УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВКИ МОЩНОСТИ ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2012 года по МПК B64D41/00 B64D31/06 H02J3/46 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к устройству для регулировки мощности или к регулятору мощности и регулятору процесса для регулирования гибридных источников энергии для летательного аппарата, к энергосистеме для летательного аппарата, к способу регулирования гибридных источников энергии для летательного аппарата, к использованию устройства регулировки мощности в летательном аппарате и к летательному аппарату, который содержит устройство регулировки мощности.

Предпосылки к созданию изобретения

В современных летательных аппаратах все шире используют различные источники энергии, чтобы снять часть нагрузки с двигателей-генераторов летательного аппарата, за счет чего снижается потребление керосина. Например, для этого могут быть использованы альтернативные источники энергии, такие как солнечные элементы, топливные элементы или батареи.

Еще один подход в современных летательных аппаратах состоит в использовании продуктов или дополнительных продуктов источников энергии, например, отходящей теплоты, чтобы за счет этого более эффективно использовать энергосистему и системные ресурсы летательного аппарата.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности (кпд) гибридной системы выработки энергии.

Эта задача решена за счет использования устройства регулировки мощности (или устройства регулировки энергии) для регулирования гибридных источников энергии для летательного аппарата, за счет энергосистемы для летательного аппарата, за счет способа регулирования гибридных источников энергии для летательного аппарата, за счет использования устройства регулировки мощности и за счет летательного аппарата, который содержит устройство регулировки мощности, с характеристиками в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения предлагается устройство регулировки мощности (или устройство регулировки энергии), предназначенное для регулирования гибридных источников энергии для летательного аппарата. Устройство регулировки мощности выполнено с возможностью измерения потребности потребителя в требуемых средствах. Более того, устройство регулировки мощности выполнено с возможностью определения первой рабочей характеристики первого источника энергии и второй рабочей характеристики второго источника энергии. При помощи первого источника энергии может быть генерирована (выработана) первая доля потребности в требуемых средствах, а при помощи второго источника энергии может быть генерирована вторая доля потребности в требуемых средствах. Устройство регулировки мощности дополнительно регулирует первый источник энергии и второй источник энергии таким образом, что, в зависимости от первой рабочей характеристики и от второй рабочей характеристики, первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах может быть подана потребителю.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается энергосистема для летательного аппарата. Энергосистема содержит описанное выше устройство регулировки мощности, по меньшей мере одного потребителя, первый источник энергии с первой рабочей характеристикой и второй источник энергии со второй рабочей характеристикой. Устройство регулировки мощности выполнено так, что может быть измерена потребность потребителя в требуемых средствах. Устройство регулировки мощности выполнено так, что могут быть определены первая рабочая характеристика и вторая рабочая характеристика. При помощи первого источника энергии и при помощи второго источника энергии могут быть выработаны соответственно первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах. Устройство регулировки мощности регулирует первый источник энергии и второй источник энергии таким образом, что, в зависимости от первой рабочей характеристики и от второй рабочей характеристики, первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах могут быть поданы потребителю.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ регулирования гибридного источника энергии для летательного аппарата. Потребность потребителя в требуемых средствах измеряют при помощи устройства регулировки мощности. При помощи устройства регулировки мощности определяют первую рабочую характеристику первого источника энергии и вторую рабочую характеристику второго источника энергии. Первую долю потребности в требуемых средствах вырабатывают при помощи первого источника энергии, а вторую долю потребности в требуемых средствах вырабатывают при помощи второго источника энергии. При помощи устройства регулировки мощности первый источник энергии и второй источник энергии регулируют так, что, в зависимости от первой рабочей характеристики и от второй рабочей характеристики, первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах поступают к потребителю.

Описанное выше устройство регулировки мощности используют в летательном аппарате.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается летательный аппарат с описанным здесь выше устройством регулировки мощности.

Термин "требуемые средства" обозначает средства, которые требуются потребителю и которые при этом могут быть выработаны при помощи источника энергии. В предлагаемой системе источник энергии может вырабатывать долю потребности в требуемых средствах, причем полная потребность в требуемых средствах может содержать сумму всех долей потребности. Доля потребности может, например, удовлетворять всю потребность в требуемых средствах или может удовлетворять только часть потребности.

Термин "рабочая характеристика" источника энергии относится к общим характеристикам источника энергии. Термин "рабочая характеристика" источника энергии может, например, определяться отношением эдуктов (выделенных веществ, подводимых исходных веществ) к продуктам или к требуемым средствам. Рабочая характеристика определяется, например, количеством поданных эдуктов и количеством выходных продуктов, например, величиной электрической мощности, тепловой энергии или других продуктов, например, полученных из топлива. Более того, условия окружающей среды, такие как давление, температура или атмосферная влага могут влиять на рабочую характеристику. При помощи рабочей характеристики можно также определять эффективность (кпд) устройства или источника энергии. Наивысшая эффективность может быть достигнута в рабочей точке, в которой из данного количества эдуктов получают самое большое количество желательных продуктов, например электроэнергии.

