Гибридные топливные системы — разработки будущего!

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

История гибридных двигателей

Гибридный автомобильный двигатель – это система из бензинового мотора внутреннего сгорания и электродвигателя. Впервые выпуском подобного транспорта занялся бренд Parisienne des Voitures Electriques в 1897 году.

Американская компания General Electric приступила к производству гибридов с 1900 году. Инженеры корпорации создали машину с четырехцилиндровым двигателем на бензине.

Абсолютно новый вид транспорта был экономически нецелесообразным по причинам низкой мощности и дешевизны топлива.

Интересно знать! Грузовики-гибриды несерийно выпускались в Чикаго до 1940-х годов.

Ввиду ухудшения экологической обстановки, подорожания топлива для ДВС идея создания смешанных силовых агрегатов стала актуальной в наше время. Серийное производство гибридов практически первыми наладил бренд Тойота. Авто Toyota Prius liftback были выпущены в 1997 году. В 1999 Хонда презентовала модель Insight. На 2014 год количество гибридов составило более 7 млн.

Принцип работы и устройство гибридных двигателей

Современные инженеры подробно объясняют, что же такое мотор-гибрид в машине.  Двигатель представляет собой систему из бензиновой (дизельной) и электрической силовых установок. Для полноценной работы цепи задействуются другие узлы с компьютерным управлением.

Полная конструкция гибрида

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

  • двигателя внутреннего сгорания. Конструкция детали разрабатывалась так, чтобы облегчить вес, минимизировать затраты топлива и количество вредных выбросов;
  • электрического двигателя. Он сгенерирован с топливным баком и может вырабатывать энергию для заряда АКБ. Деталь встраивается в силовую систему или располагается отдельно. Есть модели с двумя вариантами размещения;
  • трансмиссии. В зависимости от типа гибрида существуют интегрированные коробки передач, КПП с механикой или автоматическим управлением. Некоторые детали работают по принципу плавной нагрузки;
  • топливного бака. Обеспечивает подачу топлива в ДВС;
  • аккумуляторы. В гибридных машинах устанавливаются две батареи – высоковольтная для работы мотора и на 12 В для запитки бортовой системы. Системы запускаются от аккумулятора стандартного типа – высоковольтный и инвертор функционируют только при постоянном охлаждении;
  • инвертор. Нужен для преобразования тока, идущего от высоковольтного аккумулятора в переменный трехфазный для электромотора, регулировки распределения энергии;
  • генератор. Работает по принципу электрического агрегата, производит электроэнергию.

При сгорании 1 л бензина и от работы аккумулятора массой 4,5 ц получается одинаковое количество энергии.

Функционирование двигателя-гибрида

Принцип бесперебойной работы современного гибридного двигателя основывается на отдельном или одновременном функционировании ДВС и электромотора. Для управления системой применяется бортовой компьютер. Прибор по режиму движения определяет вид активного силового агрегата:

  • на городских дорогах требуется электродвигатель с небольшой мощностью;
  • при езде на загородном шоссе задействуется топливный мотор;
  • в смешанном режиме (периодические остановки и ускорения) агрегаты работают вместе.

Важно! В процессе работы ДВС происходит зарядка электрического мотора.

Схемы взаимодействия мотора и ДВС

Развитие технологии гибридных двигателей привело к реализации нескольких вариантов взаимодействия электроагрегата и стандартного мотора.

Последовательная схема

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

Параллельная схема

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

Подробное описание параллельной схемы для гибридной силовой моторной установки современного автомобиля отмечает ее недостаток. Электрический двигатель не выполняет одновременное вращение колеса и зарядку батареи.

Последовательно-параллельная схема

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

  • работу в эконом-режиме. На электрической тяге ДВС выключен, запитка электромотора происходит от аккумулятора;
  • поддержку скорости движения. Мощность ДВС распределяется по колесной системе и генератору. В это время выполняется одновременная запитка параллельного электроагрегата и дозарядка АКБ;
  • интенсивное ускорение. При высоких нагрузках ДВС и электрическая часть функционируют параллельно. Электромотор подпитывается от батареи без утраты мощности генератором.

