DE102012109992A1

DE102012109992A1 - Thermoelektrische Energieerzeugung für Flugzeuge

Info

Publication number: DE102012109992A1
Application number: DE102012109992A
Authority: DE
Inventors: Adrian Shipley
Original assignee: GE Aviation Systems Ltd
Current assignee: GE Aviation Systems Ltd
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2013-04-25
Also published as: FR2981637B1; JP2013091487A; GB2496839A; CN103061856A; GB201118313D0; CA2792589A1; BR102012025929A2; FR2981637A1

Abstract

Ein Erzeugungs- und Verteilungssystem (1) von elektrischer Energie für ein Flugzeug weist mehrere Wärmequellen (2, 3, 4, 5) und einen thermoelektrischen Generator (6, 7, 8, 9), der zur Aufnahme von Abwärme aus wenigstens einer Wärmequelle und zum Umwandeln der Abwärme in elektrischen Strom angeordnet ist, wobei der thermoelektrische Generator mit einem elektrischen Verteilungsbus (10) in elektrischer Verbindung steht, welcher zum Liefern von Energie an elektrische Systeme eines Flugzeugs betrieben werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektrizitätserzeugungssysteme für Flugzeuge und Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Elektrizitätserzeugungssysteme für Flugzeuge, die von Flugzeugsystemen erzeugte Abwärme nutzen.
Nach dem Stand der Technik wird der Bedarf nach elektrischer Energie eines Flugzeugs durch Generatoren gestillt, die mechanisch von den Triebwerken angetrieben werde. Im Wesentlichen kann jedes Triebwerk zwei damit verbundene Generatoren haben. Die Bereitstellung von Reservequellen, wie zum Beispiel einer Hilfsturbineneinheit (APU) und einer Stauluftturbine (RAT) sind ebenfalls bekannt. Jede von diesen Energiequellen erfordert die Verbrennung von Flugzeugtreibstoff zum Erzeugen von Energie. Im Falle der mit den Triebwerken verbundenen Generatoren wird die Zunahme im Treibstoffverbrauch durch die zusätzliche Last auf dem Triebwerk über die Notwendigkeit für die Bewegung des Flugzeugs hinaus verursacht. Im Falle der RAT wird die Zunahme im Treibstoffverbrauch durch den zusätzlichen aerodynamischen Widerstand bewirkt, der durch die Aussetzung der RAT an den externen Luftstrom bewirkt wird. Eine APU weist andererseits im Wesentlichen ein Triebwerk auf, das seinen eigenen Treibstoffvorrat direkt verbrennt. In jedem Falle muss Treibstoff zum Erzeugen von elektrischer Energie für das Flugzeug verbrannt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System zur Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie für ein Flugzeug bereit, das eine oder mehrere Wärmequellen und einen thermoelektrischen Generator aufweist, der zum Aufnehmen von Abwärme aus der wenigstens einen Wärmequelle und zum Umwandeln der Abwärme in elektrischen Strom eingerichtet ist, wobei der thermoelektrische Generator mit einem elektrischen Verteilungsbus in Verbindung steht, welcher so betrieben werden kann, dass er Strom an elektrische Systeme des Flugzeugs verteilt.
Es folgt eine detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung lediglich im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines die Erfindung verkörpernden Energieerzeugungs- und Verteilungssystems ist;
2 eine Querschnittsansicht einer thermoelektrischen Erzeugungsvorrichtung ist;
3 eine Querschnittsansicht einer an einem Triebwerksauslass installierten thermoelektrischen Erzeugungsvorrichtung ist;
4 eine Draufsicht auf eine Platte thermoelektrischer Erzeugungsvorrichtungen ist;
5 ein Graph des Stroms über einer Temperaturdifferenz für eine die Erfindung verkörpernde thermoelektrische Vorrichtung ist; und
6 ein Graph einer Spannung über einer dem Graphen von 5 entsprechenden Temperaturdifferenz ist.
In 1 ist ein System 1 zur Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie dargestellt, das mehrere Wärmequellen 2, 3, 4, 5 aufweist, die jeweils mit einem entsprechenden thermoelektrischen Generator 6, 7, 8, 9 verbunden sind. Primäre Wärmequellen 3, 4 sind in der Mitte der Anordnung dargestellt und weisen erste und zweite Triebwerke zum Antrieb des Flugzeugs auf. Die Triebwerke sind die größten Wärmeerzeuger in dem Flugzeug. Eine sekundäre Quelle von Wärme besteht aus einem Umgebungsregelsystem (ECS) 2, welches auf der linken Seite der in 1 dargestellten Anordnung vorgesehen ist, wobei das ECS für die Aufrechterhaltung von Temperatur und Druckbedingungen in dem Flugzeug verantwortlich ist. Das ECS 2 enthält eine Anzahl von Wärmetauschern, welche aus dem damit verbundenen thermoelektrischen Generator 6 nutzbare Wärme abgeben. Eine weitere sekundäre Wärmequelle weist eine APU 5 auf, welche mit einem anderen thermoelektrischen Generator 9 verbunden ist. Die Verbindung zwischen der APU 5 und dem thermoelektrischen Generator 9 wird insbesondere durch Einbeziehen des Generators in ein Wärmemanagementsystem der APU gebildet. Der Generator 9 sorgt daher vorteilhaft für die Kühlung der APU.
Jeder thermoelektrische Generator 6, 7, 8, 9 ist mit einer individuellen Wärmequelle 2, 3, 4, 5 verbunden, obwohl die Wärmequellen in einer alternativen Ausführungsform jeweils mehrere Generatoren haben können, die um die Wärmequelle herum angeordnet sind, um die Erfassung von Wärme aus der Quelle 2, 3, 4, 5 zu maximieren. Jeder Generator 6, 7, 8, 9 weist mehrere thermoelektrische Festkörperelemente auf.
Die thermoelektrischen Generatoren 6, 7, 8, 9 sind mit dem Verteilungssystem 10 elektrischer Energie des Flugzeugs verbunden, welches die elektrische Energie an die verschiedenen Lasten des Flugzeugs verteilt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die thermisch gewonnene Energie zum Betrieb der Kabinensysteme und weiterer nicht kritischer Lasten verwendet.
