Question:
Est-il judicieux d'exploiter l'énergie éolienne dans un avion?
B Uttej
2016-03-08 13:08:29 UTC
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Est-il judicieux d'exploiter l'énergie éolienne dans un avion?

En fait, l'idée est de construire un avion électrique dont la puissance provient du solaire et du vent pendant l'atterrissage de l'avion. au lieu d'utiliser des spoilers comme aérofreins, ces éoliennes montées séparément pourraient ajouter de l'énergie de traînée et de harnais en même temps. En d'autres termes, le freinage par récupération.

Normalement, tous les avions exploitent l'énergie éolienne lorsqu'ils volent avec le vent et non contre lui. Dans une telle situation, l'énergie du vent contribue directement à l'énergie cinétique d'un avion et avec une efficacité étonnante de près de 100%. Mais généralement, un tel apport d'énergie seul est insuffisant pour continuer à voler (sauf les cerfs-volants; par exemple, les planeurs ont besoin d'une portance verticale `` météorologique '').
Cela permet de se rendre compte que l'éolienne fournit une traînée que les moteurs doivent compenser. Vous fournissez donc de l'énergie mécanique des moteurs à la turbine, avec l'air comme milieu intermédiaire. Ais n'est pas un bon moyen pour cela. Il est beaucoup plus efficace de ne pas avoir d'intermédiaire du tout et de coller le générateur directement sur le moteur.
Les avions @kubanczyk: exploitent l'énergie éolienne dans * les deux * directions. Lorsqu'ils volent avec le vent, ils obtiennent une vitesse au sol accrue pour la même puissance. Lorsqu'ils volent contre le vent, ils obtiennent la même portance pour moins de puissance, mais avec moins de vitesse au sol.
@abelenky Il existe des définitions physiques de ce que signifient des mots comme * énergie * et * puissance *. En vol en palier, la portance ne nécessite aucune entrée d'énergie (comme toute force contribuant à un changement de position nul).
Une situation où cela a du sens est un hélicoptère avec une panne de moteur. En autorotation, l'énergie peut être exploitée pendant la descente et stockée dans l'élan des pales. Il est utile à une altitude suffisamment basse.
Vous voudrez peut-être regarder Makani Power.
Bien que cela fonctionne pour le freinage par récupération: les avions ne «freinent» pas assez près pour que cela soit bénéfique.
Onze réponses:
Peter Kämpf
2016-03-08 13:41:06 UTC
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Normalement non: l'extraction d'énergie du flux d'air produit de la traînée, qui doit être surmontée par une poussée supplémentaire. Étant donné que chaque forme de conversion d'énergie produit des pertes, il faut ajouter plus d'énergie de poussée que ce qui peut être obtenu du flux d'air.

Ce n'est que lorsque les moteurs tombent en panne et que les générateurs s'arrêtent de fonctionner qu'il est judicieux d'extraire de l'énergie du flux d'air . Dans les avions, il y a deux applications qui sont entraînées par «l'énergie éolienne»:

  • Les avions plus anciens utilisent des gyroscopes pour l'horizon artificiel qui sont alimentés par de l'air dynamique. De cette façon, les gyroscopes fonctionnent même après une panne de moteur.
  • Les jets utilisent des turbines à air comprimé (RAT), des générateurs à hélice qui sont déplacés dans le flux d'air lorsque tous les autres moyens de production d'électricité et d'énergie hydraulique ont échoué. Notez que cela se fait en vol sans propulsion et augmente le taux de chute.

Deployed RAT

RAT déployé (image source)

Les avions propulsés par des fusées n’ont pas de moyen facile de produire de l’électricité. Le Me-163 B a donc utilisé un petit moulin à vent au bout du fuselage pour entraîner un générateur.

Me-163 B

Me-163 B (image source)


EDIT: Avec le nouvel accent de votre question sur la propulsion électrique, la réponse deviendra différente. Maintenant, vous aurez probablement des hélices alimentées par des moteurs électriques. Pendant l'atterrissage, ceux-ci pourraient fonctionner à l'envers et charger une batterie, qui sera très probablement vide au moment où l'avion atterrit. Cela peut être fait pendant l'approche finale jusqu'à la fin du faux-rond après le toucher des roues. On peut s'attendre à ce que n'importe quel avion électrique ait une L / D élevée, donc déployer des freins de vitesse pour permettre une approche plus raide est logique.

Je serais surpris si un appareil supplémentaire serait économique, cependant. Cette recharge doit être effectuée par le système de propulsion normal, sinon cela ajouterait du poids mort pendant la majeure partie du vol.

Vous avez demandé des formules, mais tout ce que je peux vous fournir ici, ce sont des calculs en arrière-plan. Tout d'abord, il faut dire que les hélices à pas variable seront moche comme des moulins à vent, car leur cambrure et leur torsion sont mauvaises pour le mode moulin à vent. Je m'attendrais à ce que leur efficacité soit d'environ 30%, ce qui signifie que seulement 30% de l'énergie extraite par traînée sera convertie en énergie mécanique qui entraîne le moteur électrique.

Ensuite, faire fonctionner un électrique moteur en tant que générateur exigera à nouveau des compromis. De bons moteurs font de mauvais générateurs, et le recâblage du moteur pour une meilleure performance du générateur dégradera son efficacité en utilisation normale. Vous perdrez rapidement plus que ce que vous gagnez de la phase de vol courte lorsque le moteur inversé a du sens.

