隨著美國(guó)等國(guó)宣布以提高可再生能源能力為重點(diǎn)的政策和目標(biāo)，一些涉及新型改進(jìn)的可再生能源技術(shù)就獲得了一定的機(jī)遇。美國(guó)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(fēng)力渦輪機(jī)葉片的公司，該公司正在利用其復(fù)合材料零件領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)并開發(fā)基于阻力的扇形風(fēng)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(yīng)用中使用材料技術(shù)研發(fā)碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)球拍，并形成了多項(xiàng)專利技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)碳纖維網(wǎng)球拍在擊球時(shí)具有高性能和高功率，而且要盡量減輕球拍對(duì)手臂的影響，經(jīng)過18個(gè)月的開發(fā)期，他和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種材料和工藝解決方案，現(xiàn)在以Xenecore商品名進(jìn)行上市銷售，這是一種熱塑性微球產(chǎn)品，可以用作復(fù)合材料零件的結(jié)構(gòu)芯。
在取得上述初步的成功之后，該公司在熱塑性微球技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化上投入了大量資金，并在全球獲得了250多項(xiàng)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(kuò)展到其他應(yīng)用的新機(jī)遇，如無人機(jī)葉片以及最近設(shè)計(jì)的基于阻力的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。
傳統(tǒng)風(fēng)電葉片的特點(diǎn)及缺陷
大約兩年前，Choe和Xenecore團(tuán)隊(duì)開始研究如何利用該公司的工藝技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。現(xiàn)如今，大多數(shù)風(fēng)力渦輪機(jī)都有細(xì)長(zhǎng)的飛機(jī)翼形葉片，這些葉片主要利用升力發(fā)電。當(dāng)風(fēng)經(jīng)過葉片時(shí)，葉片一側(cè)形成的較低壓力垂直于風(fēng)向拉動(dòng)葉片，使其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，將能量轉(zhuǎn)移到渦輪機(jī)中發(fā)電。
這些葉片通常由玻璃纖維蒙皮制成，而且在較長(zhǎng)的葉片中由碳纖維復(fù)合材料翼梁帽支撐。風(fēng)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(fēng)車看起來非常不同，其特點(diǎn)是寬、平、扇形的木制葉片通過阻力發(fā)電，風(fēng)力直接用于將葉片推向風(fēng)的方向。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)剛發(fā)明時(shí)，每個(gè)人都在使用阻力，因?yàn)樗懿东@更多的風(fēng)。但由于使用的材料，這些第一批葉片是一個(gè)問題，因?yàn)樽钤绲娘L(fēng)車是用柔軟、不太耐用的材料（如布）建造的。
1919年，德國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特·貝茨發(fā)表了他現(xiàn)在著名的關(guān)于風(fēng)捕獲和葉片設(shè)計(jì)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(fēng)動(dòng)能的59%。這一理論影響了飛機(jī)機(jī)翼和風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的形狀，使升力最大化，阻力最小化，采用薄而彎曲的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)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?yàn)閷?shí)際的風(fēng)力渦輪機(jī)捕獲能量的效率要低得多，但這個(gè)所謂最大值并非是針對(duì)當(dāng)今材料的最大值。因?yàn)槿缃袷褂玫牟ＡЮw維和碳纖維復(fù)合材料更堅(jiān)固、更輕，比貝茨時(shí)代用于生產(chǎn)葉片和機(jī)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(dāng)初最好的設(shè)計(jì)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(fēng)力葉片設(shè)計(jì)長(zhǎng)期以來一直在使用，例如Savonius式垂直風(fēng)力渦輪機(jī)，其特點(diǎn)是兩個(gè)杯狀葉片圍繞中心渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。這些渦輪機(jī)通常比基于升力的渦輪機(jī)效率低得多，因?yàn)樵诖怪痹O(shè)置中，兩個(gè)葉片實(shí)際上阻擋了葉片另一半可以捕獲的一些風(fēng)。然而，它們的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)和在低風(fēng)區(qū)捕獲能量的能力使它們?cè)诩彝セ蛏虡I(yè)環(huán)境中的渦輪機(jī)中很受歡迎。