Eine zusätzliche Wärmequelle kann von Brennstoffzellen bereitgestellt werden, die zum Erzeugen von Elektrizität für das Flugzeug verwendet werden. Brennstoffzellen können mit einem Wirkungsgrad von etwa 50% arbeiten, während der Wirkungsgrad thermoelektrischer Systeme im Wesentlichen 37% erreicht, und somit zu einem Gesamtwirkungsgrad führt, der 68,5% für ein kombiniertes System von Brennstoffzellen und thermoelektrischen Vorrichtungen zum Erfassen von deren Abwärme erreicht.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnittes eines thermoelektrischen Generators 6, 7, 8, 9, der mehrere thermoelektrische Festkörperelemente 13, 14, 15, 16, 17, 18 aufweist. Die thermoelektrischen Elemente sind abwechselnd mit n-Typ- und p-Typ-Material dotiert und zwischen thermisch leitenden Lagen 11 und 12 eingeschlossen. Somit sind die mit 13, 15 und 17 bezeichneten Elemente ein n-Typ-Material, während die mit 14, 16, und 18 bezifferten Elemente ein p-Typ-Material sind. In einer Ausführungsform weisen die thermisch leitenden Lagen 11 und 12 Keramikwafer auf. Eine Wärmequelle wird nahe an den Keramikwafer 12 angeordnet, welcher auf der Oberseite des Generators in 2 dargestellt ist. In der Praxis kann der Generator 6, 7, 8, 9 in jedem geeigneten Winkel angeordnet sein, um Wärme 26 aus der Wärmequelle nutzbar zu machen. Elektrisch leitende Zwischenverbindungselemente 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 befinden sich abwechselnd zwischen den Enden der thermoelektrischen Elemente 13 bis 18, um einen Stromfluss zu ermöglichen. Wärme 26 aus der Wärmequelle bewirken eine Diffusion von Ladungsträgern aus dem heißen Ende der thermoelektrischen Elemente zu deren kühleren Ende gemäß dem Seebeck-Effekt. Dieses führt zu einem Stromfluss durch die Vorrichtung.
3 stellt einen Querschnitt eines Teils eines thermoelektrischen Generators 3, 4 dar, der an einem Auslassbereich 31 eines Flugzeugtriebwerks angebracht ist. Das Triebwerk kann jede Art von Flugzeugtriebwerk sein. In der Praxis kann sich der thermoelektrische Generator 3, 4, vollständig um den Abgasbereich herum erstrecken. Im Einsatz passieren heiße Abgasemissionen den Abgasbereich des Triebwerks, und Wärme 26 wird aus den Emissionen über den Abgasbereich 31 auf die Wärmeaufnahmeoberfläche 12 des thermoelektrischen Generators 3, 4, übertragen. Es wird angenommen, dass es möglich ist, 70 kW elektrischer Energie pro Triebwerk zu erzeugen. Sogar noch höhere Temperaturdifferenzen sind im Brennerbereich des Triebwerks zu finden, und wenn geeignete temperaturbeständige Materialien entwickelt werden, könnte auch dieser als Wärmeenergiequelle genutzt werden. Die Außenoberfläche des Generators 3, 4 ist die wärmeleitende Schicht 11, welche vorteilhaft der Umgebungsluft außerhalb des Flugzeugs ausgesetzt ist, und somit für eine ständige Kühlung der Außenoberfläche und somit die Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz über dem Generator sorgt, die zum Erzeugen von Elektrizität erforderlich ist. 4 ist eine Draufsicht auf eine Form des thermoelektrischen Generators 3, 4 der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung genutzt werden kann. Der thermoelektrische Generator 3, 4 weist eine Tafel auf, welche Abmessungen von 3 m × 1 m haben kann. Bei der Herstellung des thermoelektrischen Generators wird die Tafel 3, 4 aus mehreren Halbleiterelementen aufgebaut, welche seriell miteinander verbunden sind, wodurch die Potentialdifferenz über jedem Element im Betrieb aufsummiert wird.
5 stellt einen Stromgraphen über der Temperaturdifferenz für einen thermoelektrischen Generator dar. Mit zunehmender Temperaturdifferenz über dem Generator steigt der erzeugte Strom nicht-linear an. Gemäß 6 steigt die Spannung des Generators plötzlich bei einer Aktivierungstemperaturdifferenz T_A an und pegelt sich dann unter leichtem Anstieg für nachfolgende Anstiege in der Temperaturdifferenz ein. Der Generator erzeugt eine Gleichspannung, welche für viele Flugzeuglasten nützlich ist, die mit Gleichstrom arbeiten.
Die Generatoren 6–9 können vorteilhaft in einem Kühlmodus betrieben werden. Wenn ein externer Strom an die Generatoren angelegt wird, erfolgt eine Kühlung gemäß dem Peltier-Effekt.
In einer alternativen Ausführungsform kann der thermoelektrische Generator einen Infrarot-Photovoltaik-Generator aufweisen. Die thermoelektrischen Elemente 13 bis 18 bilden Teil einer Anordnung, welche sich sowohl längs als auch quer zu der Anordnung erstrecken können, um ein Gitter aus Elementen auszubilden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung reduzieren vorteilhaft den Treibstoffverbrauch, indem Abwärme genutzt wird, statt diese wegzuwerfen. Die Erfindung verringert somit Umweltschäden und verringert Kosten. Ferner hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, eine größere Flexibilität für die Verteilung der Energie innerhalb des Flugzeugs zu ermöglichen. Beispielsweise kann Energie näher an dem Ort genutzt werden, an welchem sie erzeugt wird. Ferner kann die Gleichrichtung von Wechselströmen vermieden werden, indem Gleichströme nach Bedarf erzeugt werden.
Ein Erzeugungs- und Verteilungssystem 1 von elektrischer Energie für ein Flugzeug weist mehrere Wärmequellen 2, 3, 4, 5 und einen thermoelektrischen Generator 6, 7, 8, 9, der zur Aufnahme von Abwärme aus wenigstens einer Wärmequelle und zum Umwandeln der Abwärme in elektrischen Strom angeordnet ist, wobei der thermoelektrische Generator mit einem elektrischen Verteilungsbus 10 in elektrischer Verbindung steht, welcher zum Liefern von Energie an elektrische Systeme eines Flugzeugs betrieben werden kann.

