A mesura que països com els Estats Units anuncien polítiques i objectius centrats a augmentar la capacitat d'energia renovable, hi ha oportunitats per a tecnologies d'energia renovable noves i millorades. Xenecore, una empresa amb seu a la ciutat de Nova York que desenvolupa pales d'aerogeneradors més eficients amb capacitats de captura d'energia més elevades, està utilitzant la seva experiència en peces compostes per dissenyar i desenvolupar pales de vent en forma de ventilador basades en la resistència.
Xenecore va ser fundada l'any 2010 per Jerry Choe, CEO i fundador de l'empresa, mitjançant l'ús de tecnologia de materials en aplicacions d'articles esportius per desenvolupar raquetes de tennis compostes de fibra de carboni, i va formar una sèrie de patents. Per tal d'aconseguir una raqueta de tennis de fibra de carboni amb un alt rendiment i potència mentre colpeja la pilota, i per minimitzar l'impacte de la raqueta sobre el braç, després d'un període de desenvolupament de 18-mes, ell i el seu equip van desenvolupar un material i solució de procés, que ara es comercialitza amb el nom comercial Xenecore, un producte de microesferes termoplàstiques que es pot utilitzar com a nucli estructural per a peces compostes.
Després d'aquests èxits inicials, l'empresa va invertir molt en l'optimització de la tecnologia de microsferes termoplàstiques i va obtenir més de 250 patents a tot el món. La companyia va trobar que l'ús dels productes Xenecore podria estendre's més enllà de les raquetes de tennis a noves oportunitats per a altres aplicacions, com ara les pales de drons i, més recentment, les pales de turbines eòliques basades en la resistència.
Fa uns dos anys, Choe i l'equip de Xenecore van començar a investigar com es podrien utilitzar la tecnologia i els productes de procés de l'empresa per desenvolupar pales d'aerogeneradors. Avui en dia, la majoria dels aerogeneradors tenen pales esveltes en forma d'avió que generen electricitat principalment a partir de l'ascensor. A mesura que el vent travessa les pales, la pressió més baixa que es forma en un costat de les pales estira les pales perpendicularment a la direcció del vent, fent-les girar els rotors, transferint energia a la turbina per generar electricitat.
Aquestes fulles solen estar fetes de pell de fibra de vidre i, a les fulles més llargues, estan suportades per una tapa SPAR d'ala composta de fibra de carboni. Les pales de vent es col·loquen normalment en un motlle obert, s'injecten al buit i després s'acoblen amb una xarxa de cisalla, un nucli d'escuma i un adhesiu.
Els primers molins de vent, però, tenien un aspecte molt diferent, amb pales de fusta amples, planes i en forma de ventall que generaven electricitat mitjançant la resistència, amb el vent utilitzat directament per empènyer les pales en la direcció del vent. Quan es van inventar els aerogeneradors, tothom utilitzava arrossegament perquè captava més vent. Però aquestes primeres pales van ser un problema pels materials utilitzats, ja que els primers molins de vent es van construir amb materials tous i menys duradors com la tela.
El 1919, el físic alemany Albert Bates va publicar la seva famosa Llei de Bates sobre la captura del vent i el disseny de les pales. D'acord amb aquesta llei, la pala només pot captar un màxim del 59 per cent de l'energia eòlica mitjançant l'elevació. Aquesta teoria va influir en la forma de les ales dels avions i les pales de les turbines eòliques per maximitzar la sustentació i minimitzar l'arrossegament, utilitzant dissenys prims i corbats que encara són populars avui dia.
Segons Choe, la taxa de captura d'energia del 59 per cent és un màxim teòric perquè els aerogeneradors reals capturen l'energia de manera molt menys eficient, però no és el màxim per als materials actuals. Com que els compostos de fibra de vidre i fibra de carboni que s'utilitzen avui en dia són més forts i lleugers, funcionen molt millor que els materials metàl·lics que s'utilitzaven per fabricar fulles i ales en l'època de Bates. Per tant, atès que s'han optimitzat les propietats dels materials existents, el millor disseny ara pot ser ineficient i ja no compleix els requisits.
Val la pena assenyalar que hi ha una sèrie de dissenys de pales de vent basats en la resistència que s'utilitzen des de fa molt de temps, com ara l'aerogenerador vertical tipus Savonius, que compta amb dues pales en forma de copa que giren al voltant d'una turbina central. Aquestes turbines són generalment molt menys eficients que les turbines basades en ascensor perquè, en una configuració vertical, les dues pales bloquegen una part del vent que l'altra meitat de la pala pot capturar. Tanmateix, el seu disseny senzill i la seva capacitat per capturar energia en zones de vent baix els fan populars per a turbines en entorns domèstics o comercials.
Choe i el seu equip es van proposar desenvolupar una nova turbina eòlica horitzontal que maximitzés l'arrossegament i, el més important, utilitzi materials compostos avançats.
