طراحی توربین بادی مبتنی بر بکسل برای جذب انرژی بالاتر

از آنجایی که کشورهایی مانند ایالات متحده سیاست ها و اهداف متمرکز بر افزایش ظرفیت انرژی های تجدیدپذیر را اعلام می کنند، فرصت هایی برای فناوری های جدید و بهبود یافته انرژی های تجدیدپذیر وجود دارد. Xenecore، یک شرکت مستقر در نیویورک که در حال توسعه پره‌های توربین بادی کارآمدتر با قابلیت جذب انرژی بالاتر است، از تخصص خود در قطعات کامپوزیتی برای طراحی و توسعه پره‌های باد به شکل فن مبتنی بر مقاومت استفاده می‌کند.

Xenecore در سال 2010 توسط جری چو، مدیرعامل و موسس شرکت، از طریق استفاده از فناوری مواد در برنامه‌های کاربردی کالاهای ورزشی برای توسعه راکت‌های تنیس کامپوزیت فیبر کربنی تأسیس شد و تعداد زیادی پتنت ثبت کرد. به منظور دستیابی به راکت تنیس فیبر کربنی با کارایی و قدرت بالا در هنگام ضربه زدن به توپ، و به حداقل رساندن ضربه راکت به بازو، پس از یک دوره توسعه 18-ماهه، او و تیمش مواد و موادی را توسعه دادند. محلول فرآیند، که اکنون با نام تجاری Xenecore به بازار عرضه می شود، یک محصول میکروکره ترموپلاستیک که می تواند به عنوان هسته ساختاری برای قطعات کامپوزیتی استفاده شود.

به دنبال این موفقیت‌های اولیه، این شرکت سرمایه‌گذاری زیادی در بهینه‌سازی بیشتر فناوری میکروکره‌های گرمانرم انجام داد و بیش از ۲۵۰ پتنت در سراسر جهان دریافت کرد. این شرکت دریافت که استفاده از محصولات Xenecore می‌تواند فراتر از راکت‌های تنیس به فرصت‌های جدید برای کاربردهای دیگر، مانند پره‌های هواپیماهای بدون سرنشین و اخیراً، تیغه‌های توربین بادی مبتنی بر مقاومت گسترش یابد.

حدود دو سال پیش، Choe و تیم Xenecore شروع به بررسی چگونگی استفاده از فناوری فرآیند و محصولات این شرکت برای توسعه پره‌های توربین بادی کردند. امروزه بیشتر توربین‌های بادی دارای پره‌های باریکی به شکل هواپیما هستند که الکتریسیته را عمدتاً از بالابر تولید می‌کنند. با عبور باد از میان پره‌ها، فشار کمتری که در یک طرف پره‌ها ایجاد می‌شود، تیغه‌ها را عمود بر جهت باد می‌کشد و باعث می‌شود که روتورها را بچرخانند و انرژی را برای تولید برق به توربین منتقل کنند.

این تیغه ها معمولاً از پوست فایبرگلاس ساخته می شوند و در تیغه های بلندتر توسط کلاهک بال کامپوزیت فیبر کربنی SPAR پشتیبانی می شوند. تیغه های باد معمولاً در یک قالب باز قرار می گیرند، با خلاء تزریق می شوند و سپس با استفاده از یک شبکه برشی، هسته فوم و چسب به هم مونتاژ می شوند.

با این حال، اولین آسیاب‌های بادی بسیار متفاوت به نظر می‌رسیدند، دارای تیغه‌های چوبی پهن، مسطح و بادکنکی بودند که از طریق مقاومت، برق تولید می‌کردند و باد مستقیماً برای فشار دادن تیغه‌ها در جهت باد استفاده می‌شد. زمانی که توربین های بادی برای اولین بار اختراع شدند، همه از درگ استفاده می کردند زیرا باد بیشتری را جذب می کرد. اما این اولین تیغه ها به دلیل مواد مورد استفاده مشکل ساز بودند، زیرا اولین آسیاب های بادی با مواد نرم و کم دوام مانند پارچه ساخته می شدند.

