Электрическая авиация и проблема холодного салона
Версия этой статьи впервые появилась в нашем бесплатном информационном бюллетене, чтобы подписаться, нажмите здесь .
Все числа, используемые в этой статье, являются числами приблизительного порядка величины (ПЗУ). Здесь нет никаких нюансов — просто оборотная сторона салфетки. Если вы не согласны с моей оценкой, дайте мне знать, пришлите мне свои номера, и я опубликую вас в следующем информационном бюллетене.
В одной из наших программ на этой неделе мы затронули тему обогрева салона. Это относительно большая кабина, и потребность в отоплении будет больше, чем у обычного самолета eVTOL.
Но я уверен, что операторы eVTOL UAM захотят запустить свои услуги в Торонто или Ставангере в середине зимы, так что на каком-то уровне это все равно будет проблемой.
Для электрического преобразования обычных самолетов с неподвижным крылом это более серьезная проблема.
Турбопропеллерные и турбовентиляторные двигатели создают две вещи, которых не хватает людям на высоте.
Давление и тепло. Турбинные двигатели позволяют использовать горячий воздух под давлением турбины, чтобы обеспечить как тепло, так и давление воздуха в кабине.
Добавление турбонагнетателей позволяет «собирать» тепло и давление поршневых двигателей. Это тепло и давление не только полезны для создания комфортных условий в кабине, но также могут использоваться для систем защиты от обледенения воздухозаборной кромки и летающей поверхности.
Важно отметить, что эти системы, называемые системами отбора воздуха, не преобразуют отработанную энергию двигателя. Они используют энергию двигательной системы и еще больше снижают эффективность двигателя.
Отработанное тепло от двигателей очень трудно утилизировать, как и любую неэффективность, поскольку она энтропийна по своей природе. Реконцентрация этих энтропийных отходов трудна, тяжела, дорога или невозможна.
Электрические приводные системы неэффективны, и эти неэффективности представлены как отработанное тепло. Когда батареи выделяют энергию, они выделяют тепло.
Контроллеры двигателей и двигатели не на 100% эффективны, и эта неэффективность представлена в виде тепла. Всего между аккумулятором и вращающимся валом двигателя можно ожидать потери 10-15% общей энергии.
Если вы едете с мощностью 350 л.с. или около 200 кВт, это может означать, что вы также вырабатываете до 0,15 x 200 = 30 кВт тепла по всей системе. Это относится и к БПЛА. В недавней беседе со студентами Университета Таскиги мы затронули тему, что если каждый двигатель, скажем, 9Эффективность 3% и мощность 1 кВт, у вас есть нагреватель мощностью 70 Вт на каждом двигателе. Этими проблемами необходимо управлять, и это тепло, как и все отработанное тепло, должно рассеиваться через лопасти, системы циркуляции воздуха, радиаторы и т. д. ) на 8 человек обычно нужно 10-12кВт.
Что ж, если у вас есть 30 кВт ненужной энергии, этого более чем достаточно, верно?
Нет. Эта энергия находится в форме энтропийного отработанного тепла. Если бы вы могли собрать большую его часть и охладить ее с помощью теплообменника, вы могли бы рекуперировать часть тепла для использования в кабине, но это потребовало бы использования большой и сложной системы теплообмена, не рекуперирующей достаточно энергии.
и все равно не удалось бы герметизировать кабину.
Итак, вам нужно вытянуть эти 12 кВт из батарей. Если вам нужно 12 кВт тепла и давления, а ваш нагреватель и компрессор имеют КПД, скажем, 70%, тогда вам нужно 12 / 0,7 = 17,14 кВт — скажем, 17 кВт от батареи.
Таким образом, для одного часа полета на высоте 41 000 футов требуется 17 кВт/ч энергии батареи для поддержания микроклимата в кабине.
При плотности энергии аккумуляторной батареи в упаковке 150 Втч/кг это означает, что вам потребуется перевозить около 250 фунтов аккумуляторов, чтобы обеспечить необходимые условия в салоне в течение одного часа.
Для восьми пассажиров это будет 30 фунтов батарей на пассажира в час для полета на высоте 41 000 футов.
В рамках программы Explorer AIrcraft у нас состоялась серия бесед с некоторыми ведущими мировыми исследователями в области топливных элементов в одной из национальных лабораторий США. Я поднял вопрос о том, что отсутствие собираемой избыточной энергии в виде тепла и давления является препятствием для внедрения технологий топливных элементов и аккумуляторов в авиации, и это не было чем-то, что было изучено или рассмотрено.
Таким образом, электрические самолеты должны будут не только полагаться на извлечение дополнительной энергии из и без того весящих неэффективных батарей, но и нести лишний вес электрического компрессора и системы обогрева воздуха в салоне.
