FR3009544A1

FR3009544A1 - Systemes electriques de la nacelle energetiquement autonomes

Info

Publication number: FR3009544A1
Application number: FR1357798A
Authority: FR
Inventors: Hakim Maalioune
Original assignee: Aircelle SA
Current assignee: Safran Nacelles SAS
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2015-02-13
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: WO2015019026A1; FR3009544B1

Abstract

Installation de production d'énergie électrique autonome, prévue pour une nacelle de motorisation d'un aéronef comportant un circuit électrique comprenant des actionneurs (8, 28), caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de stockage d'énergie électrique (2) qui reçoivent une énergie des actionneurs (8) quand ils travaillent en freinage, un électrolyseur (12) alimenté en courant par ces moyens de stockage, et une pile à combustible (18) recevant des débits d'oxygène (02) et d'hydrogène (H2) fournis par cet électrolyseur, qui alimente en courant le circuit électrique (24), en produisant de l'eau (H2O) qui est retournée vers l'électrolyseur.

Description

INSTALLATION DE PRODUCTION D'ENERGIE ELECTRIQUE AUTONOME POUR UNE NACELLE D'UN AERONEF La présente invention concerne une installation de production d'énergie 5 électrique autonome, prévue en particulier pour une nacelle d'aéronef, ainsi qu'une nacelle d'aéronef comportant une telle installation. Les ensembles de motorisation pour les aéronefs comportent une nacelle formant une enveloppe extérieure globalement circulaire, comprenant à l'intérieur un turboréacteur disposé suivant l'axe longitudinal de cette nacelle. 10 Le turboréacteur reçoit de l'air frais venant du côté amont ou avant, et rejette du côté aval ou arrière les gaz chauds issus de la combustion du carburant, qui donnent une certaine poussée. Pour les turboréacteurs à double flux, des aubes de soufflante disposées autour de ce turboréacteur génèrent un flux secondaire important d'air froid le long d'une veine annulaire passant entre 15 le moteur et la nacelle, qui ajoute une poussée élevée. Les équipements des aéronefs, en particulier ceux présents dans les nacelles, comportent de plus en plus d'équipements électriques qu'il faut alimenter en courant, avec des consommations d'énergie qui augmentent, ce qui pose différents problèmes. 20 Certains équipements électriques nécessitent des puissances d'alimentation importantes, qu'il faut pouvoir fournir. De plus les charges induites sur le réseau d'alimentation de l'aéronef, peuvent dégrader la qualité du courant disponible sur le réseau, et perturber d'autres équipements. Par exemple certaines nacelles comportent un système d'inversion de 25 poussée à commande électrique, qui ferme au moins en partie la veine annulaire d'air froid avec le déplacement de volets, et rejette le flux secondaire vers l'avant afin de générer une poussée de freinage de l'aéronef. Il faut alors un circuit électrique comprenant des motorisations capables de délivrer une puissance mécanique importante lorsque les flux 30 aérodynamiques s'opposent aux déplacements des volets, et ensuite d'absorber une puissance élevée lorsque ces flux vont dans le sens du déplacement des volets, afin de freiner leurs mouvements avec un fonctionnement de ces motorisations en génératrice électrique. On obtient des courants électriques consommés ou produits que le réseau doit pouvoir absorber. Pour cela une solution connue, présentée notamment par le document 5 FR-A1-2958689, comporte un système électrique d'une nacelle relié au réseau de l'aéronef, disposant de capacités électriques qui peuvent se charger et se décharger rapidement pour absorber ou délivrer des pointes de puissance électrique. On peut en particulier utiliser des condensateurs de forte capacité, comme des « super-condensateurs », qui peuvent recevoir une puissance 10 électrique élevée, mais qui stockent une quantité d'énergie limitée. Toutefois ce type de système électrique est toujours dépendant du réseau électrique de l'aéronef, ce qui ne résout pas tous les problèmes. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. 15 Elle propose à cet effet une installation de production d'énergie électrique autonome, prévue pour une nacelle de motorisation d'un aéronef comportant un circuit électrique comprenant des actionneurs, remarquable en ce qu'elle comporte des moyens de stockage d'énergie électrique qui reçoivent une énergie des actionneurs quand ils travaillent en freinage, un électrolyseur 20 alimenté en courant par ces moyens de stockage, et une pile à combustible recevant des débits d'oxygène et d'hydrogène fournis par cet électrolyseur, qui alimente en courant le circuit électrique, en produisant de l'eau qui est retournée vers l'électrolyseur. Un avantage de cette installation de production d'énergie électrique, est 25 qu'en combinant des moyens de stockage électrique comportant des caractéristiques de charge particulières adaptées pour recevoir des courants variés, comme des batteries, et des super-condensateurs pour la récupération d'une puissance électrique élevée, ainsi que la pile à combustible qui peut délivrer des courants avec un bon rendement, on réalise un système qui peut 30 être autonome, comprenant une optimisation de la récupération et du stockage d'énergie.