Choe和他的團(tuán)隊(duì)著手開發(fā)一種更新的水平風(fēng)力渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)可以最大限度地利用阻力，最重要的是它使用了先進(jìn)的復(fù)合材料。
風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)
Xenecore團(tuán)隊(duì)早期面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，由于基于升力的渦輪機(jī)已成為標(biāo)準(zhǔn)，因此如今的模擬軟件僅用于分析基于升力的風(fēng)機(jī)的性能。Choe和他的團(tuán)隊(duì)嘗試了許多分析工具，并最終使用Ansys Fluent計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)風(fēng)在葉片上的行為進(jìn)行建模。
利用這些模型，其目標(biāo)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(jī)內(nèi)發(fā)電，同時(shí)以盡可能小的重量承受高風(fēng)荷載。Xenecore團(tuán)隊(duì)首先嘗試制造一種固體碳纖維復(fù)合材料葉片，但比強(qiáng)度并不好，即使是固態(tài)碳纖維板也會(huì)在高風(fēng)力下斷裂。
最終，Xenecore設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)是仿生的，因?yàn)槔邚闹行狞c(diǎn)呈扇形，很像棕櫚葉上的葉子。
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(qiáng)度和穩(wěn)定性，并以盡可能輕的重量抵抗高風(fēng)荷載。一體式單體設(shè)計(jì)還旨在最大限度地提高穩(wěn)定性，并在理論上延長(zhǎng)葉片的壽命，因?yàn)闆]有接縫或粘合劑會(huì)隨著時(shí)間的推移而損壞或疲勞。目前，這些葉片的第一個(gè)版本相對(duì)較小，尺寸為3×3英尺，目標(biāo)是擴(kuò)大到更大的尺寸，以與傳統(tǒng)的風(fēng)力葉片競(jìng)爭(zhēng)。
為了生產(chǎn)好每一個(gè)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(gè)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(jié)合的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)泡沫。該工藝生產(chǎn)出一個(gè)單一的、無縫的、無粘合劑的、I型梁自由活動(dòng)的單體零件。
Xenecore的渦輪機(jī)設(shè)計(jì)包括每個(gè)渦輪機(jī)上的四個(gè)風(fēng)扇葉片，覆蓋了約80%的可用表面積。風(fēng)推動(dòng)葉片，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而在渦輪機(jī)中產(chǎn)生能量。根據(jù)已故巴西利亞大學(xué)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(fēng)速。扁平扇形葉片的堅(jiān)固性有助于在葉片兩側(cè)產(chǎn)生陡峭的壓差，這會(huì)增加風(fēng)速和發(fā)電量。
根據(jù)Xenecore的模擬，在理想條件下，風(fēng)機(jī)理論上可以達(dá)到最大98%的風(fēng)能捕獲。此外，該葉片的設(shè)計(jì)可以承受颶風(fēng)級(jí)的風(fēng)，在模擬中，它被證明可以承受高達(dá)每小時(shí)376英里的風(fēng)速，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于颶風(fēng)的最高速度。Choe表示：這些葉片可以在不改變現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的情況下在現(xiàn)有渦輪機(jī)上運(yùn)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(jī)，并將其銷售給南美的分銷商，并在全球范圍內(nèi)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(yùn)行成本低三倍。
經(jīng)過測(cè)試，這些葉片發(fā)電量是類似尺寸的傳統(tǒng)風(fēng)電葉片的七倍。Xenecore測(cè)試過的最大系統(tǒng)是一臺(tái)100千瓦的渦輪機(jī)，葉片寬11英尺。它有一個(gè)兆瓦級(jí)別版本在設(shè)計(jì)中。
Choe表示，在不久的將來，人們對(duì)更大的Fanturbine葉片很感興趣，并指出這項(xiàng)技術(shù)有可能改裝法國(guó)通用電氣GE目前最大的Haliade X渦輪機(jī)，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(shù)推向下一階段。為了證明這項(xiàng)技術(shù)，Xenecore下一步的目標(biāo)是在改造退役的風(fēng)力渦輪機(jī)塔架上建造并安裝一臺(tái)1兆瓦的渦輪機(jī)。
