Är det vettigt att utnyttja vindkraft på ett flygplan?

Normalt inte: Att extrahera energi från luftflödet ger drag, vilket måste övervinnas med ökad dragkraft. Eftersom varje form av energiomvandling ger förluster, måste mer tryckkraft läggas till än vad som kan hämtas från luftflödet.

Bara när motorerna misslyckas och generatorerna slutar springa är det meningsfullt att extrahera energi från luftflödet. I flygplan finns det två applikationer som drivs av "vindenergi":

• Äldre flygplan använder gyros för den artificiella horisonten som drivs av ramluft. På så sätt fungerar gyros även efter ett motorfel.
• Jets använder Ram Air Turbines (RAT), propellstyrda generatorer som flyttas in i luftflödet när alla andra sätt att generera el och hydraulkraft har misslyckats. Observera att detta görs i obefintlig flygning och ökar diskbänken.

UtveckladRAT(bild källa )

Rakettdrivna flygplan har inget enkelt sätt att generera el, så Me-163 B använde en liten väderkvarn vid skottets spets för att driva en generator.

Me-163B(bild källa )

EDIT: Med din fråga nya fokus på elektrisk framdrivning blir svaret annorlunda. Nu har du troligtvis propellrar som drivs av elmotorer. Under landningen kan de springa inverterade och ladda ett batteri, vilket sannolikt kommer att vara tomt när flygplanet landar. Detta kan göras under sista tillvägagångssättet fram till slutet av runout efter touchdown. Det kan förväntas att alla elektriska flygplan ska ha en hög L / D, så att man använder hastighetsbromsar för att möjliggöra en brantare tillvägagångssätt är meningsfullt.

Jag skulle bli förvånad om en ytterligare enhet skulle vara ekonomisk, dock. Denna laddning måste ske med det vanliga framdrivningssystemet, eller det skulle lägga till dödvikt under större delen av flygningen.

Du bad om formler, men allt jag kan ge här är några kalkylberäkningar. För det första måste man säga att variabla propellrar kommer vara elaka som väderkvarnar, eftersom deras camber och twist är felaktiga för vindkraftläge. Jag förväntar mig att effektiviteten är cirka 30%, vilket innebär att endast 30% av den energi som extraheras av drag kommer att omvandlas till mekanisk energi som driver elmotorn.

Nästa, köra en elektrisk motor som generator kommer att kräva igen kompromisser. Goda motorer gör dåliga generatorer, och omriktningen av motorn för bättre generatorns prestanda kommer att försämra dess effektivitet vid normal användning. Du kommer snabbt att förlora mer än vad du får från den korta flygfasen när du kör motorn omvänd och är meningsfull.

Låt oss nu anta att du håller framdrivningssystemet högst effektivt (säg 90%) och accepterar att det bara kommer att konvertera 10% av dragenergin till elektrisk energi. Låt oss också anta att ditt potentiella solplan har en L / D på 30 som behöver minskas till 10 för ett praktiskt tillvägagångssätt. Du gör detta från 1000 ft nedåt och använder vindmillings propellern också under runout. Tillvägagångshastigheten är $ v $, massan är $ m $ och flygplanets initiala energi är $ 305 \ cdot m \ cdot 9.81 + \ frac {m} {2} \ cdot v ^ 2 $. Två tredjedelar av den potentiella energin går in i propelldrag och för att vara generösa antar vi att 100% av den kinetiska energin också kommer att gå in i propelldrag, trots att propellerns bromsstyrka vid låg hastighet är verkligen osel och behöver stöd från hjulet bromsar.

Nu är det viktigt hur snabbt din flygplan flyger, för detta kommer att flytta förhållandet mellan potentiell och kinetisk energi. För att hålla sakerna enkla, kommer jag att relatera både till den energi som krävs för nästa flygning. 10% av den fulla kinetiska energin kommer att accelerera flygplanet till mindre än en tredjedel av sin flyghastighet. Därefter måste de återstående 91% av energin som ska nå $ v $ läggas till genom att ladda batterierna mellan flygningar.

Den elektriska energi som tas från den potentiella energin hjälper dig att klättra till 60ft eller upprätthålla nivåflyg vid $ v $ för ett avstånd på 1800ft. Vid en L / D på 30 kommer flygplanet att flyga ett avstånd på 30 000 ft utan drivkraft, och genom bromsning kommer du att extrahera energin för att täcka 20 000 ft, vilket vid 10% omvandlingseffektivitet (och 90% framdrivningseffektivitet!) Kommer att bära dig över bara 1800 ft.

