CN108583911A - 一种航空用高续航零排放混合动力系统 - Google Patents

一种航空用高续航零排放混合动力系统 Download PDF

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毛军逵
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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种航空用高续航零排放混合动力系统，包括太阳能电池、锂离子蓄电池系统、固体氧化物燃料电池系统和电源控制系统；电源控制系统分别和太阳能电池、锂离子电池和固体氧化物燃料电池系统的输出端相连；太阳能电池用于日常为飞机用电装置及锂离子电池系统供电；锂离子电池用于在飞机动力瞬间不足时为飞机用电装置供电、以及为固体氧化物燃料电池系统启动时提供能量；固体氧化物燃料电池系统用于为飞机用电装置供电。本发明高效节能、环境友好、噪声和振动水平极低，并且发热量极小，红外传感器几乎无法探测到，对于军事用途而言隐蔽性好；结构、使用维护简单，经济性好，该高可靠性的动力和推进系统也使飞机的安全性得以提高。

Description

一种航空用高续航零排放混合动力系统
技术领域
本发明涉及高空长航时全电飞机新能源动力领域，尤其涉及一种航空用高续航零排放混合动力系统。
背景技术
一个世纪以来，飞机在人类生活以及促进经济发展和社会进步等方面起到了极其重要的作用，但是也给人类生存环境带来了负面影响。比如机场附近的噪声污染、飞机排放CO2造成的空气质量下降以及温室效应。此外，活塞式通用飞机还会产生超细颗粒物污染和重金属铅污染。因此随着低碳经济时代的到来，必须要满足发动机对成本、燃料、环境等的新要求，新能源航空发动机的研究越来越受到青睐。目前，以新能源为动力的飞行器不仅可以解决石油资源枯竭和环境污染的问题，而且能够满足某些特种航空器的需要，实现不着陆的长期不间断巡航飞行， 形成重要城市及洲际的环球定期航班， 而且作为高空无限航时的侦察、通信中继、环境监测、气象观察等军民用飞行器的动力装置，甚至可部分替代卫星的功能。
纯太阳能电池和纯燃料电池动力系统的确解决了能源和环境的问题，甚至太阳能电池通过与锂电池的混合实现了跨昼夜的飞行，但由于飞机结构强度，尤其是机翼结构强度的牺牲，其工作环境却被限定在气流较为平缓的平流层。而纯燃料电池动力系统，整个燃料电池系统的功重比以及燃料电池动态特性较差的限制，纯燃料电池动力系统也很难为飞机提供较长时间的飞行。此外，由于氢气和液态氢的密度小，氢燃料的储存需要大体积或高压力的容器，但氢气的储存运输仍然是一大难题，使其用作飞机的唯一动力源受到了一定限制。因此，本发明选用燃料使用灵活的固体氧化物燃料电池与太阳能电池和锂离子电池组合成混合动力系统，这种混动是一种理想的选择，也是保证飞机高空长航时的有效途径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术所涉及到的缺陷，提供一种航空用高续航零排放混合动力系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种航空用高续航零排放混合动力系统，包括太阳能电池、锂离子蓄电池系统、固体氧化物燃料电池系统和电源控制系统；
所述电源控制系统分别和太阳能电池、锂离子电池和固体氧化物燃料电池系统的输出端相连，其中：
所述太阳能电池用于日常为飞机用电装置及锂离子电池系统供电；
所述锂离子电池用于在飞机动力瞬间不足时为飞机用电装置供电、以及为固体氧化物燃料电池系统启动时提供能量；
所述固体氧化物燃料电池系统用于为飞机用电装置供电；
所述电源控制系统用于控制和管理太阳能电池、锂离子蓄电池系统、固体氧化物燃料电池系统产生的电力。
所述电源控制系统用于控制和管理太阳能电池、锂离子蓄电池系统、固体氧化物燃料电池系统产生的电力。
作为本发明一种航空用高续航零排放混合动力系统，所述固体氧化物燃料电池系统包括电池堆、空气供给系统、燃料供给系统、氧气加热器、加湿器和燃料加热器；
所述空气供给系统通过氧气加热器和加湿器连通至所述电池堆的阴极，所述燃料供给系统通过燃料加热器和加湿器连通至所述电池堆的阳极。
作为本发明一种航空用高续航零排放混合动力系统，所述电池堆产生的余热通过热传递装置传递至所述氧气加热器和燃料加热器，所述电池堆产生的水蒸气通过管道传递至所述加湿器。
所述固体氧化物燃料电池系统依靠工作时自身产生的热量维持高温，开启工作时不足的热源来自于锂离子电池。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
混合动力系统的设计，充分结合三种电池的发电特点和优势，相互弥补各自发电的不足。例如，锂离子电池存储的电能有限，一般仅供使用数小时，但是它可以作为电能存储装置，昼间飞行时将太阳能电池阵列的富余电能储存起来，用于后续飞机在爬坡或加速飞行时为电机供电；虽然燃料电池启动慢，瞬时功率密度不足，但是它可用于夜间及恶劣天气下飞机平飞，并且它质量功率密度高，其续航能力可通过增加携带的燃料得到保证；而锂离子电池和燃料电池均可以弥补太阳能电池夜间不能工作的缺憾。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
参考图1，本发明提供的一种用于航空航天的高续航零排放混合动力系统，包括太阳能电池、锂离子蓄电池系统、固体氧化物燃料电池系统和电源控制系统；