Un dels primers reptes als quals es va enfrontar l'equip de Xenecore va ser que, com que les turbines basades en ascensor s'han convertit en l'estàndard, el programari de simulació actual només s'utilitza per analitzar el rendiment de les turbines basades en l'ascensor. Choe i el seu equip van provar diverses eines analítiques i, finalment, van utilitzar el programari de dinàmica de fluids computacional Ansys Fluent per modelar el comportament del vent a la pala.
Amb aquests models, l'objectiu és desenvolupar una pala que pugui captar la màxima resistència, generar electricitat a l'interior de la turbina i, alhora, suportar fortes càrregues de vent amb el menor pes possible. L'equip de Xenecore va intentar per primera vegada fer una fulla composta de fibra de carboni sòlida, però la força no era bona, fins i tot les plaques de fibra de carboni sòlides es poden trencar amb vents forts.
Finalment, Xenecore va dissenyar una única pala en forma de ventilador, anomenada Fanturbine, que consta d'una pell superior i inferior coberta amb microesferes termoplàstiques Xenecore. Aquestes pells estan reforçades amb costelles anomenades bigues en I. El disseny és biònic perquè les costelles surten des d'un punt central, com les fulles d'una fulla de palmera.
Les fulles es fabriquen en un procés d'emmotllament per compressió d'un sol pas utilitzant fibra de carboni d'alt mòdul i resines epoxi per maximitzar la resistència i l'estabilitat, i per resistir càrregues de vent elevades amb el pes més lleuger possible. El disseny de monòmers d'una sola peça també està dissenyat per maximitzar l'estabilitat i allargar teòricament la vida útil de la fulla, ja que no hi ha juntes ni adhesius que puguin danyar o fatigar amb el temps. Actualment, la primera versió d'aquestes pales és relativament petita, mesura 3 per 3 peus, amb l'objectiu d'augmentar-se a una mida més gran per competir amb les pales de vent convencionals.
Per produir cada fulla, el teixit de fibra de carboni tallat es col·loca en un motlle superior i inferior d'alumini i es col·loquen diverses capes de paper de pel·lícula Xenecore a la part superior de cada pell. El motlle es tanca i, a alta temperatura i pressió, les microesferes s'expandeixen en una escuma estructural lleugera que s'uneix a l'escorça. El procés produeix una única part de l'I-beam, sense costures, sense aglutinants i de moviment lliure.
El disseny de la turbina de Xenecore consta de quatre pales de ventilador a cada turbina, que cobreixen aproximadament el 80 per cent de la superfície disponible. El vent empeny les pales i fa girar els rotors, la qual cosa crea energia a la turbina. Segons un llibre blanc de 2021 del difunt doctor Paulo Abdala, professor d'aviació a la Universitat de Brasília, la quantitat d'electricitat generada depèn en gran mesura de la velocitat del vent. La robustesa de les pales planes en forma de ventilador ajuda a crear diferències de pressió pronunciades als costats de les pales, la qual cosa augmenta la velocitat del vent i la generació d'energia.
Segons les simulacions de Xenecore, en condicions ideals, el ventilador podria aconseguir teòricament un màxim del 98 per cent de captura d'energia eòlica. A més, la pala està dissenyada per suportar vents de força huracà i, en simulacions, va demostrar que suporta vents de fins a 376 milles per hora, molt per sobre de la velocitat màxima d'un huracà. Segons Choe, aquestes pales poden funcionar amb turbines existents sense canviar la infraestructura existent.
L'any 2022, Xenecore va començar la producció de petites turbines de 5 kW amb pales de 3 x 3 peus i les va vendre a distribuïdors d'Amèrica del Sud i en línia a tot el món. Aquests petits sistemes estan dissenyats per substituir els panells solars d'energia similars utilitzats a les llars i les empreses, proporcionant la mateixa quantitat d'energia, però funcionen molt millor i costen tres vegades menys d'executar, va explicar Choe.
Les pales han estat provades per produir set vegades més potència que les turbines eòliques convencionals de mida similar. El sistema més gran que ha provat Xenecore és una turbina de 100-kilowatts amb pales d'11 peus d'ample. Té una versió a nivell de megawatts en procés.
Choe va dir que hi ha molt d'interès per les pales de Fanturbine més grans en un futur proper, i va assenyalar que la tecnologia té el potencial de modernitzar la turbina Haliade X de GE francesa, actualment la més gran, que podria augmentar la seva capacitat 100-de 14 vegades. megawatts a 1,4 gigawatts.
Actualment, l'empresa busca inversors i socis que ajudin a portar la tecnologia a la següent etapa. Per provar la tecnologia, el següent pas de Xenecore és construir i instal·lar una turbina d'1 MW en una torre d'aerogenerador fora de servei.
