Nu landen zoals de Verenigde Staten beleid en doelstellingen aankondigen die gericht zijn op het vergroten van de capaciteit van hernieuwbare energie, zijn er kansen voor nieuwe en verbeterde technologieën voor hernieuwbare energie. Xenecore, een in New York City gevestigd bedrijf dat efficiëntere windturbinebladen ontwikkelt met hogere energieopvangmogelijkheden, gebruikt zijn expertise op het gebied van composietonderdelen om op weerstand gebaseerde waaiervormige windbladen te ontwerpen en te ontwikkelen.
Xenecore werd in 2010 opgericht door Jerry Choe, CEO en oprichter van het bedrijf, door het gebruik van materiaaltechnologie in toepassingen voor sportartikelen om tennisrackets van koolstofvezelcomposiet te ontwikkelen, en vormde een aantal patenten. Om een tennisracket van koolstofvezel te krijgen met hoge prestaties en kracht bij het slaan van de bal, en om de impact van het racket op de arm te minimaliseren, ontwikkelden hij en zijn team na een ontwikkelperiode van 18-maanden een materiaal- en procesoplossing, die nu op de markt wordt gebracht onder de handelsnaam Xenecore, een thermoplastisch microbolletjesproduct dat kan worden gebruikt als structurele kern voor composietonderdelen.
Na deze eerste successen investeerde het bedrijf zwaar in de verdere optimalisatie van de thermoplastische microbolletjestechnologie en verwierf het wereldwijd meer dan 250 patenten. Het bedrijf ontdekte dat het gebruik van Xenecore-producten verder kon reiken dan tennisrackets naar nieuwe mogelijkheden voor andere toepassingen, zoals dronebladen en, meer recentelijk, op weerstand gebaseerde windturbinebladen.
Ongeveer twee jaar geleden begonnen Choe en het Xenecore-team te onderzoeken hoe de procestechnologie en producten van het bedrijf konden worden gebruikt om windturbinebladen te ontwikkelen. Tegenwoordig hebben de meeste windturbines slanke vliegtuigvormige bladen die voornamelijk elektriciteit opwekken door middel van lift. Terwijl de wind door de bladen gaat, trekt de lagere druk die aan één kant van de bladen wordt gevormd, loodrecht op de windrichting aan de bladen, waardoor ze de rotoren laten draaien en energie overbrengen naar de turbine om elektriciteit op te wekken.
Deze bladen zijn meestal gemaakt van glasvezelhuid en bij langere bladen worden ze ondersteund door een SPAR-vleugelkap van koolstofvezelcomposiet. Windbladen worden meestal in een open mal geplaatst, vacuüm geïnjecteerd en vervolgens aan elkaar geassembleerd met behulp van een afschuifweb, schuimkern en lijm.
De vroegste windmolens zagen er echter heel anders uit, met brede, platte, waaiervormige houten wieken die elektriciteit opwekten door weerstand, waarbij de wind direct werd gebruikt om de wieken in de richting van de wind te duwen. Toen windturbines voor het eerst werden uitgevonden, gebruikte iedereen weerstand omdat het meer wind opving. Maar deze eerste wieken waren een probleem vanwege de gebruikte materialen, aangezien de vroegste windmolens werden gebouwd met zachte, minder duurzame materialen zoals stof.
In 1919 publiceerde de Duitse natuurkundige Albert Bates zijn nu beroemde Bates-wet over windvangst en bladontwerp. Volgens deze wet kan de wiek met lift maximaal 59 procent van de windenergie opvangen. Deze theorie beïnvloedde de vorm van vliegtuigvleugels en windturbinebladen om de lift te maximaliseren en de weerstand te minimaliseren, met behulp van dunne, gebogen ontwerpen die nog steeds populair zijn.
Volgens Choe is de energieopvangsnelheid van 59 procent een theoretisch maximum omdat werkelijke windturbines energie veel minder efficiënt opvangen, maar het is niet het maximum voor de materialen van vandaag. Omdat de glasvezel- en koolstofvezelcomposieten die tegenwoordig worden gebruikt, sterker en lichter zijn, presteren ze veel beter dan de metalen materialen die in de tijd van Bates werden gebruikt om bladen en vleugels te maken. Aangezien de bestaande materiaaleigenschappen zijn geoptimaliseerd, kan het beste ontwerp nu inefficiënt zijn en niet meer aan de eisen voldoen.
Het is vermeldenswaard dat er een aantal op weerstand gebaseerde windbladontwerpen zijn die al lange tijd in gebruik zijn, zoals de Savonius-type verticale windturbine, die twee komvormige bladen heeft die rond een centrale turbine draaien. Deze turbines zijn over het algemeen veel minder efficiënt dan op lift gebaseerde turbines omdat, in een verticale opstelling, de twee bladen feitelijk een deel van de wind blokkeren die de andere helft van het blad kan opvangen. Hun eenvoudige ontwerp en het vermogen om energie op te vangen in gebieden met weinig wind, maken ze echter populair voor turbines in woon- of commerciële omgevingen.
Choe en zijn team wilden een nieuwere horizontale windturbine ontwikkelen die de weerstand maximaliseert en, belangrijker nog, geavanceerde composietmaterialen gebruikt.