Supposons maintenant que vous maintenez votre système de propulsion à une efficacité maximale (par exemple, 90%) et acceptez-le ne convertira que 10% de l'énergie de traînée en énergie électrique. Supposons également que votre futur avion solaire a un L / D de 30 qui doit être réduit à 10 pour une approche pratique. Vous faites cela à partir de 1000 pieds vers le bas et utilisez l'hélice de moulin à vent également pendant le faux-rond. La vitesse d'approche est $ v $, la masse $ m $ et l'énergie initiale de l'avion est 305 $ \ cdot m \ cdot 9.81 + \ frac {m} {2} \ cdot v ^ 2 $. Les deux tiers de l'énergie potentielle vont dans la traînée de l'hélice, et pour être généreux, nous supposons que 100% de l'énergie cinétique ira également dans la traînée de l'hélice, même si la force de freinage des hélices à basse vitesse est vraiment moche et nécessite le soutien de la roue. freins.

La vitesse de vol de votre avion est désormais importante, car cela modifiera le rapport entre l'énergie potentielle et l'énergie cinétique. Pour garder les choses simples, je vais relier les deux à l'énergie nécessaire pour le prochain vol. 10% de l'énergie cinétique complète accélérera l'avion à moins d'un tiers de sa vitesse de vol - après cela, les 91% d'énergie restants pour atteindre $ v $ doivent être ajoutés en chargeant les batteries entre les vols.

L'énergie électrique tirée de l'énergie potentielle vous aidera à monter à 60 pieds ou à maintenir un vol en palier à $ v $ sur une distance de 1800 pieds. À une L / D de 30, l'avion volera sur une distance de 30000 pieds sans poussée, et en freinant, vous extrairez l'énergie pour couvrir 20000 pieds, ce qui à 10% d'efficacité de conversion (et 90% d'efficacité de propulsion!) Vous transportera. à seulement 1800 pieds.

Peut-être qu'à l'avenir, des RAT légers pourraient être déployés lorsque les speedbrakes sont normalement utilisés. L'électricité pourrait ensuite être utilisée pour charger les batteries embarquées. L'électricité pourrait alors être utilisée pour rouler avec les moteurs de. Un Airbus A320 RAT fournit environ 40 kW de puissance électrique à 130 kts. Faire fonctionner 4 d'entre eux pendant 2 minutes, ajouterait environ 5 kWh. Il faudrait probablement 100 kWh pour rouler sur quelques kilomètres, donc cela ne semble pas possible. Il serait peut-être préférable d'installer simplement des générateurs plus gros sur les moteurs et de les laisser générer plus d'électricité lorsque les moteurs sont au ralenti.
Oui, il semble que les éoliennes peuvent agir comme de meilleurs aérofreins par rapport aux spoilers. En d'autres termes, il est appelé freinage régénératif en science électrique. Mais cela a dû avoir des inconvénients et n'a donc pas été pratique. Veuillez considérer ceci et dites-moi pourquoi il n'a pas encore été implémenté.
Entre autres choses, l'objectif général pour lequel les pilotes d'avions de ligne ont tendance à viser est une descente au ralenti, où les moteurs sont au ralenti du sommet de la descente à un point raisonnable en approche finale (en réalité, les considérations ATC signifient que vous ne serez pas toujours tellement parfait). En d'autres termes, le but est d'éviter d'utiliser des aérofreins sauf si nécessaire. Avec votre plan, vous devrez utiliser davantage les moteurs, consommant plus de carburant, afin de pouvoir utiliser vos turbines pour charger une batterie. Ce serait horriblement inefficace.
Une autre façon de penser cela est du point de vue de la gestion de l'énergie. Un aéronef en altitude de croisière a une certaine quantité d'énergie potentielle. Il peut mettre les moteurs au ralenti (parce que les régulateurs et les passagers froncent les sourcils en les éteignant complètement en vol) et glisser vers le sol (ou pour intercepter la pente de toute façon), tout comme une voiture peut finir par s'arrêter si rien n'est dans le façon. Votre turbine retirerait de l'énergie du système, mais cette énergie doit venir de quelque part. Les moteurs et le carburant déjà à bord constituent la seule source d'énergie supplémentaire.
Les voitures peuvent utiliser le freinage régénératif parce que les routes ne sont pas conçues pour permettre à tout le monde de s'arrêter en roue libre sans s'écraser tout le temps, mais les voitures ne sont pas des avions et le ciel n'est pas une route.
@ZachLipton: En tant que physicien, je comprends votre préoccupation pour la loi de conservation de l'énergie. Produire de l'électricité à partir d'un moteur au ralenti en descente nécessite en effet de l'énergie, mais vous la voleriez à la confiance. Les moteurs produisent de toute façon beaucoup trop de confiance dans la descente. C'est parce que vous ne pouvez pas mettre rapidement un moteur en marche pour une remise des gaz. Donc, vous produisez beaucoup trop d'énergie, et cela peut être capturé en toute sécurité. Je ne voudrais pas me soucier d'un RAT, cependant, et voler la puissance directement aux moteurs. L'air n'est pas un bon moyen de transférer l'énergie mécanique.
J'oserais dire que les moteurs sont capables de fournir une puissance plus que suffisante pendant le vol pour charger les batteries qui pourraient être nécessaires pour le taxi électrique une fois de retour au sol. L'inconvénient (à ce stade), est de supporter le poids des batteries et des moteurs nécessaires pour le taxi électrique par rapport au carburant supplémentaire brûlé au sol.
@Peter Kamp F. Votre modification est vraiment raisonnable. Mais veuillez l'expliquer un peu plus en détail à l'aide de calculs, si possible.
@B Uttej vous ne pouvez pas remplacer les spoilers par un RAT, car un spoiler a une double fonction, augmenter la traînée et détruire la portance. Ce dernier est primordial en situation de descente, et est également utilisé pour atteindre des taux de roulement élevés!
@BUttej Vous ne pouvez pas remplacer les spoilers par un RAT, car un spoiler a une double fonction, augmenter la traînée et détruire la portance. Ce dernier est primordial en situation de descente, et est également utilisé pour atteindre des taux de roulement élevés!
De plus, pensez à la rapidité avec laquelle un spoiler peut être rétracté, lorsque vous souhaitez arrêter l'effet de "rupture". Comparez-le avec le cinématisme RAT actuel (ouverture de porte, etc.)
RAT's may also be used for specific purposes that don't involve the actual flying of the plane. For example, certain models of the KC-135 aerial refueling planes have outboard fueling modules on the wings, and the pumps and hose drums on these are powered by a RAT. It does cause increased drag, but that's okay because they're not operating the whole time, only during fueling operations.
Sanchises
2016-03-08 18:11:57 UTC
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La plupart des autres réponses se concentrent sur le vol normal; votre question (mise à jour) porte spécifiquement sur le freinage régénératif. En théorie, oui , c'est possible, en pratique, non , ce n'est vraiment pas une idée pratique.

