Was sind einige alternative Vorteile zum Elektroantrieb?

Für Flugzeuge keine .

Hybridantriebe werden eingesetzt, weil:

• Sie bieten eine eher begrenzte Effizienzverbesserung, indem sie den Motor näher an seinen optimalen Bedingungen betreiben können.

  Da Ottomotoren bei höheren Leistungseinstellungen effizienter sind, kann der Hybrid einen Vorteil erzielen, indem er einen kleineren Motor hat, ihn mit (relativ) hoher Leistung oder überhaupt nicht betreibt und die Schwankungen der erforderlichen Leistung mit dem Elektromotor abdeckt.

  Autos beschleunigen und stoppen viel und fahren oft mit einem kleinen Teil der Leistung, sodass sie dies gut nutzen können.

  Der Vorteil gilt nur für Ottomotoren, dh Benzinmotoren. Selbstzündungs- (Diesel-)Motoren haben über ihren Betriebsbereich einen gleichmäßigeren Wirkungsgrad, so dass es keinen oder nur einen vernachlässigbaren Vorteil gibt. Das ist einer der Gründe, warum Sie keine Hybrid-Dieselautos sehen.

• Akkus können mit günstigerem Netzstrom vorgeladen werden. Dies wird in Hybridautos verwendet, erfordert jedoch offensichtlich viele schwere Batterien.

• Elektromotoren können aus dem Stillstand ein hohes Drehmoment bereitstellen. Kolbenmotoren können aus dem Stand nur ein begrenztes Drehmoment bereitstellen und belasten die Kupplung stark.

  Dies ist besonders wichtig für Zugmotoren. Zugräder haben Lager, die von an den Achsen angebrachten Ölpumpen geschmiert werden, die nur arbeiten, wenn der Zug fährt. Wenn der Zug also anhält, werden die Lager nicht geschmiert und die Kraft, die erforderlich ist, um ihn in Bewegung zu bringen, ist viel höher als beim Fahren.

• Bei hohen Ausgangsleistungen sind elektrischer Generator und Motor einfacher und zuverlässiger als ein Getriebe und eine Kupplung. Für große Lokomotiven und Schiffe kommt eine mechanische Kupplung nicht in Frage. Ein hydraulisches, das eine Turbopumpe und eine Turbine in Öl ist, kann verwendet werden, aber das erfordert immer noch ein variables Getriebe. Der elektrische Antriebsstrang fungiert als nahezu ideales stufenloses Getriebe, das in der Lage ist, über große Bereiche oder Drehzahlen nahezu konstante Leistung zu liefern.

In beiden Fällen ist der Hybridantrieb schwerer als der mechanische.

Jetzt zum Flugzeug :

• Der Motor wird mit konstanter Drehzahl und Leistungseinstellung betrieben, die relativ hoch ist (normalerweise beträgt die Reiseflugeinstellung 75 % für Kolbenflugzeuge und sogar noch mehr für Turbinenflugzeuge). Es gibt also keinen Raum, einen Hybridantriebsstrang zu konstruieren, um den Motor näher am Optimum laufen zu lassen.

• Das Gewicht ist für Flugzeuge entscheidend, daher ist das Gewicht des elektrischen Generators und Motors dort ein Hingucker. Bei Autos führt das Hinzufügen von Gewicht zu einer geringeren Erhöhung des Luftwiderstands, sodass dies weniger besorgniserregend ist und Züge sogar schwer sein müssen, um genügend Haftung für ihre Traktion zu haben.

• Da das Gewicht entscheidend ist, können Flugzeuge es sich nicht leisten, viele Batterien mitzunehmen, die mit billigerem Netzstrom vorgeladen werden könnten, der andere Vorteil, den Hybridautos haben.

• Propeller benötigen fast keine Kraft, um sich zu drehen, und werden in einem engen Drehzahlbereich betrieben, sodass die Fähigkeit eines Elektromotors, Drehmoment aus dem Stillstand und über einen weiten Drehzahlbereich hinweg bereitzustellen, für Flugzeuge nutzlos ist.

