Wrth i wledydd fel yr Unol Daleithiau gyhoeddi polisïau a nodau sy'n canolbwyntio ar gynyddu gallu ynni adnewyddadwy, mae cyfleoedd ar gyfer technolegau ynni adnewyddadwy newydd a gwell. Mae Xenecore, cwmni o Ddinas Efrog Newydd sy'n datblygu llafnau tyrbinau gwynt mwy effeithlon gyda galluoedd dal ynni uwch, yn defnyddio ei arbenigedd mewn rhannau cyfansawdd i ddylunio a datblygu llafnau gwynt siâp ffan sy'n seiliedig ar ymwrthedd.
Sefydlwyd Xenecore yn 2010 gan Jerry Choe, Prif Swyddog Gweithredol a sylfaenydd y cwmni, trwy ddefnyddio technoleg materol mewn cymwysiadau nwyddau chwaraeon i ddatblygu racedi tenis cyfansawdd ffibr carbon, a ffurfiodd nifer o batentau. Er mwyn cyflawni raced tenis ffibr carbon gyda pherfformiad uchel a phwer wrth daro'r bêl, ac i leihau effaith y raced ar y fraich, ar ôl 18-cyfnod datblygu o fis, datblygodd ef a'i dîm ddeunydd a datrysiad proses, sydd bellach yn cael ei farchnata dan yr enw masnach Xenecore, sef cynnyrch microsffer thermoplastig y gellir ei ddefnyddio fel craidd strwythurol ar gyfer rhannau cyfansawdd.
Yn dilyn y llwyddiannau cychwynnol hyn, buddsoddodd y cwmni'n helaeth mewn optimeiddio pellach o dechnoleg microsffer thermoplastig a dyfarnwyd mwy na 250 o batentau iddo ledled y byd. Canfu'r cwmni y gallai'r defnydd o gynhyrchion Xenecore ymestyn y tu hwnt i racedi tennis i gyfleoedd newydd ar gyfer cymwysiadau eraill, megis llafnau drôn ac, yn fwy diweddar, llafnau tyrbinau gwynt sy'n seiliedig ar wrthiant.
Tua dwy flynedd yn ôl, dechreuodd Choe a thîm Xenecore edrych ar sut y gellid defnyddio technoleg prosesau a chynhyrchion y cwmni i ddatblygu llafnau tyrbinau gwynt. Heddiw, mae gan y rhan fwyaf o dyrbinau gwynt lafnau siâp awyrennau main sy'n cynhyrchu trydan yn bennaf o lifft. Wrth i'r gwynt fynd trwy'r llafnau, mae'r pwysau is a ffurfiwyd ar un ochr i'r llafnau yn tynnu ar y llafnau sy'n berpendicwlar i gyfeiriad y gwynt, gan achosi iddynt gylchdroi'r rotorau, gan drosglwyddo ynni i'r tyrbin i gynhyrchu trydan.
Mae'r llafnau hyn fel arfer wedi'u gwneud o groen gwydr ffibr, ac mewn llafnau hirach fe'u cefnogir gan gap SPAR adain cyfansawdd ffibr carbon. Mae llafnau gwynt fel arfer yn cael eu gosod mewn mowld agored, wedi'u chwistrellu â gwactod, ac yna'n cael eu cydosod gyda'i gilydd gan ddefnyddio gwe cneifio, craidd ewyn, a gludiog.
Roedd y melinau gwynt cynharaf, fodd bynnag, yn edrych yn wahanol iawn, yn cynnwys llafnau pren llydan, gwastad, siâp ffan a oedd yn cynhyrchu trydan trwy wrthiant, gyda'r gwynt yn cael ei ddefnyddio'n uniongyrchol i wthio'r llafnau i gyfeiriad y gwynt. Pan ddyfeisiwyd tyrbinau gwynt gyntaf, roedd pawb yn defnyddio llusgo oherwydd ei fod yn dal mwy o wynt. Ond roedd y llafnau cyntaf hyn yn broblem oherwydd y deunyddiau a ddefnyddiwyd, gan fod y melinau gwynt cynharaf wedi'u hadeiladu gyda deunyddiau meddal, llai gwydn fel brethyn.