太阳能电池的电能输出端连通至电源控制系统，用于为用电装置供电和为锂离子电池充电；锂离子电池的电能输出端连通至电源控制系统，用于为用电装置供电和为固体氧化物燃料电池系统启动提供能量，固体氧化物燃料电池系统成功运行后锂离子电池停止供电；固体氧化物燃料电池系统的电能输出端连通电源控制系统，仅用于为用电装置供电，为长航时高空高续航能力提供保障。
太阳能电池在使用过程中太阳能电池供电一直处于开启状态，所述固体氧化物燃料电池在夜间开启，飞机处于巡航模式，所述锂离子电池在飞机动力瞬间不足时开启锂离子电池供电装置。
固体氧化物燃料电池系统包括电池堆、空气供给系统、燃料供给系统、氧气加热器、加湿器和燃料加热器；
空气供给系统通过氧气加热器和加湿器连通至所述电池堆的阴极，所述燃料供给系统通过燃料加热器和加湿器连通至所述电池堆的阳极。
电池堆产生的余热通过热传递装置传递至所述氧气加热器和燃料加热器，电池堆产生的水蒸气通过管道传递至所述加湿器。
固体氧化物燃料电池系统依靠工作时自身产生的热量维持高温，开启工作时不足的热源来自于锂离子电池。
本发明为混合动力系统的设计，充分结合三种电池的发电特点和优势，相互弥补各自发电的不足。例如，锂离子电池存储的电能有限，一般仅供使用数小时，但是它可以作为电能存储装置，昼间飞行时将太阳能电池阵列的富余电能储存起来，用于后续飞机在爬坡或加速飞行时为电机供电；虽然燃料电池启动慢，瞬时功率密度不足，但是它可用于夜间及恶劣天气下飞机巡航，并且它质量功率密度高，其续航能力可通过增加携带的燃料得到保证；而锂离子电池和燃料电池均可以弥补太阳能电池夜间不能工作的缺憾。
该新型混合动力系统采用阶梯渐进式，电源控制系统选择哪些电池为飞机提供动力。首先，启动用太阳能和蓄电池，使飞机爬升至高空；之后在白天的飞行可以依靠太阳能便能保持平飞，同时在傍晚前锂离子电池系统供电给燃料电池系统运行，夜间使用燃料电池系统保持飞行。此外，飞行过程如遇到云层需要爬坡及紧急情况下的加速均可使用锂离子蓄电池系统来供电，这样就能避开恶劣天气；在气流平稳、太阳光充足的高空飞行。而在阳光充足的白天飞行时锂离子电池供电电机可以关闭，并将太阳能产生的多余电量为蓄电池充电。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种航空用高续航零排放混合动力系统，其特征在于，包括太阳能电池、锂离子蓄电池系统、固体氧化物燃料电池系统和电源控制系统；
所述电源控制系统分别和太阳能电池、锂离子电池和固体氧化物燃料电池系统的输出端相连，其中：
所述太阳能电池用于日常为飞机用电装置及锂离子电池系统供电；
所述锂离子电池用于在飞机动力瞬间不足时为飞机用电装置供电、以及为固体氧化物燃料电池系统启动时提供能量；
所述固体氧化物燃料电池系统用于为飞机用电装置供电；
所述电源控制系统用于控制和管理太阳能电池、锂离子蓄电池系统、固体氧化物燃料电池系统产生的电力。
2.根据权利书1所述的航空用高续航零排放混合动力系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池系统包括电池堆、空气供给系统、燃料供给系统、氧气加热器、加湿器和燃料加热器；
所述空气供给系统通过氧气加热器和加湿器连通至所述电池堆的阴极，所述燃料供给系统通过燃料加热器和加湿器连通至所述电池堆的阳极。
3.根据权利书3所述的航空用高续航零排放混合动力系统，其特征在于，所述电池堆产生的余热通过热传递装置传递至所述氧气加热器和燃料加热器，所述电池堆产生的水蒸气通过管道传递至所述加湿器。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109888415A (zh) * 2019-01-16 2019-06-14 华中科技大学鄂州工业技术研究院 混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101157383A (zh) * 2007-11-02 2008-04-09 黄刚 一种新型飞艇
CN102060107A (zh) * 2010-11-26 2011-05-18 北京航空航天大学 一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统
CN107093752A (zh) * 2017-05-09 2017-08-25 哈尔滨工业大学 一种飞机用固体氧化物氢燃料电池燃气轮机发电系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101157383A (zh) * 2007-11-02 2008-04-09 黄刚 一种新型飞艇
CN102060107A (zh) * 2010-11-26 2011-05-18 北京航空航天大学 一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统
CN107093752A (zh) * 2017-05-09 2017-08-25 哈尔滨工业大学 一种飞机用固体氧化物氢燃料电池燃气轮机发电系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109888415A (zh) * 2019-01-16 2019-06-14 华中科技大学鄂州工业技术研究院 混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法

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