Keiner der Vorteile, für die Hybridantriebsstränge in anderen Fahrzeugen verwendet werden, gilt also für Flugzeuge, sodass es keinen Sinn macht, einen zu bauen.

Ich stimme der vorherigen Antwort zu, dass es eine Reihe von Problemen bei der Implementierung eines seriellen Hybrids (z. B. eines chemisch angetriebenen Generators mit Elektromotor(en)) in einem Flugzeug gibt, aber ich denke, es gibt auch ein paar positive Seiten ... obwohl wir möglicherweise ein neues Antriebssystem entwerfen müssen, anstatt ein bestehendes zu ergänzen. Ich habe eine NASA-Studie gefunden, die sich mit einem verteilten turboelektrischen Antrieb befasst, um kryogen gespeicherte Wasserstoff-Scramjets in einem BWB-Flugzeug zu ersetzen, die das Potenzial zeigt, tatsächlich Gewicht zu sparen, indem man auf das elektrische System umsteigt ( https://mdao.grc.nasa.gov/publications/ IPLF08-Kim.pdf ), aber das ist eine ziemliche Nischenanwendung. Dies bedeutet natürlich nicht allgemein, dass dies der Fall ist: nur für jetzt und für diese Anwendung.

Die Erwähnung des verteilten Antriebs unterstreicht jedoch ein großes Plus für elektrische Antriebssysteme. Es ist wesentlich einfacher, flexible Stromleitungen zu verlegen als mechanische Wellenverbindungen. Wenn Sie also mehrere Motoren haben möchten, können Sie dies mit dem elektrischen Antrieb relativ einfach tun. Angenommen, Sie möchten ein Flugzeug bauen, das wie ein typisches Starrflügelflugzeug schweben und kreuzen kann - normalerweise müssten Sie eine kollektive Pitch-Änderung in Ihren Proprotoren entwerfen. Oder Sie könnten mit elektrischem Antrieb einfach ein paar (ich meine 12+) Proprotoren haben, von denen Sie jeden mit einer für einen bestimmten Flugmodus geeigneten Drallverteilung anpassen. Schauen Sie sich ein vorgeschlagenes NASA-Design an ( http://aero.larc.nasa.gov/files/2012/11/Distributed-Electric-Propulsion-Aircraft.pdf), ein separates Design von Aurora Flight Sciences, das im DARPA X-Plane-Programm vorangekommen ist ( http://www.darpa.mil/news-events/2016-03-03 ), oder das jüngste Design von Lilium Aviation ( http:/ /lilium-aviation.com/ ). Da dies alles Konzepte sind , ist noch nichts durch ein funktionierendes Design bewiesen ... aber es scheint, als würden sich viele Leute mit den Möglichkeiten befassen, die ein verteiltes elektrisches Antriebssystem bietet. Auch hier dürfte das erwartete Aufkommen von Lithium-Schwefel-Batterien eine große Sache sein. Es wird erwartet, dass diese Batterien eine Kapazität von ~500 kWh/kg haben (etwa das Doppelte des absolut besten derzeit erhältlichen Li-Poly), aber ich denke, dass 2019 das erwartete Datum für die Markteinführung von Li-S-Batterien mit hoher Kapazität ist.

