Saat negara-negara seperti Amerika Serikat mengumumkan kebijakan dan tujuan yang berfokus pada peningkatan kapasitas energi terbarukan, ada peluang untuk teknologi energi terbarukan yang baru dan lebih baik. Xenecore, sebuah perusahaan yang berbasis di New York City yang mengembangkan bilah turbin angin yang lebih efisien dengan kemampuan menangkap energi yang lebih tinggi, menggunakan keahliannya dalam komponen komposit untuk merancang dan mengembangkan bilah angin berbentuk kipas berbasis resistansi.
Xenecore didirikan pada tahun 2010 oleh Jerry Choe, CEO dan pendiri perusahaan, melalui penggunaan teknologi material dalam aplikasi barang olahraga untuk mengembangkan raket tenis komposit serat karbon, dan membentuk sejumlah paten. Untuk mencapai raket tenis serat karbon dengan performa dan kekuatan tinggi saat memukul bola, dan untuk meminimalkan dampak raket pada lengan, setelah 18-bulan masa pengembangan, dia dan timnya mengembangkan bahan dan process solution, yang sekarang dipasarkan dengan nama dagang Xenecore, produk mikrosfer termoplastik yang dapat digunakan sebagai inti struktural untuk komponen komposit.
Mengikuti kesuksesan awal ini, perusahaan banyak berinvestasi dalam optimalisasi lebih lanjut teknologi mikrosfer termoplastik dan dianugerahi lebih dari 250 paten di seluruh dunia. Perusahaan menemukan bahwa penggunaan produk Xenecore dapat melampaui raket tenis ke peluang baru untuk aplikasi lain, seperti bilah drone dan, baru-baru ini, bilah turbin angin berbasis resistensi.
Sekitar dua tahun lalu, Choe dan tim Xenecore mulai menyelidiki bagaimana teknologi proses dan produk perusahaan dapat digunakan untuk mengembangkan bilah turbin angin. Saat ini, sebagian besar turbin angin memiliki bilah berbentuk pesawat ramping yang menghasilkan listrik terutama dari gaya angkat. Saat angin melewati bilah, tekanan rendah yang terbentuk di satu sisi bilah menarik bilah tegak lurus terhadap arah angin, menyebabkan bilah memutar rotor, mentransfer energi ke turbin untuk menghasilkan listrik.
Bilah ini biasanya terbuat dari kulit fiberglass, dan pada bilah yang lebih panjang didukung oleh tutup SPAR sayap komposit serat karbon. Bilah angin biasanya ditempatkan dalam cetakan terbuka, disuntikkan dengan vakum, dan kemudian dirakit bersama menggunakan jaring geser, inti busa, dan perekat.
Namun, kincir angin paling awal terlihat sangat berbeda, menampilkan bilah kayu lebar, datar, berbentuk kipas yang menghasilkan listrik melalui hambatan, dengan angin yang langsung digunakan untuk mendorong bilah ke arah angin. Ketika turbin angin pertama kali ditemukan, semua orang menggunakan hambatan karena dapat menangkap lebih banyak angin. Tapi bilah pertama ini menjadi masalah karena bahan yang digunakan, karena kincir angin paling awal dibuat dengan bahan yang lembut dan kurang tahan lama seperti kain.
Pada tahun 1919, fisikawan Jerman Albert Bates menerbitkan Hukum Bates yang sekarang terkenal tentang tangkapan angin dan desain bilah. Menurut undang-undang ini, bilah hanya dapat menangkap maksimal 59 persen energi angin menggunakan gaya angkat. Teori ini mempengaruhi bentuk sayap pesawat dan bilah turbin angin untuk memaksimalkan daya angkat dan meminimalkan hambatan, dengan menggunakan desain tipis melengkung yang masih populer hingga saat ini.
Menurut Choe, tingkat penangkapan energi 59 persen adalah maksimum teoritis karena sebenarnya turbin angin menangkap energi jauh lebih efisien, tetapi tidak maksimum untuk material saat ini. Karena komposit fiberglass dan serat karbon yang digunakan saat ini lebih kuat dan lebih ringan, kinerjanya jauh lebih baik daripada bahan logam yang digunakan untuk membuat bilah dan sayap di zaman Bates. Oleh karena itu, mengingat properti material yang ada telah dioptimalkan, desain terbaik sekarang mungkin tidak efisien dan tidak lagi memenuhi persyaratan.
Perlu dicatat bahwa ada sejumlah desain bilah angin berbasis resistensi yang telah digunakan sejak lama, seperti turbin angin vertikal tipe Savonius, yang menampilkan dua bilah berbentuk cangkir yang berputar di sekitar turbin pusat. Turbin ini umumnya jauh lebih tidak efisien daripada turbin berbasis lift karena, dalam pengaturan vertikal, kedua bilah sebenarnya menghalangi sebagian angin yang dapat ditangkap oleh separuh bilah lainnya. Namun, desainnya yang sederhana dan kemampuannya untuk menangkap energi di daerah berangin rendah membuatnya populer untuk turbin di lingkungan rumah atau komersial.
Choe dan timnya mulai mengembangkan turbin angin horizontal yang lebih baru yang memaksimalkan tarikan dan, yang paling penting, menggunakan material komposit canggih.