Важно! Наиболее эффективно принцип комбинированной тяги реализован у бренда Тойота и называется Hybrid Synergy Drive.

Преимущества и недостатки гибридных авто

Транспорт с гибридной силовой установкой расходует на 30 % меньше топлива по сравнению со стандартными моделями. На этом преимущества использования гибридного автомобильного двигателя не заканчиваются:

  • минимальное количество вредных выбросов за счет технологий рекуперативного торможения, наличия емкой АКБ;
  • согласованность функций ДВС и электромотора;
  • полезные инновации – опции стоп-старта, рециркуляции отработанных газовых смесей (подогревают тосол), изменение фазы распределения газов;
  • наличие водяного насоса с электроприводом, системы климат-контроля и усиления руля, улучшенного качения покрышек;
  • эффективность при работе на холостом ходу в городских условиях;
  • возможность продолжительной поездки без дозарядки аккумулятора – заправляется бак;
  • поддержка выбранного режима за счет компьютерного управления;
  • низкий уровень шума работающего мотора.

  Выбор гибридного аккумулятора для авто

К недостаткам моделей с гибридными установками относятся:

  • необходимость регулярной нагрузки на АКБ;
  • батарея может разряжаться до критического состояния при низкой температуре;
  • проблемы с самостоятельным ремонтом машины;
  • дорогая цена запчастей, которые не всегда есть в наличии в сервисных центрах.

Минусом для некоторых пользователей является высокая цена транспорта – даже недорогие японские гибридные автомобили Toyota Yaris стоят около 18 тыс. евро.

Типы гибридных агрегатов

Гибридный современный двигатель – экономичный и экологичный агрегат, но полностью разобраться, что же это такое, поможет обзор вариантов исполнения основной конструкции:

  • микрогибридный силовой агрегат. Электрическим компонентом привода является стартер или генератор, отвечающий за функции старта и стопа. Кинетическая энергия используется по принципу рекуперации, то есть переходит в электрическую. Привода исключительно для электротяги нет. АКБ с наполнителем из стекловолокна – на 12 Вольт, адаптирована к частым стартам;
  • среднегибридный силовой агрегат. Что значит в этом случае гибридный машинный двигатель? Деталь поддерживает функции ДВС, но транспорт не ездит на электротяге. Средние гибриды могут регенерировать часть кинетической энергии при торможении. Она переходит в электрическую и накапливается в АКБ. Батарея и электроузлы работают на высокой мощности. В режиме смещения точки нагрузки при помощи электрического генератора у теплового мотора повышается эффективность;
  • полногибридный силовой агрегат. Высокомощный генератор интегрируется с ДВС. Есть функция движения при электрической тяге при маленькой скорости авто. Электрогенератор запитывает двигатель внутреннего сгорания с функцией старт-стоп в рабочем режиме. Высоковольтный аккумулятор заряжается в процессе рекуперации. Разделительное сцепление ДВС и электромотора обеспечивает быстрое отсоединение одной системы от другой.

Микрогибридные силовые агрегаты впервые сконструировал и выпустил бренд Тойота.

Классификация по степени электрификации

В зависимости от электрификации существует несколько видов гибридных машин.

Микрогибрид

У моделей есть функции рекуперации энергии во время торможения, автоматика типа стоп-старт. Микрогибриды подразделяются на три типа:

  • машины с системой старт-стоп;
  • транспорт со старт-стопом и рекуперативным торможением;
  • модели, объединяющие две технологии, со свинцово-кислотным AGM—аккумулятором и объединенным блоком стартера/генератора.

При экономичности топлива и экологичности, электрического воздействия на привод не происходит.

Важно! Данный транспорт нельзя назвать гибридными машинами на 100 %.

Мягкий гибрид

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

Интересно знать! Система Kinetic Energy Recovery мягкогибридных машин также используется в Формуле-1.

Полный гибрид

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

Транспортное средство не заряжается от сети, а только в процессе рекуперации. При разрядке литий-ионного аккумулятора можно переключиться на ДВС.