За счет использования устройства регулировки мощности для регулирования гибридного источника энергии различные типы источников энергии могут быть объединены для того, чтобы обеспечивать улучшенное взаимодействие, касающееся электрического кпд или связанное с дополнительными продуктами индивидуальных источников энергии. Это может быть реализовано при помощи устройства регулировки мощности, которое может определять рабочие характеристики индивидуальных источников энергии, и с их учетом может запрашивать требуемые средства от этого источника энергии, что обеспечивает наивысшую эффективность при заданных граничных условиях. Таким образом, можно снабжать потребителя системы различными типами требуемых средств, которые поставляются при помощи источников энергии. В такой схеме построения принимают во внимание эффективности генерирующих систем или источников энергии в специфический момент времени при определенных условиях. Например, электрическая система переменного тока может питаться переменным током, причем электрическая энергия может, например, вырабатываться из механической энергии двигателя летательного аппарата при помощи генератора, когда указанный авиационный двигатель имеет наивысший временный электрический кпд. Таким образом, устройство регулировки мощности координирует и контролирует как производство, так и распределение требуемых средств, принимая во внимание рабочие характеристики или эффективности (кпд) всех источников энергии или генерирующих систем.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения устройство регулировки мощности выполнено так, что, в зависимости от фазы полета, могут быть определены первая рабочая характеристика и вторая рабочая характеристика. Устройство регулировки мощности определяет, например, с учетом режима полета и рабочей характеристики, что двигатель (силовая установка) в качестве источника энергии обеспечивает лучший кпд в полете, чем на земле. Таким образом, когда летательный аппарат находится на земле, устройство регулировки мощности не будет запрашивать никакие требуемые средства от силовой установки, потому что на земле она использует больше эдуктов, то есть расход эдуктов является более высоким. Поэтому устройство регулировки мощности получает свои требуемые средства от некоторого другого источника энергии, который на земле при данных обстоятельствах имеет лучшие рабочие характеристики или лучший кпд. За счет этого может быть повышена эффективность энергосистемы.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения устройство регулировки мощности выполнено так, что может быть измерена потребность в требуемых средствах дополнительного потребителя. Устройство регулировки мощности регулирует первый источник энергии и второй источник энергии таким образом, что, в зависимости от первой рабочей характеристики и от второй рабочей характеристики, первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах может быть подана дополнительному потребителю. Это позволяет устройству регулировки мощности подавать соответствующие требуемые средства множеству дополнительных потребителей, при этом устройство регулировки мощности регулирует первый источник энергии и второй источник энергии заданным образом.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения устройство регулировки мощности выполнено так, что в каждом случае приоритет может быть присвоен потребителю и дополнительному потребителю. Более того, устройство регулировки мощности выполнено так, что в зависимости от приоритета, например, в случае нехватки имеющихся требуемых средств, требуемые средства могут быть поданы сначала потребителю, а потом дополнительному потребителю. Например, приоритет может быть присвоен с учетом различных факторов, например, безопасности полета или комфорта пассажира, или же он может быть связан с определенной фазой полета. Например, если несколько потребителей запрашивают воду в качестве требуемых средств, когда воды нет в достаточном количестве, тогда вырабатываемая при помощи источника энергии вода может быть сначала подана потребителю, которому присвоен более высокий приоритет, а не потребителю с более низким приоритетом. Например, может быть более важным подать воду для смыва в туалете, а не для мытья рук.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения приоритет также может быть присвоен с учетом безопасности полета. Например, факторы безопасности полета могут заставить в первую очередь учитывать тех потребителей, которые важны для режимов полета летательного аппарата, в то время как, например, потребители, которые способствуют комфорту пассажира, могут иметь более низкий приоритет. Во время нормальных режимов полета источник энергии подает требуемые средства, например, электроэнергию, каждому потребителю, которому нужна электроэнергия. В аварийной ситуации или при частичной потере (снижении) мощности источника энергии потребитель, имеющий самый высокий приоритет, первым снабжается требуемыми средствами, в данном случае электроэнергией. Если источник энергии может вырабатывать дополнительные количества требуемых средств, в данном случае электроэнергии, то тогда ее подают потребителям со следующими уровнями приоритета. Более того, устройство регулировки мощности может также устанавливать приоритеты для различных требуемых средств или для требуемых средств и дополнительных требуемых средств. Более того, устройство регулировки мощности может также устанавливать приоритеты для индивидуальных продуктов, а другими словами, для требуемых средств и дополнительных требуемых средств первого источника энергии и второго источника энергии. Например, топливный элемент в качестве источника энергии может вырабатывать электроэнергию, тепловую энергию, воду и отработанный воздух с низким содержанием кислорода в качестве требуемых средств. В зависимости от присвоенного потребителям приоритета устройство регулировки мощности может подавать эти требуемые средства потребителям. За счет этого можно обеспечивать работу важного для безопасности оборудования или потребителей.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения устройство регулировки мощности выполнено так, что при помощи регулировки эдуктов от одного из первых источников энергии и вторых источников энергии, может быть задана первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах. При помощи регулировки эдуктов источника энергии, например, за счет регулировки подачи кислорода и подачи водорода в топливный элемент, можно регулировать продукты, например, выработку электроэнергии, воды или отработанного воздуха с низким содержанием кислорода.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения требуемые средства выбирают из группы, в которую входят электроэнергия и дополнительные продукты. В свою очередь, дополнительные продукты могут быть выбраны из группы, в которую входят вода, тепловая энергия и отработанный воздух с низким содержанием кислорода. Например, устройство регулировки мощности может регулировать источник энергии, чтобы он вырабатывал тепловую энергию, и может подавать ее потребителю, которому необходима эта тепловая энергия.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения по меньшей мере один первый источник энергии или второй источник энергии представляет собой систему топливных элементов.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения система топливных элементов содержит компрессор. Компрессор выполнен с возможностью контроля или регулировки подачи кислорода в систему топливных элементов. Устройство регулировки мощности выполнено с возможностью контроля или регулировки компрессора. За счет этого устройство регулировки мощности может регулировать выходные параметры системы топливных элементов, на основании запрошенных требуемых средств потребителей. За счет регулирования эдуктов могут быть выработаны множество продуктов. Например, в случае повышенной подачи кислорода кроме электроэнергии можно также регулировать выработку при помощи топливного элемента продуктов в виде воды и инертного газа. Выходная мощность топливного элемента определяется электрической мощностью, требуемой потребителями. Требуемая выходная мощность может изменяться для того, чтобы регулировать выработку инертного газа и воды. При постоянной электрической выходной мощности можно, например, при помощи величины лямбда влиять на отношение подводимого кислорода к требуемому кислороду, на содержание кислорода и в небольшой степени на (воздушный) массовый расход инертного газа, а также на выработку воды. Электрическая выходная мощность может при этом оставаться неизменной.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения, по меньшей мере один первый источник энергии или второй источник энергии представляет собой генератор силовой установки.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения по меньшей мере один первый источник энергии или второй источник энергии выбран из группы, в которую входят батареи, электродвигатели постоянного тока, электрические генераторы переменного тока, аккумуляторы и солнечные элементы.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения по меньшей мере первый потребитель и дополнительный потребитель выбраны из группы, в которую входят электрические системы постоянного тока, электрические системы переменного тока, потребители воды, системы создания инертной атмосферы и противообледенительные системы крыла.