Concentrons-nous d'abord sur la descente depuis l'altitude de croisière à l'approche finale. Idéalement, cette descente se fait avec des moteurs sur leur réglage de poussée le plus bas (vol au ralenti), ce qui signifie que les moteurs fournissent de la puissance aux différents systèmes électriques et hydrauliques, une mise sous pression et un peu de poussée car vous ne pouvez pas vraiment éviter cela. sur un jet. Théoriquement, cela pourrait être fait par une turbine Ram Air (supposons pour l'instant que notre avion hypothétique est équipé d'une version assez grande qui alimente confortablement tous les systèmes susmentionnés, car un RAT typique ne peut fournir qu'une alimentation de secours limitée). Cependant, cela augmentera considérablement la traînée et pour maintenir la vitesse, le profil de descente sera plus raide. Cela signifie à son tour que l'avion doit passer plus de temps à l'altitude de croisière, ce qui nécessite de l'énergie pour se maintenir.

Une autre façon de voir cela est un simple bilan énergétique: il y a une quantité finie d'énergie potentielle, et peu importe que vous l'utilisiez uniquement pour maintenir la vitesse ou que vous l'utilisiez pour maintenir la vitesse et pour le freinage par récupération, car la quantité totale d'énergie que vous pouvez en extraire est toujours la même.

Bien sûr, il y a un moment où les avions doivent freiner, et c'est après l'atterrissage. Supposons pour l'instant que nous sommes très soucieux de l'environnement et n'utilisons aucun autre moyen de freinage qu'un système de freinage à récupération. L'avion roule toujours à environ, disons, 130 kts, 240 km / h ou 150 mph, alors cela nous donnera sûrement beaucoup d'énergie? Faisons un calcul en bout de ligne pour quelques chiffres que j'ai trouvés pour un Boeing 737-300.

Disons que nous atterrissons avec un poids de 60 000kg (proche de MLW) ​​avec des volets réduits à 15, ce qui nous donne une vitesse d'atterrissage de 158kts = 81,3m / s. La quantité d'énergie cinétique est alors $ \ frac {1} {2} mv ^ 2 \ environ 200 MJ $ (oui, c'est mégajoules!). C'est beaucoup d'énergie, non?! Eh bien pas vraiment. Le kérosène (qui est à peu près le même que le carburéacteur) a une densité d'énergie d'environ 46 MJ / kg. On parle de l'équivalent d'un peu plus de 4 kg de kérosène, sur un avion qui transporte environ 16 000 kg de matériel. Cela signifie que nous régénérons environ 0,025% de la capacité de carburant.

Je laisserai au lecteur le soin de se demander si un système de freinage régénératif pourrait être conçu, tel que le carburant supplémentaire utilisé en raison de son poids et de sa taille est inférieur à 0,025%.

Modifier Refaisons le calcul sur un avion qui dispose en réalité de la plupart des équipements nécessaires (batteries et moteurs électriques pouvant peut-être doubler en alternateurs ou dynamos) à bord: le Solar Impulse 2. Il a une énorme capacité de batterie 4x41kWh (590MJ). En supposant que la vitesse de décollage et d'atterrissage est la même (20 nœuds = 36 km / h = 10 m / s) et avec un poids en charge de 2300 kg, l'énergie cinétique à l'atterrissage est de 115 kJ. Cela représente 0,0195% de la capacité de la batterie - à peu près le même que notre exemple B733! Et notez que cela suppose à nouveau que les hélices récupèrent 100% de l'énergie cinétique ... Cette idée ne fonctionnera jamais. (A titre de comparaison, c'est moins de deux secondes d'énergie générée par le solaire panneaux à leur note maximale respective)