De flesta andra svaren fokuserar på normal flygning. din (uppdaterade) fråga frågar specifikt om regenerativ bromsning. I teorin ja är det möjligt i praktiken nej , det är egentligen inte en praktisk idé.

Låt oss först fokusera på nedstigningen från kryssningshöjd till sista tillvägagångssätt. Idealiskt är den här nedstigningen gjord med motorer på sin lägsta drivkraft (flygstyrka), vilket innebär att motorerna ger ström till de olika elektriska och hydrauliska systemen och trycksättning och lite kraft eftersom du inte riktigt kan undvika det på en jet. Teoretiskt kan detta göras med en Ram Air Turbine (låt oss förutse att vårt hypotetiska flygplan är utrustat med en ganska stor version som bekvämt styr alla ovannämnda system, eftersom en typisk RAT endast kan ge begränsad nödkraft). Detta ökar dock kraftigt dra och för att upprätthålla hastigheten kommer nedstigningsprofilen att bli brantare. Detta innebär i sin tur att flygplanet måste spendera längre tid vid kryssningshöjd, vilket kräver energi att bibehålla.

Ett annat sätt att titta på det är med en enkel energibalans: det finns en begränsad mängd potentiell energi och det spelar ingen roll om du använder den för att behålla hastigheten eller om du använder den för att bibehålla hastigheten < strong> och för regenerativ bromsning, eftersom den totala mängden energi du kan extrahera från den är alltid densamma.

Det är naturligtvis ett ögonblick att flygplanen måste bromsa, och det här är efter touchdown. Låt oss nu anta att vi är mycket miljömedvetna och inte använder något annat sätt att bromsa än ett regenerativt bromssystem. Flygplanet går fortfarande på ungefär 130kts, 240km / h eller 150mph, så det kommer säkert att ge oss mycket energi? Låt oss göra en kalkylberäkning för några siffror jag hittade för en Boeing 737-300 .

Låt oss säga att vi landar 60 000 kg (nära MLW) med flikar reducerade till 15, vilket ger oss en landningshastighet på 158kts = 81,3 m / s. Mängden kinetisk energi är då $ \ frac {1} {2} mv ^ 2 \ ca200 MJ $ (ja det är mega-joules!). Det är mycket energi, eller hur ?! Tja ... inte riktigt. Kerosin (vilket är ungefär samma som jetbränsle) kommer vid en energitäthet på omkring 46 MJ / kg. Vi pratar om motsvarande lite över 4 kg fotogen, på ett flygplan som bär omkring 16 000 kg av grejerna. Det betyder att vi regenererar om 0,025% av bränslekapaciteten.

Jag kommer att lämna det som en övning för läsaren att tänka på om ett regenerativt bromssystem skulle kunna utformas, så att det extra bränsle som används på grund av dess vikt och storlek är under 0,025%.

Redigera Låt oss göra omräkningen på ett flygplan som faktiskt har den mesta nödvändiga utrustningen (batterier och elmotorer som kanske kan dubbla som alternatorer eller dynamos) ombord: Solar Impulse 2. Det har en jätte 4x41kWh batterikapacitet (590MJ). Antagning av start och landningshastighet är densamma (20kts = 36km / h = 10m / s) och med en belastad vikt på 2300kg är den kinetiska energin vid landning 115kJ. Detta är 0,0195% av batterikapaciteten - ungefär som vårt B733-exempel! Och notera att detta återigen förutsätter att propellrarna återvinner 100% av den kinetiska energin ... Den här tanken går aldrig till jobbet. (För jämförelse är det mindre än två sekunder av solenergi som genereras av solenergin paneler vid deras respektive toppbetyg)

Nej, för att från vindsyns synvinkel har vinden ingen energi.

Vindkraftverk står på marken och luftmassan rör sig med någon hastighet förbi dem, så den har kinetisk energi. Men flygplan rör sig i förhållande till vinden, så vinden är stillastående och har ingen energi. Så när flygplanet använder luftflödet och / eller ramtrycket, använder det dess energi, inte vindens¹.

Nu kommer en turbin monterad på flygplan att producera energi. Men det kommer att vara på bekostnad av flygplanets energi. När flygplanet är i kraft, kommer kraften från motorerna, så det är mer effektivt att extrahera det direkt via generator monterad på tillbehörsdriven. Men även när flygplanet sjunker på tomgang, kommer det att vara på bekostnad av sin potentiella energi och det var ursprungligen tillhandahållet av motorerna under stigning. Att stänga av motorn tidigare och använda allt för att kompensera för drag under glidningen är effektivare.

