Khi các quốc gia như Hoa Kỳ công bố các chính sách và mục tiêu tập trung vào việc tăng công suất năng lượng tái tạo, sẽ có nhiều cơ hội cho các công nghệ năng lượng tái tạo mới và cải tiến. Xenecore, một công ty có trụ sở tại Thành phố New York đang phát triển các cánh tuabin gió hiệu quả hơn với khả năng thu năng lượng cao hơn, đang sử dụng kiến thức chuyên môn của mình về các bộ phận composite để thiết kế và phát triển các cánh quạt gió hình quạt dựa trên điện trở.
Xenecore được thành lập vào năm 2010 bởi Jerry Choe, Giám đốc điều hành và người sáng lập công ty, thông qua việc sử dụng công nghệ vật liệu trong các ứng dụng đồ thể thao để phát triển vợt tennis tổng hợp sợi carbon và đã hình thành một số bằng sáng chế. Để tạo ra một cây vợt quần vợt bằng sợi carbon với hiệu suất và sức mạnh cao khi đánh bóng, đồng thời giảm thiểu tác động của vợt lên cánh tay, sau 18-thời gian phát triển một tháng, anh ấy và nhóm của mình đã phát triển một loại vật liệu và giải pháp xử lý, hiện được bán trên thị trường với tên thương mại Xenecore, một sản phẩm vi cầu dẻo nhiệt dẻo có thể được sử dụng làm lõi cấu trúc cho các bộ phận composite.
Sau những thành công ban đầu này, công ty đã đầu tư mạnh vào việc tối ưu hóa hơn nữa công nghệ vi cầu nhiệt dẻo và đã được trao hơn 250 bằng sáng chế trên toàn thế giới. Công ty nhận thấy rằng việc sử dụng các sản phẩm Xenecore có thể mở rộng ra ngoài vợt tennis để mở rộng các cơ hội mới cho các ứng dụng khác, chẳng hạn như cánh quạt cho máy bay không người lái và gần đây hơn là cánh quạt tua-bin gió dựa trên điện trở.
Khoảng hai năm trước, Choe và nhóm Xenecore bắt đầu xem xét cách sử dụng công nghệ xử lý và các sản phẩm của công ty để phát triển các cánh tuabin gió. Ngày nay, hầu hết các tua-bin gió đều có các cánh quạt mảnh mai hình máy bay tạo ra điện chủ yếu từ lực nâng. Khi gió đi qua các cánh quạt, áp suất thấp hơn hình thành ở một bên của các cánh quạt kéo các cánh quạt vuông góc với hướng gió, khiến chúng quay các cánh quạt, truyền năng lượng đến tuabin để tạo ra điện.
Những cánh quạt này thường được làm bằng da sợi thủy tinh, và ở những cánh quạt dài hơn được hỗ trợ bởi nắp SPAR cánh composite bằng sợi carbon. Các cánh quạt gió thường được đặt trong một khuôn mở, được bơm chân không, sau đó được lắp ráp lại với nhau bằng lưới cắt, lõi xốp và chất kết dính.
Tuy nhiên, những chiếc cối xay gió đầu tiên trông rất khác, nổi bật với những cánh quạt bằng gỗ rộng, phẳng, tạo ra điện thông qua điện trở, với gió trực tiếp được sử dụng để đẩy các cánh quạt theo hướng gió. Khi tua-bin gió lần đầu tiên được phát minh, mọi người đều sử dụng lực cản vì nó thu được nhiều gió hơn. Nhưng những cánh quạt đầu tiên này là một vấn đề do vật liệu được sử dụng, vì những chiếc cối xay gió đầu tiên được chế tạo bằng vật liệu mềm, kém bền hơn như vải.