Гибриды-плагины

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

Инновационные модели двигаются при задействовании усилий двух моторов, отличаются объемной мощной батарей (от 70 до 100 лошадей). Рядом с люком бензобака расположен порт для зарядки от розетки. Особенность плагинов – преодоление расстояния до 50 км только на электрической тяге.

Привод дополнительных аксессуаров в автомобилях с полным гибридным приводом

Конструкционные доработки привода дополнительных агрегатов заключались в том, чтобы компоненты работали не от ДВС, а от электричества. Приводная часть полногибридных моделей включает следующие элементы:

  • вакуумный насос электрического типа. Деталь служит для понижения давления усилителя тормоза и поддерживает подачу низкого давления при старте и остановке;
  • электрогидравлический усилитель управления рулем. Используется, чтобы во время автоматической остановки двигателя рассоединить ДВС и усилитель. Технология позволяет оптимизировать топливные затраты;
  • компрессорный кондиционер с электрическим приводом. Отвечает за охлаждение салона при автоостановке. Деталь обеспечивает отсоединение компрессорного привода кондиционера и ДВС. Электрокомпрессор всасывает, сжимает фреоновый газ и направляет его в систему для прокачки;
  • электроблок управления кондиционером. Регулирует температуру испарения от 800 до 9000 мин.

Полный гибридный привод – единственный вариант гибридов, объединяющий функции старт-стопа, рекуперации, режим электротяги и систему E-Boost.

Перспективы автомобилей-гибридов

Новизна технологии совмещенного мотора приводит к неполному пониманию автолюбителями, что же такое и как работает гибридный двигатель на подобном автомобиле.

С учетом 20-летних разработок бренда Тойота у гибридов есть множество перспектив развития.

Машины с облегченным кузовом, емкими и компактными аккумуляторами, простой и быстрой зарядкой, усовершенствованным режимом рекуперации в ближайшем будущем завоюют рынок.

У гибридных авто ДВС не подвергается критическим нагрузкам, а с учетом цикла Аткинсона его моторесурс выше, чем у стандартного двигателя. Для сокращения расходов на топливо машины оснащаются ГБО, совместимыми с электронными блоками управления.

При внешней схожести с бензиновой техникой автовладельцы сталкиваются со сложностью обслуживания и огромным разбегом стоимости. Даже при отсутствии поломок и значительном пробеге цена машины окупиться через 5 лет.

Но минимальные затраты на горючее стоят таких вложений.

Однако, будущее гибридного транспорта – только за моделями plug-in, которые реально экономят топливо. Плагины привлекательны бесшумным плавным электродвигателем, динамикой бензинового мотора, обеспеченной массивным электрическим бустом. Чтобы использовать машину полноценно, необходимо развитие зарядной инфраструктуры – установка специальных розеток на АЗС.

Источник: https://nahybride.ru/baza-znanij/kak-rabotaet-gibridnyj-dvigatel-avtomobilya

Водородная энергетика: начало большого пути

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита. Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов. Гибридные топливные системы - разработки будущего! Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода. Гибридные топливные системы - разработки будущего! Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

Читайте также:  Какая нужна жидкость для промывки форсунок?

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания. Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода. Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е.

давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%.

Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Гибридные топливные системы - разработки будущего! Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.    Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м3 водорода станции требуется до 2,5 м3 воды. Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.   

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы H2One в городе Кавасаки Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи. Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд.

Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость.

Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

Источник: https://habr.com/post/428511/

«Будущее — за гибридными двигателями»: как новая силовая установка может изменить облик гражданской авиации в РФ

Осенью 2020 года в России начнутся лётные испытания гибридного авиационного двигателя. Об этом RT сообщил начальник отдела электрических силовых установок Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова Антон Варюхин.

Агрегат будет установлен на летающую лабораторию, которая создаётся на базе пассажирского самолёта Як-40. Предполагается, что гибридный двигатель позволит значительно уменьшить расход топлива и снизить стоимость перевозок.

Мощность изделия составляет 500 кВт, но учёные планируют увеличить этот показатель.