Il est également bon de réaliser que nous parlons d'environ 2 $ de carburant par atterrissage. Combien coûte un système certifié?
«Cela signifie que nous régénérons environ 0,025% de la capacité de carburant.» Voilà la raison n ° 1 pour laquelle cela n'a pas été et ne sera pas mis en œuvre. Cela ne vaut tout simplement pas la peine en termes de dollars, d'économie ou de préoccupations environnementales (n'oubliez pas qu'il faut des ressources naturelles pour produire tous ces composants de freinage régénératifs et en particulier les batteries).
@FreeMan D'autant que l'énergie cinétique est quadratique en vitesse. Pour un atterrissage plus réaliste (40 000kg, 115kts@flaps 40) nous aurions une énergie cinétique de seulement 70MJ. C'est l'équivalent de servir du thé sur un vol British Airways (c'est-à-dire [1 litre de thé par passager] (http://www.wolframalpha.com/input/?i=70MJ%2F (4.18kJ% 2Fkg% 2FK)% 2F80K))
@sanchises, même avec un vol BA rempli de Britanniques, je doute qu'ils puissent passer en moyenne 1 litre de thé par passager. Je ferais ma part pour aider cependant.
Bien sûr, équiper un jet avec un tel système semble inefficace. Mais qu'en est-il des hélices? Ils semblent * beaucoup * plus appropriés pour le travail - ils peuvent être alimentés uniquement par l'électricité, et une dynamo est essentiellement un moteur électrique fonctionnant à l'envers.
@ Les avions commerciaux Édouard [ne seront pas alimentés par des moteurs électriques tant que les batteries ne seront pas beaucoup mieux] (http://aviation.stackexchange.com/a/16982/4108). Sérieusement, même s'ils l'étaient, je pense que le poids des composants électroniques nécessaires pour stocker correctement l'énergie récupérée imposerait une pénalité de carburant supérieure à 0,025% susmentionnée (et avez-vous déjà vu un avion à hélice atterrir à 158 nœuds? Et que diriez-vous d'une turbine? avec une efficacité de 100%? Voir les commentaires ci-dessus; Je pense que pour un engin à hélice, nous parlons de tops 10-20MJ.) Je suis désolé, mais cette idée est ** complètement irréalisable **.
Le PO ne mentionne pas non plus les avions commerciaux. Je ne dis pas que vous avez tort (je pense que vous avez raison, bien que je n’ai franchement aucune compétence en la matière), mais que votre réponse suppose des détails qui vont à l’encontre des prémisses de la question. Ou, si vous le souhaitez, vous dites "vous ne pouvez pas courir" alors que vous pourriez probablement dire "vous ne pouvez même pas ramper". Ce qui rendrait votre réponse déjà excellente encore meilleure.
@ Édouard Et ça?
Jan Hudec
2016-03-08 13:52:08 UTC
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Non, parce que, du point de vue d'un avion volant, le vent n'a pas d'énergie.

Les éoliennes se tiennent au sol et la masse d'air se déplace à une certaine vitesse devant elles, donc il a de l'énergie cinétique. Mais l'avion se déplace par rapport au vent, donc le vent est le cadre de repos et n'a pas d'énergie. Ainsi, lorsque l'avion utilise le flux d'air et / ou la pression de l'air dynamique, il utilise son énergie, pas celle du vent¹.

Maintenant, bien sûr, une turbine montée sur un avion va produire de l'énergie. Mais ce sera au détriment de l'énergie des avions. En vol en palier sous puissance, la puissance provient des moteurs, il est donc plus efficace de l'extraire directement via le générateur monté sur le variateur accessoire. Mais même lorsque l'aéronef descend au ralenti, ce sera au détriment de son énergie potentielle et qui était à l'origine fournie par les moteurs lors de la montée. Arrêter le moteur plus tôt et tout utiliser pour compenser la traînée pendant le plané est plus efficace.

Ceci s'applique à un planeur à moteur solaire comme n'importe quel autre avion. Il est plus efficace d'arrêter les moteurs plus tôt et de glisser autour du meilleur angle de plané que de faire tourner les moteurs plus longtemps et de régénérer ensuite l'énergie, car ni la conversion de l'énergie électrique en énergie potentielle via le moteur et l'hélice, ni la conversion de l'énergie potentielle en énergie électrique via turbine et générateur est particulièrement efficace.

Et cela s'applique même lorsque vous utilisez des thermiques ou tout autre air de levage pour gagner de l'énergie potentielle. Il est encore plus efficace d'éviter de convertir l'énergie et d'utiliser simplement le thermique pour gagner de l'altitude et prolonger la glisse tout en prenant l'énergie électrique directement des panneaux solaires.

De plus, le poids sera un facteur limitant important pour le planeur à moteur solaire. Cela signifie que vous ne pourrez pas installer beaucoup de batteries à bord et cela signifie que le freinage par récupération ne sera pas très utile car vous n'aurez pas beaucoup de capacité pour stocker l'énergie. Cela signifie également que vous voudrez peut-être éviter la turbine dédiée pour gagner du poids; vous serez toujours en mesure de régénérer une partie de l'énergie des hélices éoliennes avec une efficacité légèrement inférieure. Mais comme expliqué, cela n'a pas beaucoup de sens.