L'installation de production d'énergie électrique selon l'invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, l'installation comporte des panneaux solaires 5 produisant une énergie électrique qui est délivrée aux moyens de stockage, ce qui permet d'obtenir une production indépendante d'électricité pour compenser les pertes du système autonome. Avantageusement, les panneaux solaires sont disposés sur la nacelle, vers l'avant de cette nacelle. On limite ainsi les risques de dépôt sur ces 10 panneaux, de produits venant des gaz de combustion. En particulier, les panneaux solaires peuvent former sensiblement une couronne disposée autour de la nacelle. Avantageusement, les moyens de stockage d'énergie électrique comportent des batteries au lithium-ion et des super-condensateurs, qui 15 apportent chacun des caractéristiques de charge complémentaires. Avantageusement, l'installation est pilotée par le calculateur de la nacelle, réalisant le contrôle des différents systèmes électriques de cette nacelle. Avantageusement, l'installation comporte un aiguilleur qui peut recevoir une énergie venant du réseau électrique de bord de l'aéronef, afin de pallier à 20 des défaillances du système autonome. En particulier, les actionneurs du circuit électrique peuvent comporter des éléments manoeuvrant des volets d'un système d'inversion de poussée de la nacelle, ce qui permet de récupérer une énergie quand ces volets se déplacent dans le sens du flux aérodynamique. 25 L'invention a aussi pour objet une nacelle de turboréacteur pour une motorisation d'un aéronef, présentant un circuit électrique disposant d'actionneurs, remarquable en ce qu'elle comporte une installation de production d'énergie électrique autonome comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. 30 L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 présente de manière schématique une installation de production d'énergie électrique selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue extérieure d'une nacelle recevant une telle installation, équipée de panneaux solaires.

La figure 1 présente une installation de production d'énergie électrique comprenant des moyens de stockage 2 comportant des batteries au lithium-ion 4 et des super-condensateurs 6, les batteries disposant d'une capacité de stockage d'énergie électrique plus importante, mais avec une puissance de charge beaucoup plus faible que celle des super-condensateurs.

Les moyens de stockage 2 sont rechargés en courant par des actionneurs 8 de la nacelle, quand ils travaillent en freinage avec un fonctionnement en génératrice, en produisant un courant pouvant comporter des puissances élevées, qui est mis en forme pour pouvoir recharger ces moyens. Les moyens de stockage sont rechargés aussi par des panneaux solaires 10 qui peuvent produire un petit courant sensiblement constant, notamment quand l'aéronef est en vol, avec une altitude suffisante pour être au-dessus des nuages. Les moyens de stockage 2 peuvent aussi être rechargés par un courant 14 venant directement de la pile à combustible 18, dans certains cas de fonctionnement.

Un système de gestion des moyens de stockage 2, contrôle ces moyens comportant des caractéristiques de charges différentes, pour utiliser au mieux ces énergies primaires reçues afin de les stocker avec les meilleurs rendements. Les moyens de stockage 2 délivrent un courant à un électrolyseur 12, qui 25 électrolyse de l'eau pour la décomposer et obtenir un flux d'oxygène 02 ainsi qu'un flux hydrogène H2 qui sont fournis à la pile à combustible 18. La pile à combustible 18 réalise une combinaison de l'oxygène 02 et de l'hydrogène H2 sous certaines conditions de pression et de température, pour générer un courant électrique qui passe par un aiguilleur 22. Un circuit d'eau 30 H20 récupère l'eau produite par la pile à combustible 18, pour la renvoyer à l'électrolyseur 12 afin de recycler cette eau, et de fonctionner de manière quasiment autonome.

En particulier la pile à combustible 18 peut être installée à proximité du pylône portant la nacelle, ou être disposée dans un cadre avant de cette nacelle, ou dans un carter du turboréacteur. On peut ainsi la changer facilement.

Cette pile à combustible 18 ne nécessite pas de moyen de stockage d'hydrogène ou d'oxygène rechargés au sol, le système produisant en cours de fonctionnement ses propres gaz d'alimentation de la pile, ce qui limite les risques d'incendie ou d'explosion. L'aiguilleur 22 reçoit le courant de la pile à combustible 18, ou un courant venant du réseau électrique de bord de l'aéronef 26 en cas de nécessité, pour le délivrer au circuit électrique de la nacelle 24 quand il consomme du courant, en particulier pour les actionneurs 28 des différentes servitudes de la nacelle quand leurs motorisations délivrent une puissance mécanique, et pour les systèmes électroniques de commande qui consomment toujours du courant.