В то время как самолеты с более низкими характеристиками и меньшей высотой полета не должны обеспечивать давление в кабине, они должны обеспечивать тепло. Для тех операторов, которые хотят предлагать электрический UAM в середине зимы, общая потребность в отоплении составляет примерно половину от общего объема энергии отбираемого воздуха. Так около 5-6кВт.
Таким образом, требуемая масса батареи для негерметичного полета будет составлять примерно половину числа, рассчитанного выше, то есть 15 фунтов батарей на пассажира за час полета.
Joby S4 с одним пилотом и 4 пассажирами потребует 75 фунтов батарей на час полета для обогрева салона в холодных условиях.
Этот дополнительный вес батареи не был бы проблемой, если бы вы уже не боролись с неблагоприятной физикой плотности энергии батареи во всех других аспектах конструкции и эксплуатации.
Эта статья просто демпинг на электроавиацию с негативной точки зрения? Ну да, это так. Батареи находят свое полезное применение в авиации. Пассажирский самолет пригородного типа определенно не входит в их число.
Иногда паршивая плотность энергии и незрелая технология — это просто паршивая плотность энергии и незрелая технология.
Литий-ионные аккумуляторы, которые дольше работают в условиях сильного холода — ScienceDaily
Science News
от исследовательских организаций
- Дата:
- 8 июня 2022 г.
- Источник:
- Американское химическое общество
- Резюме:
- Когда температура опускается ниже точки замерзания, мобильные телефоны необходимо часто заряжать, а расстояние до электромобиля меньше. Это связано с тем, что аноды их литий-ионных аккумуляторов становятся вялыми, удерживают меньше заряда и быстро расходуют энергию. Чтобы улучшить электрические характеристики в условиях сильного холода, исследователи заменили традиционный графитовый анод в литий-ионной батарее шероховатым материалом на основе углерода, который сохраняет свою перезаряжаемую емкость до -31 F.
- Поделиться:
Фейсбук Твиттер Пинтерест LinkedIN Электронная почта
ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ
Когда температура опускается ниже точки замерзания, мобильные телефоны необходимо часто подзаряжать, а расстояние до электромобилей сокращается. Это связано с тем, что аноды их литий-ионных аккумуляторов становятся вялыми, удерживают меньше заряда и быстро расходуют энергию. Чтобы улучшить электрические характеристики в условиях сильного холода, исследователи сообщают в
реклама
питание перезаряжаемой электроники, потому что они могут хранить много энергии и имеют длительный срок службы. Но когда температура падает ниже нуля, электрические характеристики этих источников энергии снижаются, а когда условия достаточно холодные, они могут перестать передавать заряд.
Вот почему некоторые люди, живущие на Среднем Западе США, испытывают проблемы со своими электромобилями в разгар зимы, и почему опасно использовать эти батареи в космических исследованиях. Недавно ученые установили, что плоская ориентация графита в аноде ответственна за падение емкости литий-ионного аккумулятора на холоде. Итак, Си Ван, Цзяннянь Яо и их коллеги хотели изменить структуру поверхности углеродсодержащего материала, чтобы улучшить процесс переноса заряда на аноде.
Чтобы создать новый материал, исследователи нагрели кобальтсодержащий цеолит-имидазолатный каркас (известный как ZIF-67) при высоких температурах. Полученные 12-сторонние углеродные наносферы имели неровные поверхности, которые продемонстрировали отличные возможности переноса электрического заряда. Затем команда проверила электрические характеристики материала в качестве анода с металлическим литием в качестве катода внутри батареи в форме монеты. Анод демонстрировал стабильную зарядку и разрядку при температурах от 77 F до -4 F и поддерживал 85,9% емкости хранения энергии при комнатной температуре чуть ниже точки замерзания.
Авторы выражают благодарность Фонду фундаментальных исследований центральных университетов (Китай), Национальному фонду естественных наук Китая, Министерству науки и техники Китая, Научно-техническому проекту провинции Гуандун, Химическому и химическому машиностроению. Лаборатория Гуандун и Пекинский университет Цзяотун.
реклама
Источник истории:
Материалы предоставлены Американским химическим обществом .
Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Ссылка на журнал :
- Цзунцзин Лу, Цзиннань Ван, Сюэчунь Ченг, Вэйвэй Се, Чжии Гао, Сюэцзин Чжан, Юн Сюй, Дин И, Иджун Ян, Си Ван, Цзяннянь Яо. Риманова поверхность угольных анодов позволяет хранить литий-ионные аккумуляторы при температуре −35 °C . ACS Central Science , 2022; DOI: 10.1021/acscentsci.2c00411
Процитировать эту страницу :
- ГНД
- АПА
- Чикаго
Американское химическое общество. «Литий-ионные аккумуляторы, которые дольше работают в условиях сильного холода». ScienceDaily. ScienceDaily, 8 июня 2022 г.
Американское химическое общество. (2022, 8 июня). Литий-ионные аккумуляторы, которые дольше работают в сильные морозы.