Примерные варианты устройства регулировки мощности применимы также к способу регулировки и к энергосистеме, а также к летательному аппарату и к использованию устройства регулировки мощности, и наоборот.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается устройство регулировки мощности для гибридной системы выработки электроэнергии, источник энергии которой содержит, например, генераторы силовой установки, батареи и/или системы топливных элементов. За счет этого взаимодействие индивидуальных источников энергии, например, генераторов силовой установки, батарей и систем топливных элементов может быть улучшено и оптимизировано в том, что касается выработки электроэнергии. Аналогично, дополнительные продукты, например, отработанный воздух с низким содержанием кислорода или вода, получаемые в этом процессе, могут быть поданы потребителям. Принимая во внимание рабочие характеристики, устройство регулировки мощности может, например, подавать отработанный воздух с низким содержанием кислорода от источников энергии, таких как топливные элементы, за счет чего обеспечивается инертная среда в топливном баке или в грузовом отсеке, которые являются потребителями. Более того, устройство регулировки мощности может, например, регулировать в качестве дополнительного продукта тепловую энергию от источника энергии, за счет чего обеспечивается, например, подвод тепла к противообледенительной системе крыла.

На основании рабочей характеристики источников энергии устройство регулировки мощности может улучшать взаимодействие и кпд указанных источников энергии. Например, на основании установленных требований потребителей устройство регулировки мощности может производить регулировку таким образом, что источник энергии будет создавать требуемые средства наиболее эффективно и наиболее рентабельно относительно потребления керосина. Например, если летательный аппарат находится на земле, силовая установка вырабатывает электроэнергию менее эффективно, чем, например, топливный элемент, по той причине, что силовая установка в первую очередь предназначена для создания тяги в полете, а не для выработки электроэнергии. Устройство регулировки мощности получает информацию о нахождении на земле за счет рабочей характеристики и будет получать электроэнергию от системы топливных элементов, так как кпд или рабочие характеристики топливного элемента лучше, чем у силовой установки. Другими словами, при этом снижается потребление эдуктов, например, топлива, так что энергетический кпд всей системы улучшается. Более того, за счет присвоения приоритетов индивидуальным потребителям или требуемым средствам, использование требуемых средств можно контролировать, так чтобы обеспечивать подвод энергии в системы, имеющие самый высокий приоритет.