Een van de eerste uitdagingen waar het Xenecore-team mee te maken kreeg, was dat sinds op lift gebaseerde turbines de standaard zijn geworden, de huidige simulatiesoftware alleen wordt gebruikt om de prestaties van op lift gebaseerde turbines te analyseren. Choe en zijn team probeerden een aantal analytische tools uit en gebruikten uiteindelijk Ansys Fluent computationele vloeistofdynamica-software om het gedrag van de wind op het blad te modelleren.
Met behulp van deze modellen is het doel om een blad te ontwikkelen dat maximale weerstand kan opvangen, elektriciteit kan opwekken in de turbine en tegelijkertijd met zo weinig mogelijk gewicht bestand is tegen hoge windbelastingen. Het Xenecore-team probeerde eerst een blad van massief koolstofvezelcomposiet te maken, maar de sterkte was niet goed, zelfs platen van massief koolstofvezel kunnen breken bij harde wind.
Ten slotte ontwierp Xenecore een enkel waaiervormig mes, een Fanturbine genaamd, bestaande uit een boven- en onderhuid bedekt met Xenecore thermoplastische microbolletjes. Deze huiden zijn versterkt met ribben die I-balken worden genoemd. Het ontwerp is bionisch omdat de ribben vanuit een centraal punt uitwaaieren, net zoals de bladeren op een palmblad.
De bladen worden vervaardigd in een eenstaps persgietproces met behulp van koolstofvezel met hoge modulus en epoxyharsen om sterkte en stabiliteit te maximaliseren en om hoge windbelastingen te weerstaan met het laagst mogelijke gewicht. Het monomeerontwerp uit één stuk is ook ontworpen om de stabiliteit te maximaliseren en theoretisch de levensduur van het mes te verlengen, aangezien er geen verbindingen of lijmen zijn die na verloop van tijd kunnen beschadigen of vermoeid raken. Momenteel is de eerste versie van deze bladen relatief klein, met een afmeting van 3 bij 3 voet, met als doel om op te schalen naar een groter formaat om te concurreren met conventionele windbladen.
Om elk mes te produceren, wordt het gesneden koolstofvezelweefsel in een aluminium boven- en ondermal geplaatst en worden meerdere lagen Xenecore-filmpapier op elke huid geplaatst. De mal sluit en onder hoge temperatuur en druk zetten de microsferen uit tot een lichtgewicht structureel schuim dat zich bindt aan de cortex. Het proces produceert een enkel, naadloos, bindmiddelvrij, vrij bewegend enkel deel van de I-balk.
Het turbineontwerp van Xenecore bestaat uit vier ventilatorbladen op elke turbine, die ongeveer 80 procent van het beschikbare oppervlak beslaan. De wind duwt de bladen en laat de rotoren draaien, waardoor energie in de turbine ontstaat. Volgens een witboek uit 2021 van wijlen Dr. Paulo Abdala, hoogleraar luchtvaart aan de Universiteit van Brasilia, is de hoeveelheid opgewekte elektriciteit grotendeels afhankelijk van de windsnelheid. De robuustheid van de platte waaiervormige bladen helpt bij het creëren van sterke drukverschillen aan de zijkanten van de bladen, wat de windsnelheid en stroomopwekking verhoogt.
Volgens de simulaties van Xenecore zou de ventilator onder ideale omstandigheden theoretisch maximaal 98 procent windenergie kunnen opvangen. Bovendien is het blad ontworpen om orkaankracht te weerstaan, en in simulaties bleek het bestand te zijn tegen windsnelheden tot 376 mijl per uur, ruim boven de topsnelheid van een orkaan. Volgens Choe kunnen deze bladen op bestaande turbines werken zonder de bestaande infrastructuur te wijzigen.
In 2022 begon Xenecore met de productie van kleine turbines van 5 kW met bladen van 3 x 3 voet en verkocht deze aan distributeurs in Zuid-Amerika en online wereldwijd. Deze kleine systemen zijn ontworpen om zonnepanelen met vergelijkbaar vermogen die in huizen en bedrijven worden gebruikt te vervangen, dezelfde hoeveelheid stroom te leveren, maar ze presteren veel beter en kosten drie keer minder om te gebruiken, legt Choe uit.
De wieken zijn getest om zeven keer meer vermogen te produceren dan conventionele windturbines van vergelijkbare grootte. Het grootste systeem dat Xenecore heeft getest, is een 100-kilowattturbine met bladen van 3,5 meter breed. Het heeft een versie op megawatt-niveau in de maak.
Choe zei dat er in de nabije toekomst veel belangstelling is voor grotere Fanturbine-bladen, waarbij hij opmerkte dat de technologie het potentieel heeft om de Haliade X-turbine van het Franse GE, momenteel de grootste, achteraf aan te brengen, waardoor de capaciteit 100-voudig zou kunnen toenemen, van 14 megawatt tot 1,4 gigawatt.
Momenteel is het bedrijf op zoek naar investeerders en partners om de technologie naar een hoger niveau te tillen. Om de technologie te bewijzen, is de volgende stap van Xenecore het bouwen en installeren van een turbine van 1 MW op een retrofit buiten gebruik gestelde windturbinetoren.