Năm 1919, nhà vật lý người Đức Albert Bates đã công bố Định luật Bates nổi tiếng hiện nay của ông về thiết kế cánh và thu gió. Theo định luật này, cánh quạt chỉ có thể thu được tối đa 59 phần trăm năng lượng gió khi sử dụng lực nâng. Lý thuyết này đã ảnh hưởng đến hình dạng của cánh máy bay và cánh quạt gió để tối đa hóa lực nâng và giảm thiểu lực cản, sử dụng các thiết kế cong, mỏng vẫn còn phổ biến cho đến ngày nay.
Theo Choe, tỷ lệ thu năng lượng 59% là mức tối đa về mặt lý thuyết vì các tua-bin gió thực tế thu năng lượng kém hiệu quả hơn nhiều, nhưng nó không phải là mức tối đa đối với các vật liệu ngày nay. Vì vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh và sợi carbon được sử dụng ngày nay bền hơn và nhẹ hơn nên chúng hoạt động tốt hơn nhiều so với vật liệu kim loại được sử dụng để chế tạo cánh và cánh vào thời của Bates. Do đó, do các đặc tính vật liệu hiện tại đã được tối ưu hóa, thiết kế tốt nhất hiện có thể không hiệu quả và không còn đáp ứng các yêu cầu.
Điều đáng chú ý là có một số thiết kế cánh quạt gió dựa trên điện trở đã được sử dụng từ lâu, chẳng hạn như tuabin gió thẳng đứng kiểu Savonius, có hai cánh quạt hình chén xoay quanh tuabin trung tâm. Những tua-bin này thường kém hiệu quả hơn nhiều so với tua-bin dựa trên thang máy bởi vì, trong thiết lập thẳng đứng, hai cánh quạt thực sự chặn một phần gió mà nửa kia của cánh quạt có thể thu được. Tuy nhiên, thiết kế đơn giản và khả năng thu năng lượng ở những vùng gió thấp khiến chúng trở nên phổ biến đối với các tuabin trong môi trường gia đình hoặc thương mại.
Choe và nhóm của ông bắt đầu phát triển một tuabin gió nằm ngang mới giúp tối đa hóa lực cản và quan trọng nhất là sử dụng vật liệu composite tiên tiến.
Một trong những thách thức ban đầu mà nhóm Xenecore gặp phải là do tua-bin dựa trên thang máy đã trở thành tiêu chuẩn nên phần mềm mô phỏng ngày nay chỉ được sử dụng để phân tích hiệu suất của tua-bin dựa trên thang máy. Choe và nhóm của ông đã thử một số công cụ phân tích và cuối cùng đã sử dụng phần mềm tính toán động lực học chất lỏng ANSYS Fluent để mô hình hóa hành vi của gió trên cánh quạt.
Sử dụng các mô hình này, mục tiêu là phát triển một cánh quạt có thể thu được lực cản tối đa, tạo ra điện bên trong tuabin, đồng thời chịu được tải trọng gió lớn với trọng lượng ít nhất có thể. Nhóm Xenecore lần đầu tiên cố gắng tạo ra một cốt vợt composite bằng sợi carbon đặc, nhưng độ bền không tốt, ngay cả những tấm sợi carbon đặc cũng có thể bị gãy khi gặp gió lớn.
Cuối cùng, Xenecore đã thiết kế một cánh quạt hình quạt duy nhất, được gọi là Fanturbine, bao gồm lớp vỏ trên và dưới được phủ bằng các vi cầu nhựa nhiệt dẻo Xenecore. Những lớp da này được gia cố bằng các xương sườn gọi là dầm chữ I. Thiết kế mang tính sinh học vì các xương sườn xòe ra từ một điểm trung tâm, giống như những chiếc lá trên lá cọ.