Начальник отдела электрических силовых установок Центрального института авиационного моторостроения имени П.И.

Баранова (ЦИАМ) Антон Варюхин заявил в беседе с RT, что осенью 2020 года начнутся лётные испытания перспективного гибридного авиационного двигателя.

Они будут проходить на летающей лаборатории, которая в настоящее время создаётся на базе пассажирского самолёта Як-40. Машина не производится с 1981 года, но её продолжают эксплуатировать некоторые компании.

Также по теме

Гибридные топливные системы - разработки будущего! «На другой континент в два раза быстрее»: как продвигается разработка российского сверхзвукового бизнес-джета

На авиакосмическом салоне МАКС-2019 в Жуковском представлен макет российского сверхзвукового бизнес-джета. Его разработчик —…

«Мы решили создать демонстратор гибридной силовой установки большой размерности. Мощность электрического двигателя, который будет крутить воздушный винт, составляет 500 кВт. Для его питания мы будем использовать генераторы (400 кВт) и аккумуляторы (100 кВт). Сейчас идут стендовые испытания, а в следующем году установим двигатель на Як-40», — рассказал Варюхин.

По словам инженера, разработка гибридной силовой установки осуществляется в «большой кооперации». В ней участвуют ЗАО «СуперОкс», НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского», Уфимский государственный авиационный технический университет, Московский авиационный институт, ООО «Экспериментальная мастерская «Наука-софт», ООО «Авиа-Турбо». ЦИАМ выступает в роли головного разработчика.

Оборудованием летающей лаборатории занимается Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина (СибНИА). 

«Очевидный выигрыш»

Современные газотурбинные двигатели отличаются большой «прожорливостью» во время взлёта, набора высоты и посадки. В экономичном режиме проходит только крейсерский полёт. Специалисты ЦИАМ предлагают накапливать электроэнергию в период максимальной работы керосинового двигателя, а потом использовать её в режиме крейсерского полёта.

«Сейчас коллеги из СибНИА укрепляют носовую часть летающей лаборатории — обтекатель, мотораму, передний шпангоут. Также они убрали третий средний двигатель АИ-25. Вместо него будет установлен турбовальный двигатель ТВ2-117 с электрогенератором. Он наиболее прост и надёжен в эксплуатации», — рассказал Варюхин.

Особенность двигателя, который разрабатывает ЦИАМ, заключается в применении в качестве обмоток высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) второго поколения.

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

  • Самолёт Як-40
  • РИА Новости
  • © Александр Кряжев

Постоянный ток вырабатывает генератор на постоянных магнитах. В этом агрегате, как говорится в буклете ЦИАМ, «заложен ряд инновационных технических решений, обеспечивающих высокий КПД и высокие удельные характеристики».

Генератор был создан учёными ЦИАМ и Уфимского государственного авиационного технического университета. Это первый в России производитель электроэнергии авиационного назначения мощностью более 150 кВт. КПД агрегата достигает 96%.

В материалах ЦИАМ сообщается, что максимальная частота вращения перспективного электродвигателя составляет 2500 оборотов в минуту, номинальное напряжение — 800 В, масса двигателя — 95 кг, диаметр — 0,45 м, длина — 0,4 м. Расход жидкого азота (для охлаждения обмоток. — RT) оценивается в 6 л/ч.

«КПД электрических двигателей на ВТСП составляет 98%. При мощностях более 500—1000 кВт удельная масса подобных электрических машин будет существенно ниже, чем у традиционных», — уточняется в материалах ЦИАМ. 

Варюхин сообщил, что электродвигатель можно устанавливать на самолёты вместимостью до 20 пассажиров. Однако в будущем ЦИАМ рассчитывает спроектировать более мощную силовую установку. По словам инженера, на текущий момент важно отработать технологию электродвижения, «пусть и на стареньком Як-40».