La seule fois où les avions utilisent des turbines, c'est en cas d'urgence. Lorsque tous les moteurs tombent en panne, la turbine à air dynamique est utilisée pour alimenter les systèmes électriques et hydrauliques essentiels. Cela raccourcit un peu la distance de vol plané, mais cela en vaut la peine si aucune autre source d'énergie n'est disponible.

En ce qui concerne le vent, la seule utilisation pratique du vent est de choisir la route pour qu'il y ait autant de queue vent pendant la croisière que possible. Par exemple, les Tracés de l'Atlantique Nord sont périodiquement ajustés pour permettre aux vols en direction est d'utiliser le Jet Stream. Dans un sens, cela utilise l'énergie éolienne, car l'avion consomme donc moins de carburant pour se rendre à destination.


¹ L'énergie est une quantité étrange. Il est conservé dans tous les référentiels inertiels, mais certaines de ses formes auront des valeurs différentes dans chacune. Vous pouvez choisir un cadre de référence où le vent a de l'énergie, mais cela aura moins de sens.

@mins, bien, oui. Ce serait toujours au détriment de l'énergie potentielle et donc de la distance de vol plané.
@mins,, bien sûr. Mais si vous possédez une éolienne et extrayez de l'énergie, elle augmente plus lentement que si vous n'en aviez pas.
@mins, il est toujours plus efficace d'utiliser l'énergie du thermique pour gagner de l'altitude et ainsi économiser du carburant que d'en extraire de l'énergie via RAT.
En fait, l'idée est de construire un avion électrique dont la puissance provient du solaire et du vent lors de l'atterrissage de l'avion. au lieu d'utiliser des spoilers comme aérofreins, ces éoliennes montées séparément pourraient ajouter de l'énergie de traînée et de harnais en même temps. En d'autres termes, le freinage régénératif. Veuillez aider avec ceci
@BUttej, Je m'attendrais à ce que les panneaux solaires soient plus efficaces, mais je n'ai fait aucun calcul. Cela impliquerait beaucoup de physique avancée. Le problème avec le freinage par récupération est qu'en raison de contraintes de poids, vous ne pourrez pas transporter beaucoup de batteries, vous ne pourrez donc pas stocker une grande partie de l'énergie.
à l'heure actuelle, l'efficacité des éoliennes est de 38%, tandis que l'énergie solaire en a 20%. Alors, comment les panneaux solaires peuvent-ils être plus efficaces?
@BUttej - votre commentaire sur le freinage régénératif devrait vraiment être dans la question, pour clarifier de quoi vous parlez. Je pense que pour le moment, personne ne répond à la question que vous vouliez vraiment poser.
@Andy Merci pour votre suggestion
@BUttej, à droite, cela n'avait pas beaucoup de sens. En fait, comparer l'efficacité n'a pas de sens ici. Le fait est que si vous voulez de l'électricité, les panneaux solaires le fabriquent à partir d'une source externe, pour laquelle vous n'avez pas d'autre utilisation, donc cela n'a fondamentalement aucun coût, tandis que la turbine la prend sur votre budget énergétique potentiel, ce qui peut être plus efficace. utilisé pour rester en altitude. Même pendant la descente, il est plus efficace d'arrêter d'alimenter votre budget énergétique potentiel plus tôt et de stocker l'énergie produite par les panneaux solaires que de faire fonctionner le moteur à l'énergie solaire et de faire ensuite un freinage régénératif.
@BUttej, a mis à jour la réponse.
«Les voies de l'Atlantique Nord sont périodiquement ajustées pour permettre aux vols en direction est d'utiliser le Jet Stream.» ... et les vols en direction ouest à l'inverse - pour éviter le Jet Stream. http://aviation.stackexchange.com/q/25012/3573
@Jan Hudec, re: votre point sur les thermiques. J'imagine une méthode où un système de freinage à hélice régénérative pourrait produire de l'énergie utile: entrer dans un thermique, monter vers le haut, sortir, allumer le système régénératif en descendant vers le bas, rentrer dans le thermique et répéter jusqu'à ce que les batteries soient complètement accusé. Y a-t-il un défaut avec cela que je ne vois pas?
@Seb, cela fonctionnerait; ce serait plutôt compliqué et les batteries sont lourdes, ce qui limite la quantité d'énergie que vous pouvez stocker.
Dan Hulme
2016-03-08 14:52:32 UTC
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Pour les raisons que d'autres répondants ont dites, cela ne vaut normalement pas la peine, car ce n'est pas vraiment l'énergie éolienne, c'est l'énergie de l'avion.

Une situation où cela Cela vaut la peine de produire de l'électricité lorsqu'il est difficile de tirer directement l'énergie du moteur. Par exemple, l'avion d'époque que je pilote n'avait pas à l'origine de système électrique. Pour alimenter leurs radios et transpondeurs (indispensables pour le vol pratique de nos jours), ils ont été modernisés avec une petite turbine sous le nez. Cela augmente légèrement la traînée de l'avion, mais l'alternative serait d'essayer d'installer un alternateur sur un moteur d'époque, ou de remplacer complètement le moteur, deux modifications beaucoup plus importantes.

J'ai également vu des avions de tourisme qui utilisez de petits générateurs de vent lorsqu'ils sont attachés sur l'aérodrome, probablement pour maintenir la batterie à niveau. Le générateur dans ce cas est une petite éolienne au sommet d'un poteau vertical, semblable à ce que vous pourriez voir sur une péniche ou une caravane. Ils sont retirés et rangés avant le vol, ils ne sont donc pas tout à fait ce à quoi vous pensez, mais ce sont toujours des avions utilisant l'énergie éolienne.