Ym 1919, cyhoeddodd y ffisegydd Almaenig Albert Bates ei Bates Law sydd bellach yn enwog ar ddal gwynt a dylunio llafnau. Yn ôl y gyfraith hon, dim ond uchafswm o 59 y cant o'r ynni gwynt gan ddefnyddio lifft y gall y llafn ei ddal. Dylanwadodd y ddamcaniaeth hon ar siâp adenydd awyrennau a llafnau tyrbinau gwynt i wneud y mwyaf o lifft a lleihau llusgo, gan ddefnyddio dyluniadau crwm, tenau sy'n dal yn boblogaidd heddiw.
Yn ôl Choe, mae'r gyfradd dal ynni o 59 y cant yn uchafswm damcaniaethol oherwydd bod tyrbinau gwynt gwirioneddol yn dal ynni'n llawer llai effeithlon, ond nid dyma'r uchafswm ar gyfer deunyddiau heddiw. Oherwydd bod y cyfansoddion gwydr ffibr a ffibr carbon a ddefnyddir heddiw yn gryfach ac yn ysgafnach, maent yn perfformio'n llawer gwell na'r deunyddiau metel a ddefnyddir i wneud llafnau ac adenydd yn nyddiau Bates. Felly, o ystyried bod eiddo deunyddiau presennol wedi'u optimeiddio, efallai y bydd y dyluniad gorau bellach yn aneffeithlon ac nad yw bellach yn bodloni'r gofynion.
Mae'n werth nodi bod yna nifer o ddyluniadau llafn gwynt yn seiliedig ar wrthwynebiad sydd wedi'u defnyddio ers amser maith, megis tyrbin gwynt fertigol math Savonius, sy'n cynnwys dau lafn siâp cwpan sy'n cylchdroi o amgylch tyrbin canolog. Yn gyffredinol, mae'r tyrbinau hyn yn llawer llai effeithlon na thyrbinau lifft oherwydd, mewn gosodiad fertigol, mae'r ddau lafn mewn gwirionedd yn rhwystro rhywfaint o'r gwynt y gall hanner arall y llafn ei ddal. Fodd bynnag, mae eu dyluniad syml a'u gallu i ddal ynni mewn ardaloedd gwynt isel yn eu gwneud yn boblogaidd ar gyfer tyrbinau mewn amgylcheddau cartref neu fasnachol.
Aeth Choe a'i dîm ati i ddatblygu tyrbin gwynt llorweddol mwy newydd sy'n cynyddu llusgo ac, yn bwysicaf oll, yn defnyddio deunyddiau cyfansawdd datblygedig.
Un o'r heriau cynnar a wynebodd tîm Xenecore oedd, ers i dyrbinau lifft ddod yn safonol, mai dim ond i ddadansoddi perfformiad tyrbinau lifft y defnyddir meddalwedd efelychu heddiw. Rhoddodd Choe a'i dîm gynnig ar nifer o offer dadansoddol ac yn y pen draw defnyddiodd feddalwedd dynameg hylif cyfrifiadol Ansys Fluent i fodelu ymddygiad y gwynt ar y llafn.
Gan ddefnyddio'r modelau hyn, y nod yw datblygu llafn a all ddal y llusgo mwyaf, cynhyrchu trydan y tu mewn i'r tyrbin, ac ar yr un pryd wrthsefyll llwythi gwynt uchel gyda chyn lleied o bwysau â phosib. Ceisiodd tîm Xenecore yn gyntaf wneud llafn cyfansawdd ffibr carbon solet, ond nid oedd y cryfder yn dda, gall hyd yn oed platiau ffibr carbon solet dorri o dan wyntoedd uchel.
Yn olaf, dyluniodd Xenecore lafn siâp ffan sengl, o'r enw Fanturbine, yn cynnwys croen uchaf a gwaelod wedi'i orchuddio â microsfferau thermoplastig Xenecore. Atgyfnerthir y crwyn hyn ag asennau o'r enw I-beams. Mae'r dyluniad yn fionic oherwydd bod yr asennau'n gwyntio allan o bwynt canolog, yn debyg iawn i'r dail ar ddeilen palmwydd.