Schließlich ist eine Sache bei Motoren, dass ihre Effizienz abhängig davon, wie sie betrieben werden (dh Motorlast, Drehzahl usw.), dramatisch variieren kann. Dieser Auszug aus einem deutschen Lehrbuch ist leider auf Deutsch ( https://books.google.com/books?id=QAGHZPVnnSAC&pg=PA540#v=onepage&q&f=false ), aber die Grundidee spiegelt sich auf einer Wikipedia-Seite wider, wo die Plot ist in englischer Sprache wiedergegeben ( https://en.wikipedia.org/wiki/Consumption_map). Auf der vertikalen Achse ist die Leistungsabgabe eines Ottomotors, die horizontale Achse ist die Drehzahl, mit der der Motor läuft, die Konturen sind im Wesentlichen der Kraftstoffverbrauch. Das lange und das kurze daran ist, dass, wenn Sie irgendeine Änderung in der Last oder der Drehzahl des Motors haben, er nicht mit seiner besten Effizienz läuft. Dies wäre bei Ihrem typischen Nicht-Hybridantrieb der Fall, bei dem Last und Drehzahl je nach Flugzustand variieren. Wenn wir jedoch den Flugzustand (dh gewünschte Reisegeschwindigkeit, Gaseinstellung, Propellergeschwindigkeitseinstellung, Propellerpitcheinstellung usw.) von dem chemischen Motor abkoppeln und einen Elektromotor (der einen viel höheren Wirkungsgrad als ein chemischer Motor hat) behandeln lassen Mit diesen Variationen können wir möglicherweise Lassen Sie den chemischen Motor in einem optimalen Leistungsbereich laufen (einige Variationen sind wahrscheinlich erforderlich, wenn die Leistung zu hoch ist, aber das ist ein Konstruktionsproblem, bei dem Sie versuchen würden, den Motor so zu dimensionieren, dass er im Reiseflug am effizientesten ist, denke ich). Das bedeutet für uns eine Kraftstoffeinsparung sowie eine Verringerung des Triebwerkverschleißes, da es nicht alle Gasvariationen sehen muss, die normalerweise im normalen Flug vorhanden sind.

Wie bereits erwähnt, ist dies bei einem typischen Flugzeug (kleine Drehzahlbänder) nicht der Fall ... aber was wäre, wenn wir uns entscheiden würden, das Spiel zu spielen, das Aurora, Lilium und die NASA spielen, und VTOL/STOVL-Flugzeuge herzustellen? Die Unterschiede zwischen dem Fliegen eines Proprotors im Hochkant- und Axialflug sind dramatisch, und eine Drehzahlregelung kann einen großen Unterschied machen und möglicherweise die Notwendigkeit von Propellern mit variabler Steigung vermeiden. Gestalten Sie einfach Ihre Drehungsverteilung richtig, variieren Sie Ihre Drehzahl, und Sie können möglicherweise in beiden Bereichen eine akzeptable Effizienz erzielen (zumindest für langsamere Geschwindigkeiten). Oder verwenden Sie wie die NASA zwei verschiedene Sätze von Proprotoren für einen Starrflügler-Kreuzfahrt- und einen Vertikalflug, die jeweils für dieses spezifische Flugregime optimiert sind. Ich sage nicht, dass es einfach ist ... nur dass der elektrische Antrieb die Gelegenheit bietet.

Aber ja, Gewicht und Technologie sind wichtige Anliegen ... und das sieht man an den Elektroflugzeugen, die bis heute gebaut wurden. Firefly (Sikorskys Elektrohubschrauber) hat, glaube ich, eine maximale Ausdauer von 15 Minuten. Helios ( https://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-068-DFRC.html) ist ein ordentliches Flugzeug, aber sehen Sie sich an, wie schwach das Design ist, damit es als Solar/Brennstoffzellen-Hybrid funktioniert (dh Solar liefert einfach nicht viel Strom, also müssen Sie ein Licht machen, Flugzeuge mit hohem Seitenverhältnis). Der Gamera-S ist ein solarbetriebener Quadcopter, der an der University of Maryland entwickelt wird (siehe unten), aber sehen Sie sich an, wie spärlich der Rahmen ist – das Gewicht ist ein RIESIGES Problem für diese Flugzeuge, insbesondere angesichts der Leistung, die wir derzeit erhalten können von Batterien oder der Sonne. Serielle Hybride werden dieses Problem nicht los (da es Motorgewicht, Kraftstoffgewicht, Gewicht des Schmiersystems usw. einführt), aber es kann Ihnen, wie oben erwähnt, ein paar Vorteile bringen.