MrBrushy
2016-03-08 19:37:49 UTC
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Je pense que personne n'a vraiment répondu à votre question. Je vais essayer, pour autant que j'ai compris. (Je me demande toujours pourquoi vous avez besoin d'un avion atterri avec des batteries non vides, mais supposons que ce soit pour un ravitaillement plus rapide au décollage d'&?)

Tout d'abord, il est uniquement possible de récolter l'énergie éolienne par rapport au sol) si vous avez accès au sol (vous devez être l'interface entre les deux objets en mouvement). Une éolienne doit être mise à la terre, un voilier est en contact avec l'eau, etc. Pour un avion ce n'est évidemment pas le cas, donc comme dit dans d'autres réponses il est impossible de collecter de l'énergie éolienne gratuite en plein vol .

Cependant, il est possible d'utiliser la vitesse du vent pour récupérer une partie de l'énergie de l ' avion . Rappelons qu'il y a trois réservoirs d'énergie principaux dans un avion (j'utiliserai A320 et TB20 (désolé lien français pour les chiffres) tous deux en croisière dans une mission régulière, il serait bien adapté à tout avion électronique):

  • Énergie cinétique (momentum) - A320 = 2,2GJ / TB20 = 3,5MJ
  • Énergie potentielle (sa hauteur dans la terre champ de gravité) - A320 = 7.7GJ / TB20 = 66MJ
  • Énergie du carburant (nécessaire pour couvrir au moins 1000 nm contre la force de traînée, plus ce qui précède) - A320 = 180GJ. / TB20 = 1000MJ

Comme vous pouvez le voir, l'énergie du carburant dans un avion classique éclipse vraiment l'énergie potentielle d'environ 20 pour 1, et le potentiel dépasse la cinétique d'environ 10 pour 1. C'est la partie de voyage qui coûte le plus, et malheureusement, les avions sont en quelque sorte conçus expressément pour voyager: D

Puisque ce que vous aviez l'habitude de voyager (contre la traînée) ne peut jamais être récupéré , seuls le surplus cinétique et potentiel à la fin de la mission peuvent l'être. Vous proposez d'effectuer la descente et l'atterrissage avec les éoliennes. Supposons que vous ayez l'éolienne pour le travail. Vous ne pouvez récupérer l'énergie cinétique que pendant l'approche et l'atterrissage, et l'énergie potentielle pendant la descente à vitesse constante. Même si vous parvenez à récupérer toute l'énergie, vous n'obtenez qu'environ 5% de ce que vous avez utilisé dans toute votre mission! (et j'ai utilisé 100% d'efficacité partout, le système complet devrait être efficace à près de 20% y compris la turbine, les générateurs, le bloc d'alimentation, les batteries, etc. donc nous parlons vraiment de 1% de retour d'énergie net).


Cela dit, il pourrait être une utilisation pour une éolienne dans des missions très spécifiques, mais vous seriez prob. laissez tomber les panneaux solaires. Je pense aux avions de parachutisme. Mission: allez très vite, laissez tomber vos copains, descendez, répétez.

Pour cela, la demande d'énergie n'est pas très élevée puisque vous ne voyagez pas . une exigence de mission de 2x pot. énergie pour:

  • Accélérez
  • Montez en altitude
  • Battez la traînée en montant mais pas en voyageant. Ensuite, vous aurez 1x pot. énergie + 1x énergie cinétique à récupérer, et les chiffres changent un peu: il y a 50% d'énergie disponible à récupérer, donc avec 20% d'efficacité, environ 10% de la totalité de l'apport peut être réduit.

Je dis de laisser tomber les panneaux solaires, car ce sera très gourmand en énergie et les panneaux solaires ont juste une densité d'énergie trop faible

Remarque: densité d'énergie de un système est chargé d'énergie / masse à bord. Pour les batteries et le carburant, c'est simple, pour les panneaux solaires c'est différent: plus la mission est longue, plus l'énergie produite est élevée, plus la densité de puissance est élevée. Cette mission est si courte qu'elle n'en vaut pas la peine.


TL; DR : Sauf si vous avez une mission très étrange, il n'y a tout simplement pas assez d'énergie (~ 1% ) à collectionner pour valoir la peine d'apporter quelques éoliennes pour toute une mission itinérante.

Steve Jessop
2016-03-08 18:12:12 UTC
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Les avions se déplacent assez vite (dans certains cas très ) et ont beaucoup de traînée. Donc, ils utilisent beaucoup d'énergie juste pour naviguer.

Le freinage régénératif vous permet de capter, en tant que limite supérieure absolue, toute l'énergie cinétique et l'énergie potentielle gravitationnelle dont l'avion a lorsqu'il commence sa descente puis une considération d'efficacité aussi, donc ce sera en fait moins que cela). Le travail que vous avez effectué pendant le vol pour vaincre la traînée à vitesse de croisière est parti quoi qu'il arrive. Alors première chose: toute traînée que votre doohickey ajoute à l'avion alors qu'il ne freine pas, coûte de l'énergie pendant tout le vol. Supposons qu'il soit en quelque sorte rangé, tout comme le train d'atterrissage peut l'être, et imaginons que cela va un peu encombrer l'avion mais que cela ne ruinera pas totalement l'aérodynamisme.