Принимая во внимание рабочие характеристики гибридной системы выработки электроэнергии или источника энергии, устройство регулировки мощности может обеспечивать более благоприятное регулирование с точки зрения потребления энергии. Более того, устройство регулировки мощности может подавать потребителям все побочные продукты или дополнительные продукты источника энергии. Например, в том случае, когда источником энергии является система топливных элементов, можно использовать все возникающие побочные продукты или дополнительные продукты, например, тепловую энергию, воду и отработанный воздух с низким содержанием кислорода и подавать их потребителям. Потребители могут быть обслужены в соответствии с присвоенными им приоритетами, таким образом, например, чтобы учитывать аспекты безопасности при эксплуатации летательного аппарата на земле и в полете. Более того, в зависимости от фаз полета устройство регулировки мощности может включать источники энергии или может контролировать или регулировать их эдукты. Например, поблизости от аэропортов, где необходимо снижать выбросы загрязняющих веществ и уровни шумов силовой установки, могут быть использованы создающие меньше загрязняющих веществ и меньшие уровни шумов источники энергии.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания примерных вариантов, приведенного со ссылкой на схематичные сопроводительные чертежи, на которых аналогичные компоненты имеют одинаковые позиционные обозначения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично показано устройство регулировки мощности, выполненное в соответствии с примерным вариантом изобретения.

На фиг.2 показан примерный вариант присвоения приоритетов различным потребителям в соответствии с примерным вариантом устройства регулировки мощности.

На фиг.3 показан примерный вариант присвоения приоритетов в соответствии с индивидуальными фазами полета для примерного варианта устройства регулировки мощности.

На фиг.4 показана примерная логическая схема переключения устройства регулировки мощности в соответствии с примерным вариантом.

На фиг.5 показано примерное выходное устройство регулировки мощности в соответствии с примерным вариантом.

На фиг.6 показана примерная схема управления системой топливных элементов.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показан примерный вариант устройства регулировки мощности. Устройство 1 регулировки мощности выполнено с возможностью измерения требуемых средств. Более того, устройство 1 регулировки мощности выполнено так, что могут быть определены первая рабочая характеристика первого источника 3 энергии и вторая рабочая характеристика второго источника 4 энергии. При помощи первого источника 3 энергии и при помощи второго источника 4 энергии могут быть выработаны первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах. При таком построении устройство 1 регулировки мощности управляет первым источником 3 энергии и вторым источником 4 энергии таким образом, что, в зависимости от первой рабочей характеристики и от второй рабочей характеристики, первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах могут быть поданы потребителю 2.

Устройство 1 регулировки мощности может, например, при помощи датчиков или других средств передачи данных измерять требуемые средства (потребности) потребителей 2. Потребителями 2 могут быть, например, системы 11 создания инертной атмосферы, системы 8 постоянного тока, системы 8 переменного тока, противообледенительные системы 12 крыла или водные системы 10. Электрическая система 8 требует, например, наличия электрической мощности P_sys в качестве требуемых средств. Водная система 10 требует, например, наличия массового расхода воды m_w, в то время как система создания инертной атмосферы требует наличия отработанного воздуха с низким содержанием кислорода, имеющего заданную температуру Т_inert и заданный массовый расход m_inert с заданным содержанием кислорода X_O2,inert. Более того, противообледенительная система 12 может получать поток массы (массовый расход) m_WAI с заданной температурой T_WAI и с заданным давлением P_WAI. С другой стороны, устройство регулировки мощности может определять и измерять рабочие характеристик первого источника 3 энергии и второго источника 4 энергии.

В примерном варианте, показанном на фиг.1, первый источник энергии представляет собой, например, систему топливных элементов, а второй источник 4 энергии представляет собой двигатели-генераторы. Устройство регулировки мощности может, например, определять рабочие характеристики первого и второго источников 3, 4 энергии за счет измерения данных, связанных с интенсивностью (силой) потока или с плотностью электрического тока, или за счет заданных фирмой-изготовителем данных. Например, устройство 1 регулировки мощности может измерять, для топливного элемента, кпд η_fc, выходную мощность P_fc,d и массовый расход m_fc продуктов топливного элемента, например, воды или отработанного воздуха с низким содержанием кислорода. Что касается двигателей, то устройство регулировки мощности знает, например, максимальную электрическую мощность P_tw,max, и электрический кпд η_tw двигателя, которые могут быть вычислены при заданных условиях окружающей среды, например, при атмосферном давлении. В зависимости от требуемых средств потребителей 2 и от рабочих характеристик первого и второго источников 3, 4 энергии устройство регулировки мощности может контролировать или регулировать первый и второй источники 3,4 энергии таким образом, что каждый источник 3,4 энергии создает первую и вторую долю потребности в требуемых средствах, для того чтобы соразмерно снабжать потребителей 2.

Более того, устройство регулировки мощности может регулировать доли потребностей в требуемых средствах за счет соответствующих эдуктов источников 3, 4 энергии. Например, устройство 1 регулировки мощности может подавать заданное количество эдуктов в систему топливных элементов, для того чтобы получать необходимые продукты или требуемые средства. Устройство 1 регулировки мощности может, например, за счет изменения величины λ_O2 или отношения поступившего кислорода к прореагировавшему кислороду регулировать состав дополнительных продуктов. Более того, соответствующие рабочие характеристики топливного элемента 6 могут быть введены в устройство 1 регулировки мощности. На основании рабочих характеристик устройство 1 регулировки мощности определяет температуру T_fc, величину λ_O2 и энергоемкость P_fc, при которых топливный элемент может вырабатывать специфическое количество продукта или специфическую долю потребности в требуемых средствах.