Также по теме

Читайте также:  Проверка аккумулятора нагрузочной вилкой, мультиметром

Гибридные топливные системы - разработки будущего! «Уникальные возможности для БПЛА такого класса»: как Россия модернизировала беспилотник «Форпост»

В 2020 году российская армия начнёт получать новые тяжёлые беспилотные комплексы «Форпост-Р». Об этом сообщила пресс-служба Минобороны…

«Создать сразу мощный двигатель очень тяжело, но мы будем двигаться к этому шаг за шагом.

Гибридные технологии для силовых установок могут использоваться даже на широкофюзеляжных дальнемагистральных самолётах.

Выигрыш от гибридизации может оказаться большим из-за продолжительного крейсерского полёта. Правда, требования к мощности будут совершенно иные — речь идёт о десятках МВт», — пояснил Варюхин. 

ЦИАМ намерен развивать технологии электродвижения за счёт совершенствования сверхпроводников. Они позволяют существенно уменьшить массу силовой установки. По мнению специалиста, авиационная отрасль получит «очевидный выигрыш» после изобретения электродвигателя мощностью от 2 МВт. В целом использование подобных агрегатов позволит снизить стоимость перевозок на 20%, прогнозирует Варюхин.

По словам инженера, «для масштабной интеграции электродвигателей необходима тесная кооперация между разработчиками самолёта и двигателя».

«Тем не менее на некоторые типы воздушных судов уже сейчас можно устанавливать электродвигатели. Прежде всего это лёгкие учебные самолёты. В будущем электродвигателем может быть оснащён, например, Ил-114-300, производство которого сейчас разворачивается. Для этого как раз необходимо достичь мощности в 2 МВт», — подчеркнул Варюхин.

В погоне за мощностью 

Опрошенные RT эксперты считают, что развитие технологий электродвижения является общемировым трендом гражданской авиации, для которой ключевое значение имеют экономичный расход топлива и повышение экологических стандартов.

«Технологии движутся в сторону уменьшения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и экономичности. Гибридные силовые установки сейчас используются в автомобилях. Но ничего не мешает оснащать ими летательные аппараты. Естественно, этим стоит заниматься и в нашей стране», — заявил в беседе с RT обозреватель журнала «Арсенал Отечества» Дмитрий Дрозденко.

Гибридные топливные системы - разработки будущего!

  • Экспериментальный комплекс авиационных двигателей ЦИАМ
  • © Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова

В то же время эксперт обратил внимание, что на текущий момент перспективные электродвигатели не вырабатывают мощность, необходимую для обеспечения крейсерского полёта подавляющего большинства лайнеров гражданской авиации, включая Ил-114-300. 

В свою очередь, заслуженный пилот России, член комиссии при президенте по вопросам развития авиации Юрий Сытник подчеркнул в беседе с RT, что электродвигатель ЦИАМ и его модификации будут применяться в авиации лёгкого класса — в пассажирских перевозках, сельском хозяйстве и мониторинге территорий.

«Будущее — за гибридными двигателями с использованием электрических силовых установок. Сейчас не хватает мощности, но инженеры постепенно будут решать эту задачу. Это не быстрый процесс, но рано или поздно мощность электродвигателей будет эквивалентна керосиновым агрегатам», — пояснил Сытник.

По словам эксперта, «на текущем этапе появление электродвигателей способно стать стимулом для развития малой авиации, а в перспективе технологии электродвижения будут применяться на узкофюзеляжных самолётах». 

Источник: https://russian.rt.com/russia/article/663740-aviatsiya-gibrid-elektrodvigatel-ciam-maks

Гибридные силовые установки в авиации: разработки и перспективы

Гибридные топливные системы - разработки будущего! Гибридные топливные системы - разработки будущего!
Воспользуйтесь нашими услугами

NASA X-57 MAXWELL

Флагманской программой Национального аэрокосмического агентства США (NASA), посвященной электродвигателям, является летный демонстратор X-57 Maxwell.

Это модифицированный двухдвигательный поршневой самолет Tecnam P2006T с распределенной силовой установкой, использование которой должно в пять раз снизить расход энергии при полете в крейсерском режиме.

В долгосрочной перспективе X-57 планируется использовать как летающую лабораторию, на которой будут испытывать разные концепции гибридных силовых установок.