On notera que les actionneurs 28 consommant une énergie électrique, peuvent aussi dans un mode de fonctionnement en freinage, devenir les générateurs 8 qui délivrent un courant aux moyens de stockage d'énergie électrique 2. La liaison avec le réseau électrique de bord de l'aéronef 26 par l'aiguilleur 22, permet d'assurer la sécurité en recevant un courant pour permettre le fonctionnement des fonctions vitales si l'installation de production d'énergie autonome de la nacelle est défaillante, en particulier si la pile à combustible 18 ne délivre plus de courant. Dans certains cas, compte tenu de ses cycles de fonctionnement, la pile à combustible 18 peut fournir une énergie électrique supérieure à celle qui est nécessaire pour le circuit électrique de la nacelle 24. On obtient le courant électrique 14 qui est alors renvoyé aux moyens de stockage d'énergie 2, pour être stocké dans les condensateurs 4 ou les batteries 6 afin de récupérer un maximum d'énergie.

L'installation de production d'énergie autonome est pilotée par le calculateur de la nacelle, présent pour le contrôle des différents systèmes de cette nacelle, qui assure notamment les fonctions de gestion de la pile à combustible 18, des énergies primaires qui alimentent l'électrolyseur 12, et différentes fonctions de contrôle, en particulier de l'état des batteries lithium-ion 6. La figure 2 présente une nacelle d'aéronef 30 comportant un 5 turboréacteur disposé suivant son axe principal, qui rejette les gaz de combustion ainsi que de l'air pulsé vers l'arrière indiqué par la flèche « AR », pour appliquer une force de propulsion vers l'avant. Les panneaux solaires 10 sont installés sur le pourtour de la nacelle 30, en formant une couronne disposée transversalement vers l'avant de cette 10 nacelle, dans une position axiale où le diamètre extérieur de la nacelle est plus important. De plus la position des panneaux solaires 10 est éloignée de la sortie arrière des gaz de combustion, ce qui permet de limiter des dépôts sur ces panneaux qui affecteraient le rendement. On réalise ainsi un système autonome implanté sur la nacelle, qui 15 récupère l'énergie produite par les actionneurs 8, et génère une énergie complémentaire par les panneaux solaires 10, afin de viser à obtenir une autosuffisance dans l'alimentation de tous les systèmes électriques de cette nacelle. Ce système gère alors ses propres besoins, notamment les puissances importantes de charge et de décharge, de manière indépendante 20 du réseau de l'aéronef afin de limiter les perturbations sur ce réseau. Cette solution permet en particulier d'optimiser le rendement énergétique global, et de diminuer les consommations d'hydrocarbures ainsi que les rejets de gaz carbonique. De plus, l'avionneur réalisant la conception de l'aéronef peut déléguer entièrement l'alimentation des fonctions électriques de la nacelle 25 à l'équipementier fabriquant cette nacelle.

Claims

REVENDICATIONS1 - Installation de production d'énergie électrique autonome, prévue pour 5 une nacelle (30) de motorisation d'un aéronef comportant un circuit électrique comprenant des actionneurs (8, 28), caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de stockage d'énergie électrique (2) qui reçoivent une énergie des actionneurs (8) quand ils travaillent en freinage, un électrolyseur (12) alimenté en courant par ces moyens de stockage, et une pile à combustible (18) 10 recevant des débits d'oxygène (02) et d'hydrogène (H2) fournis par cet électrolyseur, qui alimente en courant le circuit électrique (24), en produisant de l'eau (H20) qui est retournée vers l'électrolyseur.
2 - Installation de production d'énergie selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des panneaux solaires (10) produisant une 15 énergie électrique qui est délivrée aux moyens de stockage (2).
3 - Installation de production d'énergie selon la revendication 2, caractérisée en ce que les panneaux solaires (10) sont disposés sur la nacelle (30), vers l'avant de cette nacelle.
4 - Installation de production d'énergie selon la revendication 2 ou 3, 20 caractérisée en ce que les panneaux solaires (10) forment sensiblement une couronne disposée autour de la nacelle (30). - Installation de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de stockage d'énergie électrique (2) comportent des batteries au lithium-ion (4) et des 25 super-condensateurs (6). 6 - Installation de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est pilotée par le calculateur de la nacelle (30), réalisant le contrôle des différents systèmes électriques de cette nacelle. 30 7 - Installation de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un aiguilleur(22) qui peut recevoir une énergie venant du réseau électrique de bord de l'aéronef (26). 8 - Installation de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les actionneurs (8, 28) du 5 circuit électrique comporte des éléments manoeuvrant des volets d'un système d'inversion de poussée de la nacelle (30). 9 - Nacelle de turboréacteur (30) pour une motorisation d'un aéronef, comportant un circuit électrique comprenant des actionneurs (8, 28), caractérisée en ce qu'elle comporte une installation de production d'énergie 10 électrique autonome réalisée selon l'une quelconque des revendications précédentes.