Аналогично, устройство 1 регулировки мощности может измерять рабочую характеристику генератора силовой установки. Таким образом, в зависимости от тяги силовой установки, параметров окружающей среды, таких как, например, высота полета, температура окружающей среды и полезная мощность на валу, использованных для генерирования электрической мощности, устройство регулировки мощности может определять электрический кпд η_tw силовой установки. За счет регулировки использованной мощности на валу устройство 1 регулировки мощности может, например, регулировать электрическую мощность P_tw,max, вырабатываемую силовой установкой.

Более того, принимая во внимание рабочие характеристики первого и второго источников 3, 4 энергии, устройство регулировки мощности может подавать требуемые средства потребителю 2 с наивысшей эффективностью. Базируясь на том, что устройству 1 регулировки мощности известны рабочие характеристики источников 3, 4 энергии для выработки требуемых средств или доли потребности, могут быть выбраны эти источники 3, 4 энергии или же эта доля потребности может быть увеличена, что позволяет при данных обстоятельствах достичь наивысшей эффективности η. За счет этого создается смесь первой и второй долей потребностей первого и второго источников 3, 4 энергии, при этом источники 3, 4 энергии позволяют при данных обстоятельствах наиболее эффективно генерировать требуемые средства.

Если, например, заданное количество тепловой энергии требуется для противообледенительной системы 12 крыла, устройство регулировки мощности может отбирать специфическую долю тепловой энергии из топливного элемента или может отбирать специфическую долю потребности в виде стравливаемого воздуха из силовых установок и подавать ее в противообледенительную систему 11 крыла.

На фиг.2 показан примерный вариант взаимодействия систем 2 индивидуальных потребителей, который может быть подразделен на блоки I-IV. Устройство 1 регулировки мощности может быть расположено на границе раздела между индивидуальными потребностями потребителей 2, приоритетами индивидуальных требуемых средств и источниками 3, 4 электроэнергии. Например, если, как это показано на фиг.2, источник 2 энергии представляет собой топливный элемент, тогда устройство 1 регулировки мощности регулирует использование продуктов топливного элемента или требуемых средств, таких как электроэнергия, тепловая энергия, вода и отработанный воздух с низким содержанием кислорода, который может быть назван инертным газом. Индивидуальное использование требуемых средств или подача требуемых средств специфическим потребителям 2 могут осуществляться в соответствии с приоритетами. Например, продукты или требуемые средства топливного элемента могут быть подразделены и распределены в соответствии с приоритетами, присвоенными потребителям 2.

Кроме того, устройство 1 регулировки мощности учитывает рабочие характеристики источников 3, 4 энергии, а также взаимодействия между эдуктами и продуктами источников 3, 4 энергии. На фиг.2 показаны, например, 4 блока I-IV, связанные с использованием продуктов или требуемых средств топливного элемента. Прежде всего, в блоке I, например, может быть обеспечено регулирование энергии. При помощи устройства 1 регулировки мощности, принимая во внимание соответствующие рабочие характеристики, можно оптимальным образом регулировать генераторы переменного тока и генераторы постоянного тока, такие как топливные элементы. Например, устройство 1 регулировки мощности может сначала измерять потребность в электрической мощности P_elek. В это же время устройство регулировки мощности определяет имеющуюся электрическую мощность P_tw,max, например, генератора силовой установки и электрический кпд или рабочую характеристику η_tw генератора силовой установки. С учетом этих параметров устройство регулировки мощности определяет уровень электрической мощности P_tw, который все еще может обеспечивать силовой генератор для того, чтобы покрыть потребность в требуемых средствах, а в данном случае потребность в электрической мощности. Соответственно, устройство 1 регулировки мощности определяет электрический кпд η_fc и электрическую мощность P_fc,d системы топливных элементов. С учетом доли потребности в электрической мощности от силовой установки и от топливного элемента устройство 1 регулировки мощности может затем обеспечивать потребность потребителей 2.

В блоке II, например, может быть осуществлено регулирование системы 8 создания инертной атмосферы и взаимодействия с другими потребителями. С учетом входных данных системы 11 создания инертной атмосферы, например, массового расхода m_inert, температуры T_inert и содержания кислорода Х_O2,inert, устройство 1 регулировки мощности обнаруживает (определяет) количество воздуха с низким содержанием кислорода, которое следует подать в систему создания инертной атмосферы. При совмещении с выполнением этой потребности устройство 1 регулировки мощности может, например, задавать значение λ_O2 топливного элемента. За счет изменения подачи воздуха в систему топливных элементов, например, за счет регулировки компрессора 13, устройство 1 регулировки мощности может регулировать концентрацию кислорода в отработанном воздухе с низким содержанием кислорода топливного элемента.

В блоке III, например, может быть осуществлено регулирование противообледенительной системы 12 (WAIS) летательного аппарата. Устройство 1 регулировки мощности может, например, измерять требуемые средства для противообледенительной системы 12 крыла, например, массовый расход m_WAI, температуру T_WAI и давление p_WAI теплоносителя противообледенительной системы 12 крыла. В соответствии с этой потребностью в требуемых средствах устройство 1 регулировки мощности может, например, отбирать горячий воздух из системы топливных элементов или стравливаемый воздух из силовых установок, в зависимости от того, какой источник 3, 4 энергии, принимая во внимание его рабочую характеристику, будут обеспечивать наилучшую эффективность.

