隨著美國等國宣布以提高可再生能源能力為重點的政策和目標，一些涉及新型改進的可再生能源技術就獲得了一定的機遇。美國紐約市Xenecore公司是一家致力于開發(fā)具有更高能量捕獲能力的更高效風力渦輪機葉片的公司，該公司正在利用其復合材料零件領域的專業(yè)知識，設計并開發(fā)基于阻力的扇形風力葉片。

Xenecore公司成立于2010年，起初公司首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Jerry Choe通過在體育用品應用中使用材料技術研發(fā)碳纖維復合材料網(wǎng)球拍，并形成了多項專利技術。為了實現(xiàn)碳纖維網(wǎng)球拍在擊球時具有高性能和高功率，而且要盡量減輕球拍對手臂的影響，經(jīng)過18個月的開發(fā)期，他和他的團隊開發(fā)了一種材料和工藝解決方案，現(xiàn)在以Xenecore商品名進行上市銷售，這是一種熱塑性微球產(chǎn)品，可以用作復合材料零件的結構芯。

在取得上述初步的成功之后，該公司在熱塑性微球技術的進一步優(yōu)化上投入了大量資金，并在全球獲得了250多項專利。該公司發(fā)現(xiàn)Xenecore產(chǎn)品的使用范圍可以從網(wǎng)球拍擴展到其他應用的新機遇，如無人機葉片以及最近設計的基于阻力的風力渦輪機葉片。

Xenecore正在開發(fā)一種扇形、基于阻力的風力渦輪機，即使在低風中也有可能實現(xiàn)高能量捕獲

傳統(tǒng)風電葉片的特點及缺陷

大約兩年前，Choe和Xenecore團隊開始研究如何利用該公司的工藝技術和產(chǎn)品開發(fā)風力渦輪機葉片。現(xiàn)如今，大多數(shù)風力渦輪機都有細長的飛機翼形葉片，這些葉片主要利用升力發(fā)電。當風經(jīng)過葉片時，葉片一側形成的較低壓力垂直于風向拉動葉片，使其旋轉轉子，將能量轉移到渦輪機中發(fā)電。

這些葉片通常由玻璃纖維蒙皮制成，而且在較長的葉片中由碳纖維復合材料翼梁帽支撐。風電葉片通常放置在開放式模具中，真空注入，然后使用抗剪腹板、泡沫芯和粘合劑組裝在一起。

然而，最早的風車看起來非常不同，其特點是寬、平、扇形的木制葉片通過阻力發(fā)電，風力直接用于將葉片推向風的方向。當風力渦輪機剛發(fā)明時，每個人都在使用阻力，因為它能捕獲更多的風。但由于使用的材料，這些第一批葉片是一個問題，因為最早的風車是用柔軟、不太耐用的材料（如布）建造的。

1919年，德國物理學家阿爾伯特·貝茨發(fā)表了他現(xiàn)在著名的關于風捕獲和葉片設計的貝茨定律。根據(jù)這一定律，葉片使用升力最多只能捕獲風動能的59%。這一理論影響了飛機機翼和風力渦輪機葉片的形狀，使升力最大化，阻力最小化，采用薄而彎曲的設計，這種設計至今仍很流行。

根據(jù)Choe的說法，上述59%的能量捕獲率只是理論上的最大值，因為實際的風力渦輪機捕獲能量的效率要低得多，但這個所謂最大值并非是針對當今材料的最大值。因為如今使用的玻璃纖維和碳纖維復合材料更堅固、更輕，比貝茨時代用于生產(chǎn)葉片和機翼的金屬材料性能要好得多。因此，考慮到現(xiàn)有的材料性能已經(jīng)得到優(yōu)化提升，當初最好的設計現(xiàn)如今可能效率很低，不再滿足要求。

值得注意的是，有許多基于阻力的風力葉片設計長期以來一直在使用，例如Savonius式垂直風力渦輪機，其特點是兩個杯狀葉片圍繞中心渦輪機旋轉。這些渦輪機通常比基于升力的渦輪機效率低得多，因為在垂直設置中，兩個葉片實際上阻擋了葉片另一半可以捕獲的一些風。然而，它們的簡單設計和在低風區(qū)捕獲能量的能力使它們在家庭或商業(yè)環(huán)境中的渦輪機中很受歡迎。

