JP2013091487A - 航空機用の熱発電 - Google Patents

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Abstract

【課題】航空機のシステムによって発生した廃熱を利用する航空機用の発電システムを提供すること。
【解決手段】本発明の航空機用の発電および分配システム（１）は、複数の熱源（２、３、４、５）と、少なくとも１つの熱源からの廃熱を受け取り、その廃熱を電流に変換するように構成されている熱電発電機（６、７、８、９）とを備え、この熱電発電機が、航空機の電気システムに動力を供給するように動作可能な配電バス（１０）と電気的に接続している。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機用の発電システムおよび電力を発生させる方法に関する。詳細には、本発明は、航空機のシステムによって発生した廃熱を利用する航空機用の発電システムに関する。
従来技術において、航空機の電力需要は、エンジンによって機械的に駆動される発電機によって満たされる。一般に、各エンジンには、２つの発電機を取り付けておくことができる。補助動力装置（ＡＰＵ）およびラムエアタービン（ＲＡＴ）など、バックアップ源もまた設けられることが知られている。これらの動力源はそれぞれ、発電するために航空燃料を燃焼させることが必要である。エンジンに取り付けられた発電機の場合には、燃料燃焼の増加は、航空機を動かすための要件の他に、エンジンへの過剰な負荷に起因する。ＲＡＴの場合には、燃料燃焼の増加は、外気流にＲＡＴが曝されることによって生じる追加の空力抵抗に起因する。一方、ＡＰＵは一般に、独自の燃料供給を直接、燃焼させるエンジンを備える。それぞれの場合において、航空機用の電力を発生させるために、燃料を燃焼させなくてはならない。
本発明は、１つまたは複数の熱源と、少なくとも１つの熱源から廃熱を受け取り、その廃熱を電流に変換するように構成されている熱電発電機とを備え、熱電発電機が、航空機の電気システムに動力を供給するように動作可能な配電バスと電気的に接続している、航空機用の発電および分配システムを提供する。
添付の図面を参照にして、ほんの一例として本発明の実施形態の詳細な説明が続く。
本発明を実施する動力発電および分配システムの概略図である。 熱電発電デバイスの断面図である。 エンジン排気部において設置された熱電発電デバイスの部分断面図である。 熱電発電デバイスのパネルの平面図である。 本発明を実施する熱電デバイスの温度差に対する電流のグラフである。 図５のグラフに対応する温度差に対する電圧のグラフである。
図１に、各熱電発電機６、７、８、９にそれぞれ接続された複数の熱源２、３、４、５を備える電気発電および分配システム１を示している。一次熱源３、４がこの構成の中央に示され、航空機を駆動するための第１のエンジンおよび第２のエンジンを含む。エンジンは、航空機において最大の熱生成器である。二次熱源が、図１に示す構成の左側に設置されている環境制御システム（ＥＣＳ）２を含み、ＥＣＳは、航空機内の温度状態および圧力状態の維持を担っている。ＥＣＳ２は、それに接続された熱電発電機６によって使用可能な熱を出力するいくつかの熱交換器を含む。さらなる二次熱源が、別の熱電発電機９に接続されているＡＰＵ５を含む。好ましくは、ＡＰＵ５と熱電発電機９との間の接続は、この発電機をＡＰＵの熱管理システム内に組み込むことによって形成される。したがって、発電機９は、ＡＰＵに冷却をもたらすことが有利である。
熱電発電機６、７、８、９それぞれが、個々の熱源２、３、４、５に接続されているが、代替の実施形態において、熱源はそれぞれ、熱源の周りに配置されて、その熱源２、３、４、５からの熱を最大限に捕獲する複数の発電機を有することが可能である。各発電機６、７、８、９は、複数の固体熱電素子を備える。
熱電発電機６、７、８、９は、電力を航空機の様々な負荷に分配する航空機の電力分配システム１０に接続される。好ましい実施形態において、熱的に誘導された動力は、客室システムおよび他の非必須負荷を動作するために使用される。
追加の熱源が、航空機の電気を発生させるために使用される燃料電池によってもたらされ得る。燃料電池は、約５０％の効率性で動作することが可能であり、一方、熱電システム効率は概して３７％に近似し、したがって、燃料電池と熱電デバイスとの複合システムがその廃熱を捕獲するための全体効率は、６８．５％に近似することになる。
図２は、複数の固体熱電素子１３、１４、１５、１６、１７、１８を含む熱電発電機６、７、８、９の一部の断面図である。熱電素子は、ｎ型とｐ型の材料で交互にドープされ、熱伝導層１１と１２の間に挟まれている。したがって、１３、１５、および１７と番号付けされた素子はｎ型材料であり、一方、１４、１６、および１８と番号付けされた素子はｐ型材料である。１つの実施形態において、熱伝導層１１および１２は、セラミックウェハを含む。熱源が、図２の発電機の上部において示すセラミックウェハ１２に近接して配置される。実際には、発電機６、７、８、９は、熱源からハーネス熱２６への任意の適切な角度で配向可能である。導電性相互接続部材１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５が、熱電素子１３〜１８の端部間に交互に配置されて、電流の流れを可能にする。熱源からの熱２６は、ゼーベック効果により、電荷キャリアを熱電素子の高温端部から熱電素子のより低温の端部に拡散させる。これにより、デバイスを通る電流の流れがもたらされる。
図３は、航空機エンジンの排気部３１に固定された熱電発電機３、４の部分断面図を示している。エンジンは、任意のタイプの航空機エンジンであってもよい。実際には、熱電発電機３、４は、排気部の周囲に完全に延在することが可能である。使用中、高温排気物質が、エンジンの排気部を通過し、熱２６が、その物質から排気部３１を通して熱電発電機３、４の熱受け面１２に伝達される。エンジンごとに７０ｋＷの電気エネルギーを発生させることができると考えられる。さらにより高い温度差動がエンジンの燃焼器領域に見出される可能性があり、適切な耐熱材料が開発された場合、これもまた、熱動力源として使用可能になる。発電機３、４の外面、すなわち熱伝導層１１は、航空機の外側の周囲空気に曝されており、したがって、外面の冷却が継続されること、それ故、電気を発生されるために必要な発電機にわたる温度差を維持することが確実になることが有利である。
図４は、本発明の実施形態により使用可能な熱電発電機３、４の形態の平面図である。熱電発電機３、４は、寸法が３ｍ×１ｍであることが可能なパネルを含む。熱電発電機の製造において、パネル３、４は、直列に一緒に接続されている複数の半導体素子から構成され、それによって、各素子間の電位差が動作中に合計される。
図５は、熱電発電機の温度差に対する電流のグラフを示している。発電機にわたる温度差の増加に伴い、生成される電流は非線形に上昇する。図６によれば、発電機にわたる電圧は、活性化温度差ＴAにおいて急に上昇し、次いで、横ばい状態になり、温度差におけるその後の上昇についてはほとんど増加しない。発電機は、ＤＣ電源において動作する多くの航空機負荷に有用なＤＣ電圧を生成する。
発電機６〜９は、冷却モードで動作することが可能であることが有利である。外部電流が発電機に印加される場合、冷却は、ペルチェ効果により生じる。
代替の実施形態において、熱電発電機は、赤外線光起電性発電機を含むことが可能である。熱電素子１３〜１８は、素子の格子を形成するために、アレイに沿って、またアレイにわたって延在することが可能なアレイの一部を形成する。
本発明の実施形態は、廃熱を捨てるのではなく、それを活用することによって燃料使用を抑えることが有利である。したがって、本発明は、環境被害を抑え、コストを抑える。さらに、本発明は、航空機の周囲のエネルギーの分配に対する柔軟性をより高めることを可能にする利点を有する。例えば、エネルギーは、それが発生する場所に、より近接して使用可能である。また、ＡＣ電流の整流は、必要に応じてＤＣ電流を生成することによって回避可能である。
１ 電気発電および分配システム
２ 熱源
３ 熱源、パネル
４ 熱源、パネル
５ 熱源
６ 熱電発電機
７ 熱電発電機
８ 熱電発電機
９ 熱電発電機
１０ 電力分配システム、電力分配バス
１１ 熱伝導層
１２ 熱伝導層
１３ 固体熱電素子
１４ 固体熱電素子
１５ 固体熱電素子
１６ 固体熱電素子
１７ 固体熱電素子
１８ 固体熱電素子
１９ 導電性相互接続部材
２０ 導電性相互接続部材
２１ 導電性相互接続部材
２２ 導電性相互接続部材
２３ 導電性相互接続部材
２４ 導電性相互接続部材
２５ 導電性相互接続部材
２６ ハーネス熱
３１ 排気部
ＥＣＳ２ 環境制御システム
ＡＰＵ５ 補助動力装置