Detta gäller för en solfylt motorglider precis som alla andra plan. Det är mer effektivt att stoppa motorerna tidigare och glida runt den bästa glidvinkeln än att köra motorerna längre och sedan regenerera energin, eftersom ingen omvandling från elektrisk energi till potentiell energi via motor och propeller eller omvandling från potentiell energi till elektrisk energi via turbin och generator är särskilt effektiv.

Och det gäller även när man använder termiska eller annan upphettningsluft för att få potentiell energi. Det är återigen effektivare för att undvika att omvandla energin och helt enkelt använda värmen för att få höjd och förlänga gliden medan du tar elektrisk energi direkt från solpanelerna.

Vikt kommer också att vara en viktig begränsningsfaktor för solmotorer. Det betyder att du inte kan sätta många batterier ombord och det betyder att regenerativ bromsning inte kommer att vara mycket användbar eftersom du inte har mycket kapacitet att lagra energin. Det betyder också att du kanske vill undvika dedikerad turbin för att spara vikt. Du kommer fortfarande att kunna regenerera lite energi från vindkraftprojektorer med något lägre effektivitet. Men som förklarat gör det inte så mycket mening.

Den enda gången flygplan använder turbiner är under nödsituation. När alla motorer misslyckas används RAM-turbinen för att driva de väsentliga elektriska och hydrauliska systemen. Det förkortar glidningsavståndet lite, men det är värt det om inga andra strömkällor är tillgängliga.

När det gäller vind går det enda praktiska användandet av vind att välja rutt så att det finns lika mycket svansvind under kryssningen som möjligt. Till exempel Nordatlantiska spår är periodiskt anpassad så att de östgående flygningarna kan utnyttja Jet ström . På så vis utnyttjar detta vindenergi, eftersom flygplanet därigenom brinner mindre bränsle för att komma till dess destination.

¹ Energi är en konstig mängd. Den är bevarad i alla inertiella referensramar, men vissa av dess former kommer att ha olika värden i var och en. Du kan välja en referensram där vind har energi, men det blir mindre meningsfullt.

Av andra anledningar har andra svarare sagt att det inte är normalt , eftersom det inte är vindkraft, det är flygplanets energi.

En situation där det är värt att generera el när det är svårt att ta energi direkt från motorn. Till exempel har det flygplan som jag flyga inte ursprungligen ett elsystem. För att driva sina radioer och transpondrar (nödvändiga för praktisk flygning nuförtiden), har de blivit ommonterade med en liten turbin under näsan. Det ökar flygets drag något, men alternativet skulle försöka passa en generator till en vintagemotor eller helt byta mot motorn, båda mycket större modifikationer.

Jag har också sett turnéflygplan som använder små vindgeneratorer när de är bundna på flygfältet, förmodligen för att hålla batteriet laddat upp. Generatorn är i så fall en liten vindturbin ovanpå en vertikal stolpe, som liknar vad du kan se på en husbåt eller en husvagn. De tas bort och stuvas före flygningen, så de är inte riktigt vad du tänker på, men de är fortfarande flygplan med vindkraft.

Jag tror att ingen verkligen adresserade din fråga. Jag försöker så långt som jag förstod. (Jag undrar fortfarande varför du behöver ett plan landat med tomma batterier, men låt oss anta att det är för snabbare tankning och start?)

Först och främst är det bara möjligt att skörda vindkraft (av luftflyttning med jord) om du har tillgång till marken. (Du måste vara gränssnittet mellan de två rörliga objekten). En vindkraftverk måste jordas, en segelbåt står i kontakt med vattnet etc. För ett flygplan är det inte så klart så, som sagt i andra svar är det omöjligt att samla fri vindkraft i flygning .

