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)碳纖維復合材料網球拍，并形成了多項專利技術。為了實現碳纖維網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，現在以Xenecore商品名進行上市銷售，這是一種熱塑性微球產品，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Xenecore產品的使用范圍可以從網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。

　　

　　

　　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品開發(fā)風力渦輪機葉片。現如今，大多數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)表了他現在著名的關于風捕獲和葉片設計的貝茨定律。根據這一定律，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葉片和機翼的金屬材料性能要好得多。因此，考慮到現有的材料性能已經得到優(yōu)化提升，當初最好的設計現如今可能效率很低，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。

　　

　　

　　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。

　　

　　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，從而在渦輪機中產生能量。根據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生陡峭的壓差，這會增加風速和發(fā)電量。

　　

　　根據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有基礎設施的情況下在現有渦輪機上運行。