Claims (12)

  1. １つまたは複数の熱源と、
    少なくとも１つの熱源から廃熱を受け取り、前記廃熱を電流に変換するように構成されている熱電発電機とを備え、前記熱電発電機が、航空機の電気システムに動力を供給するように動作可能な配電バスと電気的に接続している、
    航空機用の発電および分配システム。
  2. 前記１つまたは複数の熱源が、エンジン排気部を含む、請求項１記載のシステム。
  3. 前記１つまたは複数の熱源が、補助動力装置を含む、請求項１または２記載のシステム。
  4. 前記１つまたは複数の熱源が、環境制御システムを含む、請求項１乃至３のいずれか１項記載のシステム。
  5. 前記１つまたは複数の熱源が、燃料電池を含む、請求項１乃至４のいずれか１項記載のシステム。
  6. 前記熱電発電機が、１つまたは複数の固体熱電素子を備える、請求項１乃至５のいずれか１項記載のシステム。
  7. 前記熱電発電機が、ｎ型およびｐ型の半導体材料の交互素子を備える、請求項１乃至６のいずれか１項記載のシステム。
  8. 前記半導体素子が、導電性コネクタによって隣接する素子に電気的に接続されている、請求項７記載のシステム。
  9. 前記半導体素子が、直列に電気的に接続されている、請求項８記載のシステム。
  10. 前記半導体素子が、並列に熱的に接続されている、請求項８または９記載のシステム。
  11. 使用中、ＤＣ電圧が前記発電機によって生成される、請求項１乃至１０のいずれか１項記載のシステム。
  12. 前記熱電発電機が、赤外線光起電性デバイスを備える、請求項１乃至１１のいずれか１項記載のシステム。
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