Maintenant, sur un vol typique quelle proportion de carburant utilisée est utilisée pour atteindre l'altitude et la vitesse de croisière? Je ne sais pas vraiment, et bien sûr cela dépend de la durée du vol entre autres, mais je suis sûr que certains pilotes réels pourraient intervenir avec des chiffres approximatifs.

L'énergie pour se lever est une limite supérieure (encore une fois, les moteurs sont inefficaces) sur la quantité d'énergie que vous pouvez extraire du processus de descente. Ainsi, cette proportion de carburant utilisée pour se lever met une limite supérieure absolue sur la proportion par laquelle le freinage par récupération peut éventuellement réduire les besoins énergétiques totaux de votre avion à énergie solaire. Et c'est avant de considérer les inefficacités des deux processus (les moteurs et les freins régénératifs). Donc, pour inventer complètement certains chiffres, en supposant que le décollage représente 25% de carburant pour un trajet particulier et que le rendement combiné est de 50%, alors le freinage par récupération pourrait peut-être réduire les besoins énergétiques de 12,5%. Cela semble intéressant à première vue, mais (a) j'ai choisi ce que je pense être des nombres trop importants, et (b) nous n'avons pas encore payé pour le mécanisme qui le fait.

Les batteries (ou autre) qui stockent l'énergie des freins peuvent-elles stocker plus d'énergie qu'il n'en coûte de les ajouter à l'avion, transportant ainsi un poids plus important jusqu'à l'altitude en premier lieu, et l'énergie perdue en croisière à la traînée supplémentaire imposée par l'incorporation de l'ensemble du système? Dans le pire des cas où ils ne peuvent pas, vous avez fait une perte nette en ajoutant le freinage régénératif.

Le freinage régénératif fonctionne raisonnablement bien pour les voitures, en particulier en ville, car elles ralentissent fréquemment et donc elles Par ailleurs, dispersez beaucoup d'énergie cinétique indésirable sous forme de chaleur. Pour une approximation approximative, les avions ne ralentissent qu'une fois par trajet. Et je pense qu'il est plus difficile de capter efficacement l'énergie lorsque vous freinez contre l'air plutôt que contre le frottement statique sur la route, et donc l'efficacité du système dans l'avion sera beaucoup inférieure à celle pour une voiture. Donc je ne pense pas que votre plan soit en bon état pour le moment :-)

pjc50
2016-03-08 16:54:16 UTC
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La manière normale d'exploiter l'énergie de l'air dans un avion est un glider.

L ' article wikipedia le couvre assez bien: trouver une zone où l'air monte et utilisez-la pour soulever l'avion. Il n'y a pas de conversion d'énergie sophistiquée sur l'avion, tout est fait directement par les surfaces de levage.

Des avions à énergie solaire ont été construits, bien que les compromis nécessaires signifient qu'ils ne le sont pas pourtant populaire. Certaines entreprises technologiques envisagent la possibilité d'utiliser des avions solaires automatisés à haute endurance comme relais radio pour connecter des régions éloignées à Internet.

Downvoter parce que les informations fournies dans cette réponse - bien qu'intéressantes - ne répondent pas à la question: comment exploiter l'énergie du mouvement vers l'avant de l'avion dans les airs.
J'ai voté pour sortir des sentiers battus. Les planeurs récoltent effectivement l'énergie du vent. Vent vertical, c'est. Tout avion électrique pourrait faire pire que d'utiliser cette énergie. Les avions électriques ont une faible densité d'énergie, ils volent donc lentement et ont la forme d'un planeur. Voler comme un planeur aurait plus de sens pour eux.
GHB
2016-03-08 21:06:55 UTC
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Réponse très courte

Est-il judicieux d'exploiter l'énergie éolienne dans un avion?

Je suppose que vous entendez par "énergie éolienne", extraire l'énergie du "flux d'air". En théorie oui, uniquement en descente, si vous pouvez prouver une conception qui apporte des avantages en termes d'énergie, de complexité, d'économie. En pratique, vous disposez de marges très minces avec votre solution, et seulement « un cas » lorsque la récolte d’énergie a du sens.

Little Longer Réponse

Analysons l'idée:

... de construire un avion électrique dont la puissance provient du solaire et du vent pendant l'atterrissage de l'avion.

Pendant que l'avion atterrit, il descend de l'altitude "croisière" vers l'aéroport. En théorie, cela n'aurait pas besoin de "puissance supplémentaire", puisque vous avez beaucoup d'énergie potentielle, vous pourriez simplement utiliser cette énergie potentielle pour " planer " vers l'aéroport, comme le font les planeurs. Une note importante , l'énergie nécessaire pour atteindre l'altitude de "croisière" a déjà été dépensée, par exemple, ce que fait Solar Impulse 2 est de monter et recharger les batteries pendant la journée, et glissez et utilisez l ' énergie-des-batteries pendant la nuit. Ne sous-estimez pas l'efficacité de la manœuvre de vol à voile pendant la nuit, avec l'altitude vous gagnez beaucoup d'énergie potentielle! Vous ne gagneriez pas la même énergie en la récupérant à partir du flux d'air parce que vous transformez cette énergie potentielle en énergie électrique avec une chaîne de transformation qui vous apporte quelques pertes.