در سال 1919، آلبرت بیتس، فیزیکدان آلمانی، قانون بیتس معروف خود را در مورد جذب باد و طراحی تیغه منتشر کرد. طبق این قانون، تیغه تنها می تواند حداکثر 59 درصد از انرژی باد را با استفاده از بالابر جذب کند. این تئوری بر شکل بال‌های هواپیما و پره‌های توربین بادی تأثیر گذاشت تا با استفاده از طرح‌های نازک و خمیده‌ای که امروزه نیز رایج هستند، نیروی برش را به حداکثر رسانده و نیروی کشش را به حداقل برساند.

به گفته چوئه، نرخ جذب انرژی 59 درصدی یک حداکثر تئوری است، زیرا توربین‌های بادی واقعی انرژی را با کارایی بسیار کمتری جذب می‌کنند، اما این حداکثر برای مواد امروزی نیست. از آنجایی که کامپوزیت‌های فایبرگلاس و فیبر کربنی که امروزه استفاده می‌شوند قوی‌تر و سبک‌تر هستند، عملکرد بسیار بهتری نسبت به مواد فلزی مورد استفاده برای ساخت تیغه‌ها و بال‌ها در زمان بیتس دارند. بنابراین، با توجه به اینکه خواص مواد موجود بهینه شده است، بهترین طراحی ممکن است اکنون ناکارآمد باشد و دیگر الزامات را برآورده نکند.

شایان ذکر است که تعدادی از طرح های تیغه باد مبتنی بر مقاومت وجود دارد که برای مدت طولانی مورد استفاده قرار گرفته اند، مانند توربین بادی عمودی نوع Savonius که دارای دو تیغه فنجانی است که در اطراف یک توربین مرکزی می چرخند. این توربین‌ها معمولاً کارایی کمتری نسبت به توربین‌های مبتنی بر بالابر دارند، زیرا در یک تنظیم عمودی، دو پره در واقع بخشی از باد را که نیمه دیگر پره می‌تواند جذب کند، مسدود می‌کند. با این حال، طراحی ساده و توانایی آنها در جذب انرژی در مناطق کم باد باعث محبوبیت آنها برای توربین های خانگی یا تجاری شده است.

چو و تیمش به دنبال توسعه یک توربین بادی افقی جدیدتر شدند که کشش را به حداکثر می رساند و مهمتر از همه از مواد کامپوزیتی پیشرفته استفاده می کند.

یکی از چالش‌های اولیه تیم Xenecore این بود که از آنجایی که توربین‌های مبتنی بر بالابر به استاندارد تبدیل شده‌اند، نرم‌افزار شبیه‌سازی امروزی فقط برای تحلیل عملکرد توربین‌های مبتنی بر بالابر استفاده می‌شود. چو و تیمش تعدادی ابزار تحلیلی را امتحان کردند و در نهایت از نرم‌افزار دینامیک سیالات محاسباتی Ansys Fluent برای مدل‌سازی رفتار باد بر روی تیغه استفاده کردند.

با استفاده از این مدل‌ها، هدف توسعه تیغه‌ای است که بتواند حداکثر کشش را جذب کند، برق درون توربین تولید کند و در عین حال بارهای باد زیاد را با کمترین وزن ممکن تحمل کند. تیم Xenecore ابتدا سعی کرد یک تیغه کامپوزیت فیبر کربن جامد بسازد، اما استحکام آن خوب نبود، حتی صفحات فیبر کربن جامد نیز می توانند تحت باد شدید بشکنند.

در نهایت، Xenecore یک تیغه فن شکل به نام Fanturbine طراحی کرد که از یک پوسته بالا و پایین با میکروکره های گرمانرم Xenecore تشکیل شده است. این پوسته ها با دنده هایی به نام I-beams تقویت می شوند. این طرح بیونیک است، زیرا دنده ها از یک نقطه مرکزی به بیرون می آیند، دقیقاً مانند برگ های روی برگ خرما.

