نظرًا لأن دولًا مثل الولايات المتحدة تعلن عن سياسات وأهداف تركز على زيادة قدرة الطاقة المتجددة ، فهناك فرص لتقنيات الطاقة المتجددة الجديدة والمحسّنة. تستخدم Xenecore ، وهي شركة مقرها مدينة نيويورك تقوم بتطوير شفرات توربينات رياح أكثر كفاءة مع قدرات أعلى على التقاط الطاقة ، خبرتها في الأجزاء المركبة لتصميم وتطوير شفرات رياح على شكل مروحة قائمة على المقاومة.
تأسست Xenecore في عام 2010 من قبل Jerry Choe ، الرئيس التنفيذي ومؤسس الشركة ، من خلال استخدام تكنولوجيا المواد في تطبيقات السلع الرياضية لتطوير مضارب تنس من ألياف الكربون ، وشكلت عددًا من براءات الاختراع. من أجل تحقيق مضرب تنس من ألياف الكربون ذو أداء وقوة عاليين أثناء ضرب الكرة ، ولتقليل تأثير المضرب على الذراع ، بعد فترة تطوير لمدة 18- شهر ، طوَّر هو وفريقه مادة و حل العملية ، الذي يتم تسويقه الآن تحت الاسم التجاري Xenecore ، وهو منتج دقيق لدن بالحرارة يمكن استخدامه كنواة هيكلية للأجزاء المركبة.
بعد هذه النجاحات الأولية ، استثمرت الشركة بكثافة في زيادة تحسين تقنية الغلاف الدقيق بالحرارة وحصلت على أكثر من 250 براءة اختراع في جميع أنحاء العالم. وجدت الشركة أن استخدام منتجات Xenecore يمكن أن يمتد إلى ما وراء مضارب التنس إلى فرص جديدة لتطبيقات أخرى ، مثل شفرات الطائرات بدون طيار ، ومؤخراً ، شفرات توربينات الرياح القائمة على المقاومة.
منذ حوالي عامين ، بدأ Choe وفريق Xenecore في البحث في كيفية استخدام تكنولوجيا ومنتجات الشركة في العمليات لتطوير شفرات توربينات الرياح. اليوم ، تحتوي معظم توربينات الرياح على شفرات رفيعة على شكل طائرة تولد الكهرباء بشكل أساسي من الرفع. عندما تمر الرياح عبر الشفرات ، فإن الضغط المنخفض المتشكل على جانب واحد من الشفرات يسحب الشفرات بشكل عمودي على اتجاه الرياح ، مما يتسبب في تدوير الدوارات ، مما يؤدي إلى نقل الطاقة إلى التوربين لتوليد الكهرباء.
عادة ما تكون هذه الشفرات مصنوعة من جلد الألياف الزجاجية ، وفي الشفرات الأطول مدعومة بغطاء SPAR الجناح المركب من ألياف الكربون. عادة ما يتم وضع ريش الرياح في قالب مفتوح ، ويتم حقنه بالشفط ، ثم يتم تجميعها معًا باستخدام شبكة القص ، ونواة الرغوة ، والمواد اللاصقة.
ومع ذلك ، بدت طواحين الهواء الأولى مختلفة تمامًا ، حيث تتميز بشفرات خشبية عريضة ومسطحة على شكل مروحة تولد الكهرباء من خلال المقاومة ، مع استخدام الرياح مباشرة لدفع الشفرات في اتجاه الريح. عندما تم اختراع توربينات الرياح لأول مرة ، كان الجميع يستخدمون السحب لأنه استحوذ على المزيد من الرياح. لكن هذه الشفرات الأولى كانت مشكلة بسبب المواد المستخدمة ، حيث تم بناء طواحين الهواء الأولى بمواد ناعمة وأقل متانة مثل القماش.
في عام 1919 ، نشر الفيزيائي الألماني ألبرت بيتس قانونه الشهير باتس حول التقاط الرياح وتصميم الشفرات. وفقًا لهذا القانون ، يمكن للشفرة التقاط 59 بالمائة كحد أقصى من طاقة الرياح باستخدام الرفع. أثرت هذه النظرية على شكل أجنحة الطائرات وشفرات توربينات الرياح لتعظيم الرفع وتقليل السحب ، باستخدام تصميمات رفيعة منحنية لا تزال شائعة اليوم.
