空中普锐斯:使用电池来辅助燃料发电机

2018-09-05 06:17:51 太阳能发电网
电力推进将向空中领域发展,就像在地面上一样,最初使用电池来辅助燃料发电机。电动飞机之所以被视为航空业重大技术变革的关键一步,是因为它们将再次演绎汽车工业刚刚开始的从内燃机到电动机的转移。

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如果电动发电机有超导绕组,就几乎不会产生废热,而这个梦想也只能在高温超导体出现之后才能考虑。陶瓷材料的超导温度为零下135摄氏度,比原先的金属超导体“热”约100摄氏度。因此,为了接近绝对零度,设计人员可以用液氮代替液氦来进行冷却。


西门子基于该理念已经研究了近20年。最初的计划是将超导电动机放在空间和重量都极其珍贵的海船上。即使如此,公司现在的机器版本(作为发电机)还是比成年人的体积大。因此,公司的工程师目前在缩小用于航空领域的机器体积。其终极能量密度目标是10瓦/克。西门子并未给我展示这件产品,只提供了一张较大型超冷却机器的图片,上面附有未来航空版本的图纸。图纸尺寸大概是图片的1/10。


其他公司也在努力研究制冷机。通用航空公司正在为NASA研制低温冷却设备,但通用电气对此不愿提供任何信息。所有的公司都守口如瓶,也许是不情愿告知,也许是没有太多要告知的内容。NASA预计,无论如何,使用不低于30兆瓦功率的低温系统的客机在21世纪30年代中期之前是不会出现的。


为了充分利用这种超导电动机以及混合动力系统中的超导发电机,还需要超导功率变换器。NASA与通用公司签订了合同,为其生产效率达99%、功率重量比为19千瓦/千克的逆变器。


集成电动机的混合动力设计尚处于研究之中,可能会采用燃气轮机驱动发电机。西门子的工程师首先在硅片上建立了模型,我瞥了一眼电脑屏幕,上面是一种交互模拟,是一种普通氢冷电机的标记。“这是一个混合动力系统,它可以告诉我们功率分配如何运作。”巴拉兹告诉我。


现在燃气涡轮发电机常被用作电网的备用电源,这种情况下组件的重量并不重要。而许多军用飞机在飞行中通过喷气发动机的压缩机或飞机向前运动产生的气流来提供电力。


要节省几千克重量,工程量就如此之大,看起来有点大费周章,但这么做是值得的。电动机上节省1千克重量,电池重量就可以额外增加1千克。美国联合航空公司近期使用质量较轻的纸来印刷杂志,每份杂志可减少28克,这样每次航班可减少约5千克,计算下来,这一行为可为公司每年节约64万升燃油,价值29万美元。


这就是为什么波音787等新的大型客机会使用如此多的碳纤维增强复合材料。330LE也是如此——一个人就能把飞机从机库里移出来。


好了,让我们现在来看看最终成品吧。十几年已经过去了,现在运行在航线上的混合动力飞机非常安静,晚上可以在城市上空飞行。多亏了旋转的推进器,飞机可以从短跑道甚至市区内的跑道上起飞。因为重量更轻、效率更高,这种飞机更节约能量。这就意味着飞行需要的成本更低,与当今运营成本远高于采购成本的商用飞机处境截然相反。


一项警告:大约十几年后,混合动力飞机只会比传统飞机稍微“环保”一点。只有混合动力的经验和经济规模使整个行业转为纯电动飞机时,才能做出巨大的改进,也许要到21世纪30年代。“我们见证了混合动力使节能从4%升到20%。”西门子位于慕尼黑的销售与业务开发办公室主任奥托?欧拉夫(Otto Olaf)说道,“如果飞机实现全电动化,节约的能源将会更多。”


航空业同样引人注目的是要减少相关的温室气体排放。西门子公司的安东说:“欧盟的‘2050航线’项目旨在将排放量减少50%以上,但那时乘客数量预计会翻倍,因此我们至少需要4倍改进。”


目前尚不清楚这些数字是如何计算出来的。最简单的方法是将排放量与乘客里程进行对比。更实在的方法是评估“所有相关”效果,同时考虑到所有在地面生产并存进电池中供后期空中使用的电力。这种计算方法还应考虑到用于制作电池、电动机、超轻碳复合机身及其他部件所消耗的能源。


“2050航线”项目还希望到2050年将飞机噪声降低一半。事实证明,这是迄今为止航空业最大的举措了。为规避对夜晚飞行的限制,航空公司投入了大量资金用于对噪声大的旧飞机进行消音改造,这项工作被称为“装置减音”。


安东说:“这是西门子和航空公司洽谈时感到最惊讶的一点。我总是提到,对于飞行来说,安静排在能量和排放之后。而现在它被排到了首位。”


这不是首个本意并非缓解全球变暖,却有助于成功实现这一目标的绿色技术。人们购买混合动力普锐斯是为了节省燃油,购买特斯拉是为了加速超车保时捷。航空公司购买混合动力飞机是为了安静运行,减少温室气体排放几乎就是一种副作用。但这些终究会实现的。



作者:Philip E. Ross 来源:悦智网 责任编辑:jianping

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