Cela dit, le cas unique quand il est logique de récolter de l'énergie en descente, c'est le moment où vous devez perdre de l'altitude en un "court" laps de temps (et non glisser vers le sol, ce qui serait le plus solution efficace). Dans ce cas, il est souhaitable et possible de " récolter " de l'énergie, ce que vous proposez est:

Au lieu d'utiliser des spoilers comme aérofreins, ces éoliennes montées séparément pourraient ajouter de la traînée et de l'énergie en même temps. En d'autres termes, le freinage régénératif.

C'est correct, cela se fait de la même manière avec les turbines Ram Air en situation d'urgence (pas de puissance) sur des jets plus gros . Sur un avion à hélice à pas variable, vous pouvez théoriquement modifier le pas de l'hélice pour la faire fonctionner comme des moulins à vent, de sorte que vous n'ayez pas besoin d'ajouter plus de complexité et de poids. Si vous avez un moteur électrique entraînant les hélices, vous pourriez potentiellement l'utiliser comme générateur. Si vous ajoutez des "éoliennes", ou tout autre système supplémentaire, vous devez vous assurer que:

  • L'énergie pour faire voler le poids supplémentaire du système pendant toute la mission est inférieure à l'énergie qui le système vous aide à récolter
  • Le coût de l'énergie récoltée vous aide à réduire le coût du système dans un laps de temps raisonnable.

Une dernière remarque: Spoilers sont utilisés non seulement pour ajouter de la traînée mais même pour réduire la portance , le cas d'utilisation principal ici est la descente (d'urgence ou non)!

AkariAkaori
2016-03-09 10:16:19 UTC
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Les avions génèrent de la portance en augmentant la vitesse, tandis que les moissonneuses-batteuses génèrent de l'énergie en diminuant la vitesse, de sorte qu'ils seraient en concurrence les uns avec les autres.

En supposant qu'il y ait un moyen d'éviter ce problème, cela doivent également stocker cette énergie, et les batteries de grande capacité sont incompatibles avec les exigences d'un avion à la fois pour une énergie spécifique élevée et une puissance spécifique élevée.

Dale Robinson
2017-09-12 19:47:51 UTC
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Mon entreprise vient d'obtenir un brevet pour un système de régénération à cellules énergétiques pour les aéronefs à propulsion électrique (9 mai 2017).

Un système de régénération correctement conçu et efficace peut inverser suffisamment la physique prohibitive pour un gain net et être un ajout intéressant à un avion électrique. Une clé est de concevoir une zone de pression plus basse sous un venturi de capot et d'exploiter une partie du souffle d'hélice en vol (il y en a) il tornade autour du fuselage mais sous le capot est, combiné à la vitesse de l'avion, une source de cinétique énergie.

La turbine est une conception centrifuge et est cachée sous un blister qui rend le système presque sans traînée lorsqu'il n'est pas utilisé. Le PMA peut produire 3 kW et pèse 19 livres. L'ensemble du système pèse 31 livres et comprend un contrôleur mosfet et un inverseur Buck Boost de conception similaire à ceux trouvés sur la Prius de Toyota. Il existe un module de super condensateur Maxwell léger comme "chargeur". La puissance générée par le système charge probablement une batterie au lithium qui a été conçue pour être chargée et déchargée simultanément (voir le brevet), grâce à un algorithme géré par le contrôleur. Plus le système sera léger et accélérons la charge en réduisant la résistance interne de la batterie, plus il sera efficace et pratique.

Nous n'avons pas été autorisés à le tester en vol, mais les calculs dérivés d'un mulet Cessna 152 indiquent un bon potentiel de régénération. Il peut être utilisé comme système de sauvetage, pendant la descente, ou lorsque cela est pratique pour ajuster le pas de l'hélice. . Le brevet est sur le marché. Brevet #US 9,643,729 B2

Harper - Reinstate Monica
2018-02-06 10:10:52 UTC
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Ce sera intégré et presque obligatoire.

Votre question a une hypothèse intégrée: l'énergie régénératrice est utile. La seule façon dont cela serait utile est si le système de propulsion (ou une partie de celui-ci) était électrique. Par définition, nous devons donc faire référence à un avion à propulsion électrique .

Aussi vraisemblablement, nous ne lançons pas la technologie de l'ère 1880 dans le ciel. Cela signifie que nous utilisons des moteurs AC avec entraînement vectoriel de flux, c'est-à-dire de gros semi-conducteurs synthétisant des ondes sinusoïdales triphasées à partir de DC.

Si la fréquence du variateur est la même que la vitesse du moteur, c'est inerte - aucun courant ne circule et aucune poussée n'est effectuée. Si une fréquence plus élevée, cela applique de la puissance. S'il est encore plus élevé, il applique plus de puissance. S'il est plus lent, il se régénère. S'il est plus lent, il régénère davantage.

Donc, si vous avez un moteur électrique AC, vous avez déjà regen. Terminé!

Ce sera essentiellement une inversion de poussée. Où pouvez-vous l'utiliser? Les pentes de glisse sont conçues très peu profondes, vous aurez donc généralement besoin de puissance tout en bas. Regardez comment ils pilotent le C-17, ils auraient besoin de repenser les approches pour être comme ça, ce qui les rendrait également exclusifs aux machines électriques et aux machines à inversion de poussée en vol comme le C-17.



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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