Экономить энергию самолету позволяют три конструктивных особенности. Во-первых, это электрические двигатели мощностью 85 кВт, установленные вместо поршневых и используемые для полета в крейсерском режиме. Во-вторых, это винты для крейсерского режима полета.

Ради усиления эффективности их установят на законцовках крыла в зоне возникновения завихрений. В-третьих, это винты, размещенные на передней кромке крыла.

На небольшом крыле с низким уровнем аэродинамического сопротивления они позволят увеличить подъемную силу на низких скоростях.

NASA продемонстрирует эти особенности по очереди. Сначала X-57 полетит с электродвигателями. Их поставят вместо поршневых установок, оставив оригинальные мотогондолы и сохранив конструкцию крыла. Полет запланирован на начало 2018 г.

Затем самолет полетит с небольшим крылом высокого удлинения. На его законцовки поставят моторы для крейсерского режима полета. На последнем этапе на передней кромке крыла установят 12 моторов, которые должны будут увеличить подъемную силу.

Их использование призвано продемонстрировать, что с увеличением подъемной силы самолет с маленьким крылом будет иметь столь же невысокую минимальную скорость (скорость сваливания), что и самолет с оригинальным крылом P2006T.

Для снижения аэродинамического сопротивления в крейсерском режиме полета винты будут складываться.

На X-57 установят аккумуляторы, однако в скором времени NASA приступит к наземным испытаниям новой системы питания для экспериментальных самолетов на основе топливных элементов.

Проект FueLeap основан на использовании твердооксидных топливных элементов (solid oxide fuel cell, SOFC), которые вырабатывают электричество, соединяя водород из авиационного топлива с кислородом из воздуха.

Возможностей SOFC будет хватать для обеспечения самолета энергией в крейсерском режиме полета и для подзарядки аккумуляторов. Последние предназначены для увеличения мощности при взлете и во время экстренных ситуаций.

Такая система питания должна быть на 60% эффективнее существующих.

В NASA полагают, что затраты на топливо можно будет снизить более чем на 50%. Примерно на столько же планируется сократить выбросы диоксида углерода. Эмиссию оксидов азота можно будет вообще свести к нулю. В NASA также думают над гибридными силовыми установками с криогенным охлаждением, предназначенными для малых самолетов.

В качестве топлива для них планируется использовать сжиженный природный газ; с его же помощью будет охлаждаться электромотор. Поскольку электрические механизмы более эффективны при низких температурах, криогенное охлаждение повышает их мощность. Таким образом, на аэротакси на одного–двух пассажиров можно будет ставить компактные и легкие моторы.

PIPISTREL HYPSTAIR

 Летный демонстратор Pipistrel Hypstair

В Евросоюзе в рамках научно-исследовательской программы Hypstair завершены наземные испытания самого мощного существующего гибридного авиадвигателя.

Программа Hypstair, возглавляемая словенским производителем легких самолетов Pipistrel, была трехлетним проектом стоимостью 6,5 млн евро, который завершился наземными испытаниями силовой установки мощностью 200 кВт, интегрированной в фюзеляж легкого самолета.

Hypstair представляет собой гибридную установку, в которой используется двигатель внутреннего сгорания, приводящий в действие генератор. Сам генератор вместе с аккумуляторами обеспечивает энергией электромотор, соединенный с винтом низкой частоты вращения. Самолет сконструирован на базе четырехместной модели Panthera от Pipistrel.

Предполагается, что рулить машина будет только с использованием электроэнергии, взлетать и набирать высоту — с помощью генератора (для усиления мощности будут использоваться аккумуляторы), с его же использованием — лететь в крейсерском режиме и снижаться перед посадкой (попутно генератор будет заряжать аккумуляторы), а садиться и рулить — снова только на электроэнергии от батарей. Мотор Siemens весит 45 кг, его максимальная мощность составляет 200 кВт.

Постоянная мощность двигателя, независимо от температуры и плотности воздуха, — 150 кВт. Система аккумуляторных батарей весит 110 кг. Имея полезную емкость в 13 кВт⋅ч, батареи поддерживают постоянную мощность в 200 кВт.