Choe和他的團隊著手開發(fā)一種更新的水平風力渦輪機，該渦輪機可以最大限度地利用阻力，最重要的是它使用了先進的復合材料。

風電葉片結構的現(xiàn)代化設計

Xenecore團隊早期面臨的一個挑戰(zhàn)是，由于基于升力的渦輪機已成為標準，因此如今的模擬軟件僅用于分析基于升力的風機的性能。Choe和他的團隊嘗試了許多分析工具，并最終使用Ansys Fluent計算流體動力學軟件對風在葉片上的行為進行建模。

利用這些模型，其目標是開發(fā)一種可以最大限度地捕獲阻力的葉片，可在渦輪機內發(fā)電，同時以盡可能小的重量承受高風荷載。Xenecore團隊首先嘗試制造一種固體碳纖維復合材料葉片，但比強度并不好，即使是固態(tài)碳纖維板也會在高風力下斷裂。

最終，Xenecore設計了一種單體扇形葉片，稱為Fanturbine，由頂部和底部表皮組成，表面覆蓋有Xenecore熱塑性微球。這些外皮用被稱為工字鋼的肋骨加固。該設計是仿生的，因為肋從中心點呈扇形，很像棕櫚葉上的葉子。

Xenecore受到棕櫚葉的力量和紋理的啟發(fā)，開發(fā)了從中心向外扇動的肋結構

葉片采用一步壓縮成型工藝制造，使用高模量碳纖維和環(huán)氧樹脂以最大限度地提高強度和穩(wěn)定性，并以盡可能輕的重量抵抗高風荷載。一體式單體設計還旨在最大限度地提高穩(wěn)定性，并在理論上延長葉片的壽命，因為沒有接縫或粘合劑會隨著時間的推移而損壞或疲勞。目前，這些葉片的第一個版本相對較小，尺寸為3×3英尺，目標是擴大到更大的尺寸，以與傳統(tǒng)的風力葉片競爭。

為了生產(chǎn)好每一個葉片，將切割好的碳纖維織物放入鋁制頂部和底部模具中，并將多層Xenecore薄膜紙放置在每個皮層的頂部。模具閉合，在高溫和高壓下，微球膨脹成與皮層結合的輕質結構泡沫。該工藝生產(chǎn)出一個單一的、無縫的、無粘合劑的、I型梁自由活動的單體零件。

Xenecore的渦輪機設計包括每個渦輪機上的四個風扇葉片，覆蓋了約80%的可用表面積。風推動葉片，使轉子旋轉，從而在渦輪機中產(chǎn)生能量。根據(jù)已故巴西利亞大學航空教授Paulo Abdala博士2021年的一份白皮書，發(fā)電量在很大程度上取決于風速。扁平扇形葉片的堅固性有助于在葉片兩側產(chǎn)生陡峭的壓差，這會增加風速和發(fā)電量。

根據(jù)Xenecore的模擬，在理想條件下，風機理論上可以達到最大98%的風能捕獲。此外，該葉片的設計可以承受颶風級的風，在模擬中，它被證明可以承受高達每小時376英里的風速，遠遠高于颶風的最高速度。Choe表示：這些葉片可以在不改變現(xiàn)有基礎設施的情況下在現(xiàn)有渦輪機上運行。

未來的發(fā)展?jié)摿?/strong>

2022年，Xenecore開始生產(chǎn)3×3英尺葉片的5千瓦小型渦輪機，并將其銷售給南美的分銷商，并在全球范圍內在線銷售。Choe解釋說，這些小型系統(tǒng)旨在取代用于住宅和企業(yè)的功率相似的太陽能電池板，提供同等的功率，但它們的性能要好得多，運行成本低三倍。

經(jīng)過測試，這些葉片發(fā)電量是類似尺寸的傳統(tǒng)風電葉片的七倍。Xenecore測試過的最大系統(tǒng)是一臺100千瓦的渦輪機，葉片寬11英尺。它有一個兆瓦級別版本在設計中。

Choe表示，在不久的將來，人們對更大的Fanturbine葉片很感興趣，并指出這項技術有可能改裝法國通用電氣GE目前最大的Haliade X渦輪機，這可以將其容量增加100倍，從14兆瓦增加到1.4千兆瓦。

目前，該公司正在尋找投資者和合作伙伴，以幫助將該技術推向下一階段。為了證明這項技術，Xenecore下一步的目標是在改造退役的風力渦輪機塔架上建造并安裝一臺1兆瓦的渦輪機。

來源：碳纖維及其復合材料技術