وفقًا لـ Choe ، فإن معدل التقاط الطاقة البالغ 59 بالمائة هو الحد الأقصى النظري لأن توربينات الرياح الفعلية تلتقط الطاقة بكفاءة أقل بكثير ، ولكنها ليست الحد الأقصى لمواد اليوم. نظرًا لأن مركبات الألياف الزجاجية وألياف الكربون المستخدمة اليوم أقوى وأخف وزنًا ، فإنها تعمل بشكل أفضل بكثير من المواد المعدنية المستخدمة في صنع الشفرات والأجنحة في أيام بيتس. لذلك ، نظرًا لأنه تم تحسين خصائص المواد الحالية ، فقد يكون التصميم الأفضل الآن غير فعال ولم يعد يلبي المتطلبات.
تجدر الإشارة إلى أن هناك عددًا من تصميمات شفرات الرياح القائمة على المقاومة والتي تم استخدامها لفترة طويلة ، مثل توربينات الرياح الرأسية من نوع Savonius ، والتي تتميز بشفرتين على شكل كوب يدوران حول التوربينات المركزية. هذه التوربينات عمومًا أقل كفاءة بكثير من التوربينات القائمة على الرفع لأن النصلتين ، في الإعداد الرأسي ، تمنعان بعض الرياح التي يمكن أن يلتقطها النصف الآخر من الشفرة. ومع ذلك ، فإن تصميمها البسيط وقدرتها على التقاط الطاقة في مناطق الرياح المنخفضة تجعلها شائعة بالنسبة للتوربينات في البيئات المنزلية أو التجارية.
شرع تشوي وفريقه في تطوير توربينات رياح أفقية جديدة تعمل على زيادة السحب ، والأهم من ذلك ، استخدام مواد مركبة متقدمة.
كان أحد التحديات المبكرة التي واجهها فريق Xenecore هو أنه منذ أن أصبحت التوربينات القائمة على الرفع هي المعيار ، فإن برامج المحاكاة الحالية تستخدم فقط لتحليل أداء التوربينات القائمة على الرفع. جرب Choe وفريقه عددًا من الأدوات التحليلية واستخدموا في النهاية برنامج Ansys Fluent الحسابي لديناميكيات السوائل لنمذجة سلوك الرياح على الشفرة.
باستخدام هذه النماذج ، فإن الهدف هو تطوير شفرة يمكنها التقاط أقصى مقاومة ، وتوليد الكهرباء داخل التوربين ، وفي نفس الوقت تحمل أحمال الرياح العالية بأقل وزن ممكن. حاول فريق Xenecore أولاً صنع شفرة مركبة من ألياف الكربون الصلبة ، لكن القوة لم تكن جيدة ، حتى ألواح ألياف الكربون الصلبة يمكن أن تنكسر تحت الرياح العاتية.
أخيرًا ، صمم Xenecore شفرة واحدة على شكل مروحة ، تسمى Fanturbine ، تتكون من جلد علوي وسفلي مغطى بكريات Xenecore مجهرية بالحرارة. يتم تقوية هذه الجلود بأضلاع تسمى I-beams. التصميم ذو تقنية آلية لأن الأضلاع تخرج من نقطة مركزية ، مثل الأوراق الموجودة على جريد النخيل.
يتم تصنيع الشفرات في عملية تشكيل بالضغط من خطوة واحدة باستخدام ألياف الكربون عالية المعامل وراتنجات الإيبوكسي لزيادة القوة والثبات إلى أقصى حد ، ومقاومة أحمال الرياح العالية بأخف وزن ممكن. تم تصميم تصميم المونومر المكون من قطعة واحدة أيضًا لزيادة الاستقرار وإطالة عمر الشفرة نظريًا ، حيث لا توجد مفاصل أو مواد لاصقة يمكن أن تتلف أو تتعب بمرور الوقت. حاليًا ، الإصدار الأول من هذه الشفرات صغير نسبيًا ، بقياس 3 × 3 أقدام ، بهدف زيادة حجمه إلى حجم أكبر للتنافس مع ريش الرياح التقليدية.
