ใบในแต่ละกังหัน ซึ่งครอบคลุมประมาณร้อยละ 80 ของพื้นที่ผิวที่มีอยู่ ลมจะดันใบพัดและหมุนใบพัดซึ่งสร้างพลังงานในกังหัน ตามเอกสารไวท์เปเปอร์ปี 2021 ของดร. เปาโล อับดาลา ศาสตราจารย์ด้านการบินแห่งมหาวิทยาลัยบราซิเลียผู้ล่วงลับ ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้ขึ้นอยู่กับความเร็วลมเป็นส่วนใหญ่ ความทนทานของใบพัดรูปทรงแบนช่วยสร้างความแตกต่างของแรงกดที่สูงชันที่ด้านข้างของใบพัด ซึ่งจะเพิ่มความเร็วลมและการผลิตพลังงาน
จากการจำลองของ Xenecore ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม พัดลมสามารถรับพลังงานลมได้สูงสุด 98 เปอร์เซ็นต์ในทางทฤษฎี นอกจากนี้ ใบมีดได้รับการออกแบบให้ทนทานต่อลมพายุเฮอริเคน และในการจำลอง ใบมีดนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถต้านทานลมได้ถึง 376 ไมล์ต่อชั่วโมง ซึ่งสูงกว่าความเร็วสูงสุดของพายุเฮอริเคน ตาม Choe ใบมีดเหล่านี้สามารถทำงานกับกังหันที่มีอยู่โดยไม่ต้องเปลี่ยนโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่
ในปี 2565 Xenecore เริ่มผลิตกังหันขนาดเล็กขนาด 5 กิโลวัตต์พร้อมใบมีดขนาด 3 x 3 ฟุต และขายให้กับผู้จัดจำหน่ายในอเมริกาใต้และทั่วโลกทางออนไลน์ ระบบขนาดเล็กเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อแทนที่แผงโซลาร์เซลล์พลังงานที่คล้ายกันซึ่งใช้ในบ้านและธุรกิจ โดยให้พลังงานในปริมาณที่เท่ากัน แต่ทำงานได้ดีกว่ามาก และมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าถึง 3 เท่าในการใช้งาน Choe อธิบาย
ใบพัดได้รับการทดสอบแล้วว่าสามารถผลิตพลังงานได้มากกว่ากังหันลมทั่วไปที่มีขนาดใกล้เคียงกันถึงเจ็ดเท่า ระบบที่ใหญ่ที่สุดที่ Xenecore ได้ทดสอบคือ100-กังหันกิโลวัตต์ที่มีใบมีดกว้าง 11 ฟุต มีเวอร์ชันระดับเมกะวัตต์อยู่ในผลงาน
Choe กล่าวว่ามีความสนใจอย่างมากในใบพัด Fanturbine ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นในอนาคตอันใกล้ โดยสังเกตว่าเทคโนโลยีนี้มีศักยภาพในการดัดแปลงกังหัน Haliade X ของ GE ของฝรั่งเศส ซึ่งปัจจุบันมีขนาดใหญ่ที่สุด ซึ่งสามารถเพิ่มกำลังการผลิต 100-เท่าจาก 14 เมกะวัตต์เป็น 1.4 กิกะวัตต์
ขณะนี้บริษัทกำลังมองหานักลงทุนและพันธมิตรเพื่อช่วยนำเทคโนโลยีไปสู่ขั้นต่อไป เพื่อพิสูจน์เทคโนโลยี ขั้นตอนต่อไปของ Xenecore คือการสร้างและติดตั้งกังหันขนาด 1 MW บนหอกังหันลมที่เลิกใช้งานแล้ว