Các cánh quạt được sản xuất theo quy trình đúc nén một bước sử dụng sợi carbon mô đun cao và nhựa epoxy để tối đa hóa độ bền và độ ổn định, đồng thời chống lại tải trọng gió lớn với trọng lượng nhẹ nhất có thể. Thiết kế monome một mảnh cũng được thiết kế để tối đa hóa độ ổn định và về mặt lý thuyết giúp kéo dài tuổi thọ của lưỡi, vì không có mối nối hoặc chất kết dính nào có thể làm hỏng hoặc mỏi theo thời gian. Hiện tại, phiên bản đầu tiên của những cánh quạt này tương đối nhỏ, có kích thước 3 x 3 feet, với mục tiêu mở rộng quy mô lên kích thước lớn hơn để cạnh tranh với những cánh quạt gió thông thường.
Để sản xuất mỗi lưỡi dao, vải sợi carbon đã cắt được đặt trong khuôn trên và dưới bằng nhôm, và nhiều lớp giấy phim Xenecore được đặt trên mỗi lớp da. Khuôn đóng lại, dưới nhiệt độ và áp suất cao, các vi cầu nở ra thành bọt có cấu trúc nhẹ liên kết với vỏ não. Quá trình này tạo ra một phần duy nhất, liền mạch, không có chất kết dính, di chuyển tự do của dầm chữ I.
Thiết kế tua-bin của Xenecore bao gồm bốn cánh quạt trên mỗi tua-bin, chiếm khoảng 80% diện tích bề mặt có sẵn. Gió đẩy các cánh quạt và quay các cánh quạt, tạo ra năng lượng trong tuabin. Theo sách trắng năm 2021 của cố Tiến sĩ Paulo Abdala, giáo sư hàng không tại Đại học Brasilia, lượng điện được tạo ra chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ gió. Sự chắc chắn của các cánh hình quạt phẳng giúp tạo ra chênh lệch áp suất lớn ở các mặt của cánh, giúp tăng tốc độ gió và khả năng tạo ra điện.
Theo mô phỏng của Xenecore, trong điều kiện lý tưởng, về mặt lý thuyết, quạt có thể thu được tối đa 98% năng lượng gió. Ngoài ra, lưỡi dao được thiết kế để chịu được gió bão và trong các mô phỏng, nó đã chứng minh rằng nó có thể chịu được sức gió lên tới 376 dặm một giờ, cao hơn nhiều so với tốc độ tối đa của một cơn bão. Theo Choe, những cánh quạt này có thể hoạt động trên các tua-bin hiện có mà không cần thay đổi cơ sở hạ tầng hiện có.
Năm 2022, Xenecore bắt đầu sản xuất tua-bin nhỏ 5 kW với cánh quạt 3 x 3 foot và bán chúng cho các nhà phân phối ở Nam Mỹ và trực tuyến trên toàn thế giới. Choe giải thích: “Những hệ thống nhỏ này được thiết kế để thay thế các tấm năng lượng mặt trời tương tự được sử dụng trong gia đình và doanh nghiệp, cung cấp cùng một lượng điện năng, nhưng chúng hoạt động tốt hơn nhiều và chi phí vận hành thấp hơn ba lần.
Các cánh quạt đã được thử nghiệm để tạo ra năng lượng gấp bảy lần so với các tuabin gió thông thường có kích thước tương tự. Hệ thống lớn nhất mà Xenecore đã thử nghiệm là một tuabin 100-kilowatt với các cánh rộng 11 feet. Nó có một phiên bản cấp megawatt trong các tác phẩm.
Choe cho biết có rất nhiều người quan tâm đến các cánh quạt Fanturbine lớn hơn trong tương lai gần, lưu ý rằng công nghệ này có khả năng trang bị thêm cho tuabin Haliade X của GE Pháp, hiện là tuabin lớn nhất, có thể tăng công suất 100-gấp từ 14 megawatt lên 1,4 gigawatt.
Hiện tại, công ty đang tìm kiếm các nhà đầu tư và đối tác để giúp đưa công nghệ lên giai đoạn tiếp theo. Để chứng minh công nghệ, bước tiếp theo của Xenecore là xây dựng và lắp đặt tua-bin 1 MW trên tháp tua-bin gió đã ngừng hoạt động được trang bị thêm.