В блоке IV осуществляют заполнение бака для воды. Устройству 1 регулировки мощности известны практически все объемы баков водной системы летательного аппарата, поэтому оно может, за счет измерения потребления воды и уровня заполнения таких баков для воды при вылете, определять потребность в требуемых средствах в виде воды. Таким образом, устройство 1 регулировки мощности может, например, подавать воду, которая является продуктом топливного элемента, из системы топливных элементов в водную систему 10.

Блоки I-IV могут, например, обслуживаться последовательно при помощи устройства 1 регулировки мощности, таким образом, что потребности систем потребителей с более высоким приоритетом удовлетворяются в первую очередь.

На фиг.3 показан примерный вариант примерного списка приоритетов. Список приоритетов может быть активизирован в аварийной ситуации, когда источник 3, 4 энергии, например, топливный элемент, не является больше доступным на 100%, за счет чего может быть обеспечена подача достаточного количества требуемых средств индивидуальным потребителям. На фиг.3 показаны, например, потребности и приоритеты потребителей 2 источника 3, 4 энергии, а в данном случае электрической системы, WAI системы, системы создания инертной атмосферы и водной системы топливных элементов, в зависимости от фаз полета. Например, могут быть следующие фазы полета: выруливание со стоянки, взлет, набор высоты, полет на крейсерском режиме, снижение, заход на посадку и приземление и выруливание на стоянку.

Например, безопасности полета присваивают наивысший приоритет. Безопасность полета, например, характеризуется обеспечением подачи электрической мощности на органы управления полетом, и поэтому требуемые средства в виде электрической мощности (P_elek) электрической системы имеют самый высокий уровень приоритета. Во время набора высоты и снижения безопасность полета может ухудшаться за счет опасности обледенения передних кромок крыльев. Поэтому в данном случае подаче тепловой энергии (P_therm) в WAI систему присваивают наивысший приоритет. Если WAI систему не используют, она не имеет приоритета и поэтому располагается последней в списке приоритетов.

Требуемые средства в виде отработанного воздуха с низким содержанием кислорода (m_inert) системы 11 создания инертной атмосферы имеют третий уровень приоритета, так как они ранжированы ниже указанных средств обеспечения безопасности полета. В течение фаз полета, на которых WAI систему не используют, то есть когда она имеет самый низкий уровень приоритета, отработанный воздух с низким содержанием кислорода для системы 11 создания инертной атмосферы стоит вторым в списке приоритетов.

Функциональная готовность водной системы 10 не является важной для обеспечения общей безопасности полета. Эта система служит только для обеспечения комфорта пассажиров и для предоставления услуг пассажирам. Поэтому требуемым средствам в виде воды (m_water) присваивают самый низкий ранг операционных потребителей в списке приоритетов.

На фиг.4 показана примерная логическая схема переключения устройства 1 регулировки мощности в контексте системы 11 создания инертной атмосферы. С учетом данных (показаний) о концентрации кислорода в пространствах, где существует опасность возгорания, устройство управления сначала принимает решение о необходимости создания инертной атмосферы. Если следует создать инертную атмосферу, устройство 1 регулировки мощности сначала определяет, что массовый расход m_fc,out воздуха топливного элемента превышает требуемый массовый расход воздуха для пространства, в котором создают инертную атмосферу. Если система топливных элементов позволяет обеспечивать требуемый массовый расход m_inert воздуха, тогда в следующей операции проверяют, что требуемое содержание Х_O2 кислорода в отходящем воздухе топливного элемента является достаточно низким для создания инертной атмосферы. Если концентрация Х_O2 кислорода является достаточно низкой для области создания инертной атмосферы, тогда устройство 1 регулировки мощности подает массовый расход m_inеrt воздуха при температуре T_inert в систему создания инертной атмосферы.

Если устройство 1 регулировки мощности обнаруживает недостаточность массового расхода m_fc,out воздуха от системы топливных элементов, тогда следует увеличить выходную мощность топливного элемента. Как это указано в нормах авиационной безопасности, например, в документе JAA25.1309, система создания инертной атмосферы может быть отключена только в течение времени менее 7% длительности полета, чтобы исключить опасность нарушения инертной атмосферы в топливных баках. Другими словами, содержание кислорода в топливных баках не должно превышать заданную величину. Если промежуток времени отключения превышает 7%, то массовый расход m_fc,out воздуха, содержание X_fc,O2 кислорода и, следовательно, выходная мощность P_fc могут быть увеличены. Устройство 1 регулировки мощности может производить регулировку, например, за счет регулировки величины Х_O2. Ниже по течению от конденсатора для отделения водоконденсата и после задания температуры отходящего воздуха из топливного элемента потребитель 2 инертной атмосферы может снабжаться инертным газом или воздухом с низким содержанием кислорода. Накопленный водоконденсат может быть подан, например, в водную систему.