Men det är möjligt att använda vindhastighet för att skörda några av flygplan energi . Låt oss komma ihåg att det finns tre huvud energitankar i ett flygplan (jag ska använda A320 och TB20 (förlåt fransk länk för nummer) både i kryssning i ett regelbundet uppdrag, det skulle skala snyggt för alla e-flygplan):

• Kinetisk energi (momentum) - A320 = 2.2GJ / TB20 = 3.5MJ
• Potentiell energi (dess höjd i jordens gravitetsfält) - A320 = 7,7GJ / TB20 = 66MJ
• Bränsleenergi (krävs för att täcka minst 1000 n.m. mot dragkraften, plus ovanstående) - A320 = 180GJ. / TB20 = 1000MJ

Som du kan se, dämpar bränsleenergin i ett klassiskt flygplan potentiellt energi omkring 20 till 1, och potentialen överträffar kinetiken omkring 10 till 1. Det är den resande delen som kostar mest, och tyvärr är flygplan utformade uttryckligt för resor: D

Eftersom vad du brukade resa (mot draget) aldrig kan återfås , kan bara det överskott av kinetik och potential i slutet av uppdraget vara. Du föreslår att du utför nedstigningen och landning med vindkraftverk. Låt oss anta att du har vindturbinen för jobbet. Du får bara åter samla kinetisk energi under tillvägagångssätt och landning, och potentiell energi vid nedstigning vid konstant hastighet. Även om du lyckas återvinna hela energin, får du bara 5% av det du använde i hela ditt uppdrag! (och jag använde 100% effektivitet överallt, hela systemet borde vara nära 20% effektivt inklusive turbiner, generatorer, elaggregat, batterier etc. så vi talar verkligen om 1% energianvändning).

Som sagt, där kan vara en användning för en vindturbin i mycket specifika uppdrag, men du skulle prob. släppa solpanelerna. Jag tänker fallskärmsvägar. Uppdrag: Gå högt väldigt snabbt, släpp dina kompisar, sjunka, upprepa.

För detta är energibehovet inte så högt eftersom du inte reser . Jag tänker ett uppdragskrav på 2x potten. energi till:

• Snabba
• Klättra till höjd
• Slå dragningen medan du klättrar men inte reser Då har du 1x potten. energi + 1x kinetisk energi för att återhämta sig, och siffrorna ändras lite: det finns 50% av den energi som finns att återställa, så med 20% effektivitet kan ca 10% av hela ingången komma tillbaka.

Jag säger att droppe solpaneler, för det här kommer att vara väldigt kraftintensivt och solpaneler har bara för låg energitäthet

Obs! Energitäthet hos ett system är energipaket / massa ombord. För batterier och bränsle är detta rakt framåt, för solpaneler är det annorlunda: ju längre uppdraget desto mer energi produceras desto högre kraftdensitet. Detta uppdrag är så kort det är inte värt det.

TL; DR : Om du inte har ett mycket konstigt uppdrag, är det bara inte tillräckligt med energi (~ 1%) att samla för att vara värt att föra några vindkraftverk för ett helt resande uppdrag.

Flygplan rör sig ganska snabbt (i vissa fall mycket snabbt) och har mycket dra. Så de använder mycket energi bara för att kryssa.

Regenerativ bromsning gör att du som absolut övre gräns kan fånga all den kinetiska energin och gravitationspotentialen energi som planet har när det börjar sin avstängning (självklart är det då en effektivitetshänsyn också, så det kommer faktiskt att vara mindre än detta ). Arbetet du har gjort under flygningen bara för att övervinna drag i kryssfart är borta oavsett vad. Så första: någon drag som din doohickey lägger till planet medan den inte bromsar, kostar energi genom hela flygningen. Låt oss anta att det på något sätt stagas bort, precis som landningsredskap kan vara, och räkna med att det kommer att rymma planet upp lite, men det kommer inte att helt förstöra aerodynamiken.

På en vanlig flygning används vilken andel bränsle som används för att nå cruising höjd och hastighet? Jag vet egentligen inte, och det beror naturligtvis på längden på flygningen, men jag är säker på att några faktiska piloter kan klämma in med grova siffror.

Energin att gå upp är en övre gräns (igen, det finns ineffektivitet i motorerna) på hur mycket energi du kan extrahera från processen att komma ner. Så den andelen bränsle som används för att komma upp sätter en absolut övre gräns för den andel som regenerativ bromsning kan möjligen minska de totala energibehoven för ditt soldrivna plan. Och det är innan man överväger ineffektivitet i båda processerna (motorerna och de regenerativa bromsarna). För att helt uppfinna några figurer är antagandet att 25% av bränslet är för en viss resa, och den kombinerade effektiviteten är 50%, då regenerativ bromsning kan minska energikraven med 12,5%. Detta verkar vara värt i ansiktet av det, men (a) Jag har valt vad jag tycker är alltför stora, och (b) vi har ännu inte betalat för mekanismen som gör det.