لإنتاج كل شفرة ، يتم وضع نسيج ألياف الكربون المقطوعة في قالب من الألومنيوم العلوي والسفلي ، ويتم وضع طبقات متعددة من ورق فيلم Xenecore فوق كل جلد. يغلق القالب ، وتحت درجة حرارة وضغط مرتفعين ، تتوسع الكرات المجهرية إلى رغوة هيكلية خفيفة الوزن تلتصق بالقشرة. تنتج هذه العملية جزءًا واحدًا سلسًا وخاليًا من الروابط وحر الحركة من شعاع I.
يتكون تصميم توربينات Xenecore من أربع شفرات مروحة على كل توربين ، وتغطي حوالي 80 بالمائة من مساحة السطح المتاحة. تدفع الرياح الشفرات وتدور الدوارات ، مما ينتج الطاقة في التوربين. وفقًا لتقرير عام 2021 من قبل الراحل الدكتور باولو عبد الله ، أستاذ الطيران بجامعة برازيليا ، فإن كمية الكهرباء المولدة تعتمد إلى حد كبير على سرعة الرياح. تساعد متانة الشفرات المسطحة على شكل مروحة على إحداث اختلافات حادة في الضغط على جوانب الشفرات ، مما يزيد من سرعة الرياح وتوليد الطاقة.
وفقًا لمحاكاة Xenecore ، في ظل الظروف المثالية ، يمكن للمروحة نظريًا تحقيق 98 بالمائة كحد أقصى من التقاط طاقة الرياح. بالإضافة إلى ذلك ، تم تصميم الشفرة لتحمل رياح قوة الأعاصير ، وفي عمليات المحاكاة ، أثبتت قدرتها على تحمل رياح تصل سرعتها إلى 376 ميلًا في الساعة ، أي أعلى بكثير من السرعة القصوى للإعصار. وفقًا لـ Choe ، يمكن لهذه الشفرات أن تعمل على التوربينات الحالية دون تغيير البنية التحتية الحالية.
في عام 2022 ، بدأت شركة Xenecore في إنتاج توربينات صغيرة بقدرة 5 كيلوواط مزودة بشفرات 3 × 3 أقدام وبيعها إلى موزعين في أمريكا الجنوبية وعبر الإنترنت في جميع أنحاء العالم. وأوضح تشوي أن هذه الأنظمة الصغيرة مصممة لتحل محل الألواح الشمسية ذات الطاقة المماثلة المستخدمة في المنازل والشركات ، وتوفر نفس القدر من الطاقة ، لكنها تعمل بشكل أفضل وتكلفة تشغيلها أقل بثلاث مرات.
تم اختبار الشفرات لإنتاج طاقة أكبر بسبع مرات من توربينات الرياح التقليدية ذات الحجم المماثل. أكبر نظام اختبرته شركة Xenecore هو توربين يبلغ حجمه 100- كيلوواط وشفرات بعرض 11 قدمًا. لديها نسخة على مستوى ميغاواط في الأعمال.
قال تشوي إن هناك اهتمامًا كبيرًا بشفرات Fanturbine الأكبر في المستقبل القريب ، مشيرًا إلى أن التكنولوجيا لديها القدرة على تعديل توربينات Haliade X الفرنسية من جنرال إلكتريك ، وهي الأكبر حاليًا ، مما قد يزيد سعتها 100- ضعفًا ، من 14 ميغاواط إلى 1.4 جيجاوات.
تبحث الشركة حاليًا عن مستثمرين وشركاء للمساعدة في نقل التكنولوجيا إلى المرحلة التالية. لإثبات هذه التقنية ، فإن الخطوة التالية لشركة Xenecore هي بناء وتركيب توربين بقدرة 1 ميجاوات على برج توربينات رياح تم إيقاف تشغيله بشكل تحديثي.