Поршневой двигатель Rotax 912 с турбонаддувом, в котором редуктор заменен генератором, выдает 100 кВт электрической мощности.

При мощности 100 кВт на крейсерском режиме Panthera развивает скорость в 160–170 узлов, говорят в Pipistrel.

В резервных целях генератор и электромотор оснащены двумя обмотками каждый. Отказоустойчивость обеспечивается за счет установки четырех преобразователей.

Каждая обмотка генератора обеспечивает энергией два преобразователя/контроллера, один аккумулятор и одну обмотку электромотора.

При отказе одной обмотки генератора или электромотора, либо если происходит поломка преобразователя или контроллера, для использования доступно только 100 кВт энергии.

При отказе аккумулятора мощность силовой установки составляет 75 кВт, при поломке двигателя внутреннего сгорания — 120 кВт. Электромотор и генератор крепятся в тех же точках, что и поршневой двигатель.

Двигатель с жидкостным охлаждением имеет встроенный подшипник винта, интегрированный гидравлический регулятор винта, а также механические насосы масляной системы и системы охлаждения.

Аккумуляторы с воздушным охлаждением установлены внутри крыла и оснащены активной системой управления для предотвращения теплового разгона.

Для эксплуатации гибридных установок Hypstair разработала новые элементы управления и дисплеи. К ним относится рычаг управления мощностью, который обеспечивает тактильную обратную связь. Низкое сопротивление при перемещения рычага указывает на зарядку аккумуляторов, высокое — на то, что батарея разряжается. По мере перемещения рычага и увеличения мощности на него передаются толчки.

Первый обозначает, что батарея перешла из состояния зарядки в режим расхода энергии, второй — что она вошла в режим увеличения мощности. Шероховатость движений свидетельствует о низком заряде батареи, и чем она сильнее — тем ниже заряд. Программа Hypstair была завершена в конце августа в рамках европейской исследовательской программы Framework 7.

По итогам наземных испытаний планера Panthera достигнут четвертый уровень готовности технологий. В Pipisitrel надеются, что в будущем в рамках одного из европейских проектов она получит финансирование на летные испытания.

ONERA AMPERE

 Проект летательного аппарата Onera Ampere

Ampere — внутренний проект французского аэрокосмического исследовательского агентства Onera, запущенный в 2015 г. для исследования распределенной электрической силовой установки и рассчитанный на три года.

Прототип самолета оснащен “гиперраспределенной” силовой установкой, в которой используется от 32 до 40 электрических туннельных вентиляторов, установленных на передней кромке крыла, где они обеспечивают тягу и увеличивают подъемную силу.

В Onera рассчитывают создать персональный самолет, способный перевозить четырех человек на 400–500 км примерно за два часа.

Воздушное судно должно быть оснащено упрощенной системой пилотирования и навигации, а также быть малошумным, поскольку летать на нем планируется с городских аэродромов.

В середине октября Onera планировала приступить к испытаниям масштабной модели (1:5) в аэродинамической трубе, расположенной в Лилле на севере Франции.

Вместе с распределенной силовой установкой в рамках проекта идет разработка элементов управления гибридного самолета.

Читайте также:  Как установить брызговики на саньенг актион санг енг?

Они представляют собой комбинацию из обычных аэродинамических поверхностей и электрических туннельных вентиляторов, которая позволит снизить энергопотребление и ограничить массу.

Прототип обладает архитектурой распределенного электропитания с гибридными источниками энергии, разделенными на 8–10 модулей, каждый из которых состоит из топливных элементов с протонообменной мембраной и литий-ионных аккумуляторов.

Такая схема позволяет сделать силовую установку отказоустойчивой и обеспечивает нулевые выбросы во время эксплуатации, говорят в Onera. К другим особенностям проекта относится гибридный металлокомпозитный планер, использование которого облегчает прокладку электропроводки, минимизирует проблемы с электромагнитной совместимостью и улучшает терморегулирование.