Mae'r llafnau'n cael eu cynhyrchu mewn proses fowldio cywasgu un cam gan ddefnyddio ffibr carbon modwlws uchel a resinau epocsi i wneud y mwyaf o gryfder a sefydlogrwydd, ac i wrthsefyll llwythi gwynt uchel gyda'r pwysau ysgafnaf posibl. Mae'r dyluniad monomer un darn hefyd wedi'i gynllunio i wneud y mwyaf o sefydlogrwydd ac ymestyn bywyd y llafn yn ddamcaniaethol, gan nad oes unrhyw gymalau na gludyddion a all niweidio neu flinder dros amser. Ar hyn o bryd, mae'r fersiwn gyntaf o'r llafnau hyn yn gymharol fach, yn mesur 3 wrth 3 troedfedd, gyda'r nod o raddio hyd at faint mwy i gystadlu â llafnau gwynt confensiynol.
I gynhyrchu pob llafn, gosodir y ffabrig ffibr carbon wedi'i dorri mewn mowld uchaf a gwaelod alwminiwm, a gosodir haenau lluosog o bapur ffilm Xenecore ar ben pob croen. Mae'r mowld yn cau, ac o dan dymheredd a gwasgedd uchel, mae'r microsfferau'n ehangu i ewyn strwythurol ysgafn sy'n clymu i'r cortecs. Mae'r broses yn cynhyrchu un rhan sengl ddi-dor o'r I-beam, heb rwymwr, sy'n symud yn rhydd.
Mae dyluniad tyrbin Xenecore yn cynnwys pedwar llafn gwyntyll ar bob tyrbin, sy'n gorchuddio tua 80 y cant o'r arwynebedd sydd ar gael. Mae'r gwynt yn gwthio'r llafnau ac yn troelli'r rotorau, sy'n creu egni yn y tyrbin. Yn ôl papur gwyn yn 2021 gan y diweddar Dr Paulo Abdala, athro hedfan ym Mhrifysgol Brasilia, mae faint o drydan a gynhyrchir yn dibynnu i raddau helaeth ar gyflymder y gwynt. Mae cadernid y llafnau fflat siâp ffan yn helpu i greu gwahaniaethau pwysedd serth ar ochrau'r llafnau, sy'n cynyddu cyflymder gwynt a chynhyrchu pŵer.
Yn ôl efelychiadau Xenecore, o dan amodau delfrydol, yn ddamcaniaethol gallai'r gefnogwr gyflawni uchafswm o 98 y cant o ddal ynni gwynt. Yn ogystal, mae'r llafn wedi'i gynllunio i wrthsefyll gwyntoedd grym corwynt, ac mewn efelychiadau, profodd i wrthsefyll gwyntoedd o hyd at 376 milltir yr awr, ymhell uwchlaw cyflymder uchaf corwynt. Yn ôl Choe, gall y llafnau hyn weithredu ar dyrbinau presennol heb newid y seilwaith presennol.
Yn 2022, dechreuodd Xenecore gynhyrchu tyrbinau bach 5 kW gyda llafnau 3 x 3 troedfedd a'u gwerthu i ddosbarthwyr yn Ne America ac ar-lein ledled y byd. Mae'r systemau bach hyn wedi'u cynllunio i ddisodli paneli solar pŵer tebyg a ddefnyddir mewn cartrefi a busnesau, gan ddarparu'r un faint o bŵer, ond maent yn perfformio'n llawer gwell ac yn costio tair gwaith yn llai i'w rhedeg, esboniodd Choe.
Mae'r llafnau wedi cael eu profi i gynhyrchu saith gwaith yn fwy o bŵer na thyrbinau gwynt confensiynol o faint tebyg. Y system fwyaf y mae Xenecore wedi'i phrofi yw tyrbin cilowat 100- gyda llafnau 11 troedfedd o led. Mae ganddo fersiwn lefel megawat yn y gweithiau.
Dywedodd Choe fod llawer o ddiddordeb mewn llafnau Fanturbine mwy yn y dyfodol agos, gan nodi bod gan y dechnoleg y potensial i ôl-osod tyrbin Haliade X Ffrengig GE, y mwyaf ar hyn o bryd, a allai gynyddu ei gapasiti 100-plyg, o 14 megawat i 1.4 gigawat.
Ar hyn o bryd, mae'r cwmni'n chwilio am fuddsoddwyr a phartneriaid i helpu i fynd â'r dechnoleg i'r cam nesaf. Er mwyn profi'r dechnoleg, cam nesaf Xenecore yw adeiladu a gosod tyrbin 1 MW ar dwr tyrbin gwynt wedi'i ddadgomisiynu ôl-ffitio.