تیغه ها در یک فرآیند قالب گیری فشرده سازی یک مرحله ای با استفاده از فیبر کربن با مدول بالا و رزین های اپوکسی برای به حداکثر رساندن استحکام و پایداری و مقاومت در برابر بارهای باد شدید با کمترین وزن ممکن ساخته می شوند. طراحی مونومر یک تکه نیز برای به حداکثر رساندن پایداری و از نظر تئوری افزایش طول عمر تیغه طراحی شده است، زیرا هیچ اتصال یا چسبی وجود ندارد که در طول زمان آسیب ببیند یا خسته شود. در حال حاضر، اولین نسخه از این تیغه ها نسبتا کوچک است و ابعاد آن 3 در 3 فوت است و هدف آن افزایش اندازه تا اندازه بزرگتر برای رقابت با تیغه های باد معمولی است.

برای تولید هر تیغه، پارچه فیبر کربن برش خورده در یک قالب آلومینیومی بالا و پایین قرار داده می شود و چندین لایه کاغذ فیلم Xenecore روی هر پوست قرار می گیرد. قالب بسته می شود و تحت دما و فشار بالا، میکروسفرها به یک فوم ساختاری سبک وزن منبسط می شوند که به قشر می چسبد. این فرآیند یک بخش منفرد، بدون درز، بدون چسب و بدون حرکت آزاد از پرتو I تولید می کند.

طراحی توربین Xenecore شامل چهار پره فن در هر توربین است که تقریباً 80 درصد از سطح موجود را پوشش می دهد. باد پره ها را هل می دهد و روتورها را می چرخاند که باعث ایجاد انرژی در توربین می شود. بر اساس مقاله سفید سال 2021 توسط مرحوم دکتر پائولو ابدالا، استاد هوانوردی در دانشگاه برازیلیا، میزان برق تولید شده تا حد زیادی به سرعت باد بستگی دارد. استحکام تیغه های مسطح فن شکل به ایجاد اختلاف فشار شدید در طرفین تیغه ها کمک می کند که سرعت باد و تولید برق را افزایش می دهد.

طبق شبیه سازی های Xenecore، در شرایط ایده آل، فن از نظر تئوری می تواند حداکثر 98 درصد انرژی باد را جذب کند. علاوه بر این، تیغه برای مقاومت در برابر بادهای طوفانی طراحی شده است، و در شبیه سازی ها، ثابت شد که در برابر بادهایی با سرعت 376 مایل در ساعت، بسیار بالاتر از حداکثر سرعت یک طوفان، مقاومت می کند. به گفته Choe، این پره ها می توانند روی توربین های موجود بدون تغییر زیرساخت های موجود کار کنند.

در سال 2022، Xenecore شروع به تولید توربین های کوچک 5 کیلوواتی با پره های 3×3 فوت کرد و آنها را به توزیع کنندگان در آمریکای جنوبی و به صورت آنلاین در سراسر جهان فروخت. چو توضیح داد که این سیستم‌های کوچک برای جایگزینی پنل‌های خورشیدی برق مشابهی که در خانه‌ها و مشاغل استفاده می‌شوند، طراحی شده‌اند و همان مقدار انرژی را ارائه می‌کنند، اما عملکرد بسیار بهتری دارند و سه برابر هزینه کمتری برای اجرا دارند.

پره ها برای تولید هفت برابر بیشتر از توربین های بادی معمولی با اندازه مشابه آزمایش شده اند. بزرگترین سیستمی که Xenecore آزمایش کرده است یک توربین 100-کیلوواتی با پره هایی به عرض ۱۱ فوت است. نسخه ای در سطح مگاوات در دست ساخت دارد.

چو گفت که علاقه زیادی به پره های فنتوربین بزرگتر در آینده نزدیک وجود دارد، و اشاره کرد که این فناوری پتانسیل بازسازی توربین Haliade X جنرال الکتریک فرانسه را دارد که در حال حاضر بزرگترین آن است که می تواند ظرفیت آن را 100- برابر از ۱۴ افزایش دهد. مگاوات تا 1.4 گیگاوات.

در حال حاضر، این شرکت به دنبال سرمایه گذاران و شرکای برای کمک به انتقال این فناوری به مرحله بعدی است. برای اثبات این فناوری، قدم بعدی Xenecore ساخت و نصب یک توربین 1 مگاواتی بر روی یک برج توربین بادی از کار افتاده است.