РЕГИОНАЛЬНЫЙ САМОЛЕТ ЦАГИ

Проект регионального самолета ЦАГИ

Российский Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) разрабатывает концепцию легкого регионального самолета с распределенной электрической силовой установкой, способного совершать короткие взлет и посадку.

Для увеличения подъемной силы на малых скоростях крыло обдувается струями от нескольких воздушных винтов, установленных на его передней кромке.

Часть винтов в крейсерском полете убирается, что позволяет увеличить скорость, а также уменьшить аэродинамическое сопротивление и расход топлива, пояснили в ЦАГИ.

AIRBUS E-FAN

 Летный демонстратор Airbus E-Fan

В рамках изучения электрических силовых установок Airbus Group подняла в воздух демонстратор технологий E-Fan в гибридной конфигурации. E-Fan 1.2 оснащен двигателем внутреннего сгорания, установленным за кабиной пилотов и достаточно мощным для питания двух электрических туннельных вентиляторов, поддерживающих крейсерскую скорость полета.

Одновременно он подзаряжает аккумуляторы, которые используются во время взлета и посадки для снижения уровня шума. В сотрудничестве с французским производителем самолетов АОН Daher-Socata Airbus приступил созданию двухместного летательного аппарата E-Fan 2.

0. Первый полет запланирован на 2017 г., начало эксплуатации — на 2018 г. Однако что будет дальше, остаются неясным. Сообщается, что компания интересуется выпуском более крупных самолетов, чем изначально запланированные четырехместные гибридные E-Fan 4.0.

DIAMOND AIRCRAFT

 Летный демонстратор Diamomd DA36 E-Star

Австрийская компания Diamond Aircraft Industries в сотрудничестве с Siemens, Austro Engine и Airbus подняла в воздух первый серийный гибридный самолет в 2011 г.

Двухместный DA36 E-Star был оснащен электромотором мощностью 70 кВт, двигателем внутреннего сгорания Wankel мощностью 30 кВт, приводившим в действие генератор, и аккумуляторами, которые увеличивали мощность во время взлета и набора высоты.ъ

Впоследствии компания объявила, что в рамках долгосрочного сотрудничества с Siemens и Airbus берется за исследование электрических силовых установок. В 2015 г.

Diamond обнародовала планы по созданию легкого гибридного самолета на базе четырехместного поршневого DA40.

Тогда же она анонсировала разработку шестиместного гибридного конвертоплана с четырьмя винтами, двумя моторами Siemens и двумя дизельными двигателями Austro. Другие подробности об этом проекте не разглашаются.

Воспользуйтесь нашими услугами

Источник: http://integral-russia.ru/2017/04/30/gibridnye-silovye-ustanovki-dlya-aviatsii-ekskurs-v-temu/

Перспективы развития водородной энергетики, самые продвинутые водородные технологии • BuildingTECH

Водородная энергетика — одна из самых перспективных отраслей, узнаем самые продвинутые и известные водородные технологии.

C ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века.

Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород.

После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне.

Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода.

Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

Принцип работы водородного топливного элемента

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%.

Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий.

КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

РАЗРАБОТАН МАТЕРИАЛ, КОТОРЫЙ ПОМОГАЕТ ДЕШЕВО ПРОИЗВОДИТЬ ВОДОРОД

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е.

давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%.

Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции.

То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия.

Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.

Мобильная мини-электростанция H2One, преобразует воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света.

Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт.

Для производства 1 м3 водорода станции требуется до 2,5 м3 воды.

ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА, НЕПРЕРЫВНО ВЫРАБАТЫВАЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ВОДОРОД, ОЧИЩАЯ ОКЕАН

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно.

Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества.

К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте).

Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность.

Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни.

Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода.

Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд.

НОВЫЙ ТРЕНД В ЕВРОПЕ — ВОДОРОД ЗАМЕНИТ НЕФТЬ, ГАЗ И УГОЛЬ

Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

H2, водород, технологии, топливо, энергетика, энергия

Источник: https://building-tech.org/perspektivy-razvitiya-vodorodnoj-energetiki-samye-prodvinutye-vodorodnye-tehnologii/

Ссылка на основную публикацию