Salah satu tantangan awal yang dihadapi tim Xenecore adalah karena turbin berbasis lift telah menjadi standar, perangkat lunak simulasi saat ini hanya digunakan untuk menganalisis kinerja turbin berbasis lift. Choe dan timnya mencoba sejumlah alat analitik dan akhirnya menggunakan perangkat lunak dinamika fluida komputasi Ansys Fluent untuk memodelkan perilaku angin pada bilahnya.
Menggunakan model ini, tujuannya adalah untuk mengembangkan bilah yang dapat menangkap tarikan maksimum, menghasilkan listrik di dalam turbin, dan pada saat yang sama menahan beban angin yang tinggi dengan bobot sesedikit mungkin. Tim Xenecore pertama kali mencoba membuat bilah komposit serat karbon padat, tetapi kekuatannya tidak bagus, bahkan pelat serat karbon padat dapat pecah di bawah angin kencang.
Akhirnya, Xenecore merancang satu bilah berbentuk kipas, yang disebut Fanturbine, yang terdiri dari kulit atas dan bawah yang dilapisi dengan mikrosfer termoplastik Xenecore. Kulit ini diperkuat dengan tulang rusuk yang disebut balok-I. Desainnya bionik karena tulang rusuknya menyebar dari titik pusat, seperti daun pada daun palem.
Blade diproduksi dalam proses pencetakan kompresi satu langkah menggunakan serat karbon modulus tinggi dan resin epoksi untuk memaksimalkan kekuatan dan stabilitas, serta untuk menahan beban angin yang tinggi dengan bobot yang seringan mungkin. Desain monomer satu bagian juga dirancang untuk memaksimalkan stabilitas dan secara teoritis memperpanjang umur blade, karena tidak ada sambungan atau perekat yang dapat rusak atau lelah seiring waktu. Saat ini, versi pertama bilah ini berukuran relatif kecil, berukuran 3 kali 3 kaki, dengan tujuan meningkatkan ukuran yang lebih besar untuk bersaing dengan bilah angin konvensional.
Untuk menghasilkan setiap bilah, kain serat karbon yang dipotong ditempatkan dalam cetakan atas dan bawah aluminium, dan beberapa lapis kertas film Xenecore ditempatkan di atas setiap kulit. Cetakan menutup, dan di bawah suhu dan tekanan tinggi, mikrosfer mengembang menjadi busa struktural ringan yang mengikat korteks. Proses ini menghasilkan satu bagian I-beam tunggal yang mulus, bebas pengikat, bergerak bebas.
Desain turbin Xenecore terdiri dari empat bilah kipas pada setiap turbin, mencakup sekitar 80 persen dari luas permukaan yang tersedia. Angin mendorong bilah dan memutar rotor, yang menghasilkan energi di turbin. Menurut buku putih 2021 oleh mendiang Dr. Paulo Abdala, profesor penerbangan di Universitas Brasilia, jumlah listrik yang dihasilkan sangat bergantung pada kecepatan angin. Kekokohan bilah berbentuk kipas datar membantu menciptakan perbedaan tekanan yang tajam di sisi bilah, yang meningkatkan kecepatan angin dan pembangkit listrik.
Menurut simulasi Xenecore, dalam kondisi ideal, kipas secara teoritis dapat mencapai maksimum 98 persen penangkapan energi angin. Selain itu, bilahnya dirancang untuk menahan angin topan, dan dalam simulasi, bilah ini terbukti mampu menahan angin hingga 376 mil per jam, jauh di atas kecepatan tertinggi badai. Menurut Choe, sudu-sudu tersebut dapat beroperasi pada turbin yang sudah ada tanpa mengubah infrastruktur yang sudah ada.
Pada tahun 2022, Xenecore mulai memproduksi turbin kecil 5 kW dengan bilah 3 x 3 kaki dan menjualnya ke distributor di Amerika Selatan dan online di seluruh dunia. Sistem kecil ini dirancang untuk menggantikan panel surya berdaya serupa yang digunakan di rumah dan bisnis, memberikan jumlah daya yang sama, tetapi kinerjanya jauh lebih baik dan biaya pengoperasiannya tiga kali lebih murah, jelas Choe.
Baling-baling tersebut telah diuji untuk menghasilkan tenaga tujuh kali lebih banyak daripada turbin angin konvensional dengan ukuran yang sama. Sistem terbesar yang telah diuji Xenecore adalah turbin 100-kilowatt dengan bilah selebar 11 kaki. Ini memiliki versi tingkat megawatt dalam karya.
Choe mengatakan ada banyak minat pada bilah Fanturbine yang lebih besar dalam waktu dekat, mencatat bahwa teknologi tersebut memiliki potensi untuk retrofit turbin Haliade X GE Prancis, yang saat ini terbesar, yang dapat meningkatkan kapasitasnya 100-lipat, dari 14 megawatt menjadi 1,4 gigawatt.
Saat ini, perusahaan sedang mencari investor dan mitra untuk membantu membawa teknologi ke tahap selanjutnya. Untuk membuktikan teknologinya, langkah Xenecore selanjutnya adalah membangun dan memasang turbin 1 MW pada menara turbin angin retrofit yang telah dinonaktifkan.