Kan batterierna (eller vad som helst) som lagrar energin från bromsarna, lagra mer energi än det kostar för att lägga dem till planet och därmed dra upp en större vikt upp till höjden i första hand och energin förlorad i kryssningen till det extra drag som införs genom att integrera hela systemet? I värsta fall där de inte kan, har du gjort en nettoförlust genom att lägga till regenerativ bromsning.

Regenerativ bromsning fungerar rimligt bra för bilar, speciellt i stadskörning, eftersom de saktar ofta och så skiljer de på annat sätt mycket oönskade kinetiska energikällor som värme. Till en grov approximation sänker planen bara en gång per resa. Och jag tror att det är svårare att effektivt fånga upp energin när du bromsar mot luft istället för mot statisk friktion på vägen, så att systemets effektivitet i planet blir mycket mindre än för en bil. Så jag tror inte att din plan är i god form just nu: -)

Det normala sättet att utnyttja luftens energi i ett flygplan är en glider .

Wikipediaartikel täcker det ganska bra: hitta ett område där luften stiger och använd det lyfter upp flygplanet. Det finns ingen fancy energiomvandling på flygplanet, det görs direkt av lyftytorna.

Soldrivna plan har byggts , även om de kompromisser som krävs är att de ännu inte är populära. Vissa teknikföretag tittar på möjligheten att utrusta automatiska solplan som radioreläer för att ansluta avlägsna områden till Internet.

Mitt företag har just säkrat ett patent för ett energiförsörjningssystem för elektriskt drivna flygplan (9 maj 2017).

Ett korrekt utformat och effektivt regensystem kan vända den ojämna fysiken tillräckligt för en nettovinst och vara ett värdefullt tillägg till en elektrisk flygplan. En nyckel är att designa ett undertrycksområde under en cowling venturi och utnyttja en del av propblastningen i flygning (det finns några) det tornados runt skrovet men under kappningen är i kombination med flygplanets hastighet en kinetisk källa energi.

Turbinen är en centrifugal design och är borttagen under en blister som gör att systemet nästan släpper loss när det inte används. PMA kan producera 3kw och väger 19 pounds. Hela systemet väger 31 pund och innehåller en mosfet controller och en buck boost inverter likadan design som de som hittades på Toyota Prius. Det finns en lätt Maxwell super kondensatormodul som en "laddare". Effekt som genereras från systemet laddar upp ett antagligen litiumbatteri som har utformats för att laddas och laddas samtidigt (se patentet), genom en algoritm som styrs av regulatorn. Lättare vi kan producera systemet och även påskynda laddning genom att minska batteriets inre motstånd, desto effektivare och praktiskt blir det.

Vi har inte tillåtit att flyga testet, men beräkningar som härrör från en Cessna 152-mule indikerar god potential för regn. Den kan användas som räddningssystem, under nedstigning, eller när det är praktiskt att justera stöttavståndet. Knee-reaktion från lekmän och ingenjörer har varit negativ tills de noggrant studerar uppfinningen, så verkar konsensus vara "Det borde definitivt utvecklas vidare". Patent finns på marknaden. Patent # US 9 643 729 B2

Detta kommer att vara inbyggt och nästan obligatoriskt.

Din fråga har ett inbyggt antagande: regenerering energi är användbart. Det enda sättet skulle vara användbart är om framdrivningssystemet (eller en del av det) var elektriskt. Därför måste vi referera till ett flygplan med elektrisk framdrivning .

Kanske förmodligen slänger vi inte 1880-åren tech i himlen. Det betyder att vi använder AC-motorer med flödesvektor-drivenhet, dvs Stora halvledare som syntetiserar 3-fasarsusvågor från DC.

Om frekvensomriktaren är densamma som motorvarvtalet, är det inert - ingen ström strömmar och ingen dragkraft görs. Om en högre frekvens gäller detta ström. Om det fortfarande är högre, gäller det mer ström. Om det är långsammare regenererar det. Om det är långsammare, regnar det mer.

Så om du har en AC-elektrisk enhet har du redan regn. Gjort!

Det kommer i huvudsak att vara drag motsatt. Var får du använda det? Glidbackar är konstruerade mycket grunda så du behöver vanligtvis kraft hela vägen ner. Titta på hur de flyger C-17, de skulle behöva redesigna tillvägagångssätt för att vara så, vilket också skulle göra dem exklusiva till elektriska och motordrivna motorer som C-17.