На фиг.5 показан пример гибкого определения рабочей характеристики источника 3, 4 энергии при помощи устройства 1 регулировки мощности. Например, может быть использована система топливных элементов. На основании специфического набора данных, связанных с топливным элементом, заранее могут быть определены различные количества эдуктов системы топливных элементов. Например, может быть заранее определена рабочая характеристика системы топливных элементов, например, предпочтительная величина λ_O2, причем в данном примере λ_O2=2. Это означает, например, что в соответствии с полученной величиной λ подают удвоенное количество кислорода, который затем вступает в электрохимическую реакцию.

Устройство 1 регулировки мощности выбирает чистую выходную мощность в качестве переменной регулирования, причем указанную переменную регулирования получают с учетом потребности или доли потребности в требуемых средствах. Таким образом, чистая выходная мощность системы представляет собой желательную величину, которую может обеспечивать топливный элемент или источник 3, 4 энергии. К заданному значению выходной мощности P_Soll добавляют дополнительные выходные потери P_Ver, возникающие, например, за счет использования компрессоров 13 или других дополнительных устройств. Полную выходную мощность P_Ges, которая может быть получена указанным образом, используют для устройства 1 регулировки мощности в качестве желательной величины.

Регулирование выходной мощности, чтобы получить заданное значение выходной мощности P_Soll, производят, например, в виде алгебраической петли. Алгебраическая петля представляет собой сигнальную петлю, которая содержит вводы с прямой сквозной подачей. Если изменение входного сигнала алгебраической петли вновь непосредственно (прямо) влияет на входной сигнал, то это называют прямой сквозной подачей, что показано на фиг.5. В качестве исходного значения для алгебраической петли образуют частное (отношение) значения P_Ges и напряжения U элемента системы топливных элементов. Это исходное значение позволяет определить плотность тока для указанного напряжения топливного элемента. Новую плотность тока получают в различных рабочих точках характеристики U/I топливного элемента, при этом новое вычисленное напряжение топливного элемента позволяет получить новую петлю. Алгебраическая петля позволяет задать соответствующую рабочую точку на характеристике U/I топливного элемента для желательной выходной мощности системы. Таким образом, устройство 1 регулировки мощности позволяет перманентно определять рабочую характеристику или рабочую точку источника 3, 4, энергии, а в данном примере топливного элемента.

Устройство 1 регулировки мощности управляет подачей эдукта источников 3, 4 энергии. В случае топливного элемента компрессор 13 представляет собой определяющий компонент в том, что касается динамики или вариабельности выходной мощности топливного элемента, потому что таким образом можно регулировать значение λ_O2 для обеспечения оптимальной и эффективной работы топливного элемента. Значение λ_O2 прямо коррелирует с массовым расходом от компрессора. Таким образом, напряжение двигателя привода компрессора может быть выбрано в качестве выходного сигнала u(t) контроллера.

На фиг.6 показана примерная схема управления для системы топливных элементов, которая содержит топливные элементы и компрессор 13. Значение λ_O2 отображает регулируемую переменную y(t) системы топливных элементов. Уставку значения λ_O2 определяют как переменный сигнал w(t) управления. За счет результирующего управляющего отклонения e(t) регулятор задает для устройства 1 регулировки мощности, на основании его законов регулирования, выходной сигнал u(t) контроллера для регулируемого элемента, причем указанный выходной сигнал u(t) контроллера противодействует управляющему отклонению, которое произошло. Напряжение U_Ver двигателя компрессора 13 отображает выходной сигнал u(t) контроллера для управляемого элемента, компрессора 13 и топливного элемента. Если имеется изменение в потребляемых количествах требуемых средств, например, в потреблении отработанного воздуха с низким содержанием кислорода или в потреблении энергии, устройство 1 регулировки мощности, аналогичное описанному здесь выше, может производить регулировку двигателя компрессора и за счет этого может регулировать требуемое количество продуктов топливного элементов.

Список позиционных обозначений:

1. Устройство регулировки мощности

2. Потребитель

3. Первый источник энергии

4. Второй источник энергии

5. Дополнительный потребитель

6. Система топливных элементов

7. Двигатель-генератор

8. Система создания инертной атмосферы

9. Система постоянного тока

10. Система переменного тока

11. Противообледенительная система крыла

12. Водяная система

13. Компрессор

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регуляторе мощности и регуляторе процесса или устройства (1) регулировки мощности, которые предназначены для регулирования гибридного источника энергии для летательного аппарата. Техническим результатом является повышение эффективности (кпд) гибридной системы регулировки энергии. Регулятор мощности и регулятор (1) процесса выполнены с возможностью измерения потребности потребителя (2) в требуемых средствах. Устройство (1) регулировки мощности выполнено с возможностью определения первой рабочей характеристики первого источника (3) энергии и второй рабочей характеристики второго источника (4) энергии. При помощи первого источника (3) энергии и при помощи второго источника (4) энергии могут быть выработаны соответственно первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах. Устройство (1) регулировки мощности позволяет регулировать первый источник (3) энергии и второй источник (4) энергии таким образом, что в зависимости от первой рабочей характеристики и от второй рабочей характеристики первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах может быть подана потребителю (2). 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство регулировки мощности для регулирования гибридных источников энергии для летательного аппарата, которое выполнено с возможностью измерения потребности потребителя в требуемых средствах и с возможностью определения первой рабочей характеристики первого источника энергии и второй рабочей характеристики второго источника энергии;
причем при помощи первого источника энергии может быть выработана первая доля потребности в требуемых средствах, а при помощи второго источника энергии может быть выработана вторая доля потребности в требуемых средствах;
при этом устройство регулировки мощности выполнено с возможностью регулирования первого источника энергии и второго источника энергии таким образом, что в зависимости от первой рабочей характеристики и от второй рабочей характеристики первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах может быть подана потребителю,
причем устройство регулировки мощности выполнено так, что в зависимости от фазы полета могут быть определены первая рабочая характеристика и вторая рабочая характеристика.

2. Устройство регулировки мощности по п.1, которое выполнено с возможностью измерения потребности в требуемых средствах дополнительного потребителя, при этом устройство регулировки мощности регулирует первый источник энергии и второй источник энергии таким образом, что в зависимости от первой рабочей характеристики и от второй рабочей характеристики первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах может быть подана дополнительному потребителю.

3. Устройство регулировки мощности по п.2, которое выполнено так, что в каждом случае приоритет может быть присвоен потребителю и дополнительному потребителю, и в зависимости от приоритета требуемые средства могут быть поданы потребителю и дополнительному потребителю.

4. Устройство регулировки мощности по п.3, которое выполнено так, что приоритет может быть присвоен с учетом аспектов безопасности полета.

5. Устройство регулировки мощности по п.1, которое выполнено так, что при помощи регулировки эдуктов от одного из первых источников энергии и из вторых источников энергии может быть обеспечена первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах.

6. Устройство регулировки мощности по п.1, в котором требуемые средства выбраны из группы, в которую входят электроэнергия и дополнительные продукты, причем дополнительные продукты выбраны из группы, в которую входят вода, тепловая энергия и отработанный воздух с низким содержанием кислорода.

7. Устройство регулировки мощности по п.1, в котором, по меньшей мере, один из первых источников энергии или из вторых источников энергии содержит систему топливных элементов.

8. Устройство регулировки мощности по п.7, в котором система топливных элементов содержит компрессор, который выполнен с возможностью регулировки подвода воздуха или подвода кислорода в систему топливных элементов, при этом устройство регулировки мощности выполнено с возможностью регулировки компрессора.

9. Устройство регулировки мощности по п.1, в котором, по меньшей мере, один из первых источников энергии и из вторых источников энергии содержит двигатель-генератор.

10. Устройство регулировки мощности по п.1, в котором по, меньшей мере, один из первых источников энергии и из вторых источников энергии выбран из группы, в которую входят батареи, электрические генераторы постоянного тока, электрические генераторы переменного тока, аккумуляторы и солнечные элементы.

11. Устройство регулировки мощности по п.1, в котором, по меньшей мере, один из первых потребителей и один из дополнительных потребителей выбраны из группы, в которую входят электрические системы постоянного тока, электрические системы переменного тока, потребители воды, системы создания инертной атмосферы и системы льдоудаления.

12. Энергосистема для летательного аппарата, которая содержит устройство регулировки мощности по одному из пп.1-11,
по меньшей мере, одного потребителя;
первый источник энергии с первой рабочей характеристикой;
второй источник энергии со второй рабочей характеристикой,
причем устройство регулировки мощности выполнено с возможностью измерения потребности потребителя в требуемых средствах и с возможностью определения первой рабочей характеристики и второй рабочей характеристики;
причем при помощи первого источника энергии и при помощи второго источника энергии могут быть выработаны соответственно первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах;
при этом устройство регулировки мощности регулирует первый источник энергии и второй источник энергии таким образом, что в зависимости от первой рабочей характеристики и от второй рабочей характеристики первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах подается потребителю,
причем устройство регулировки мощности выполнено так, что в зависимости от фазы полета могут быть определены первая рабочая характеристика и вторая рабочая характеристика.

13. Способ регулировки гибридного источника энергии для летательного аппарата, который включает в себя следующие операции:
измерение потребности потребителя в требуемых средствах при помощи устройства регулировки мощности;
определение первой рабочей характеристики первого источника энергии и второй рабочей характеристики второго источника энергии при помощи устройства регулировки мощности;
выработка первой доли потребности в требуемых средствах при помощи первого источника энергии и второй доли потребности в требуемых средствах при помощи второго источника энергии;
регулирование первого источника энергии и второго источника энергии при помощи устройства регулировки мощности таким образом, что в зависимости от первой рабочей характеристики и от второй рабочей характеристики первая доля потребности и вторая доля потребности в требуемых средствах подается потребителю,
определение первой рабочей характеристики и второй рабочей характеристики в зависимости от фазы полета при помощи устройства регулировки мощности.

14. Летательный аппарат, который содержит устройство регулировки мощности по одному из пп.1-11.