Claims

Erzeugungs- und Verteilungssystem elektrischer Energie für ein Flugzeug mit einer oder mehreren Wärmequellen, einem thermoelektrischen Generator, der zur Aufnahme von Abwärme aus wenigstens einer Wärmequelle und zum Umwandeln der Abwärme in elektrischen Strom angeordnet ist, wobei der thermoelektrische Generator mit einem elektrischen Verteilungsbus in elektrischer Verbindung steht, welcher zum Liefern von Energie an elektrische Systeme eines Flugzeugs betrieben werden kann.
System nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren Wärmequellen einen Triebwerksabgasbereich beinhalten.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die eine oder die mehreren Wärmequellen eine Hilfsenergieeinheit beinhalten.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die eine oder die mehreren Wärmequellen ein Umgebungregelsystem beinhalten.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die eine oder die mehreren Wärmequellen eine Brennstoffzelle beinhalten.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der thermoelektrischen Generator ein oder mehrere thermoelektrische Festkörperelemente aufweist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der thermoelektrischen Generator abwechselnde Elemente von n-Typ- und p-Typ-Halbleitermaterial aufweist.
System nach Anspruch 7, wobei die Halbleiterelemente elektrisch mit benachbarten Elementen durch elektrisch leitende Verbinder verbunden sind.
System nach Anspruch 8, wobei die Halbleiterelemente elektrisch in Reihe geschaltet sind.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Halbleiterelemente thermisch parallelgeschaltet sind.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Einsatz eine Gleichspannung durch den Generator erzeugt wird.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der thermoelektrische eine Infrarot-Photovoltaik-Vorrichtung aufweist.
Erzeugungs- und Verteilungssystem elektrischer Energie wie im Wesentlichen hierin unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben