СИСТЕМА СНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ, В ЧАСТНОСТИ, В ЛЕТАТЕЛЬНОМ АППАРАТЕ Российский патент 2014 года по МПК H02J1/10 

Изобретение относится к системе снабжения электрической энергией, в частности в летательном аппарате.

Такая система известна из DE 102007017820 А1. Для того чтобы на борту самолета можно было отказаться от обычной весьма затратной системы с турбиной и генератором, которая используется лишь в особом случае ситуации аварийного снабжения и поэтому практически никогда, однако, тем не менее, должна обслуживаться для обеспечения рабочей готовности, предусмотрена ее замена топливным элементом для аварийного электроснабжения. Однако поскольку в аварийном случае должно обеспечиваться непрерывное электроснабжение, дополнительно должен иметься накопитель энергии той же мощности электроснабжения, который постоянно заряжается из регулярного электроснабжения с целью обеспечения возможности перекрытия начальной фазы топливного элемента при выходе из строя регулярного электроснабжения.

Однако это снова означает расходы на устройства, готовность к работе которых необходимо постоянно обеспечивать, хотя они практически никогда не требуются. Всегда остается неуверенность в надежном функционировании неиспользуемой системы аварийного электроснабжения. Так называемая спящая неисправность, которая не проявляется при работающей системе, представляет опасность для аварийного электроснабжения.

Кроме того, далеко не все агрегаты должны снабжаться из агрегата аварийного электроснабжения, в частности для многочисленных кухонных функций и функций обеспечения комфорта пассажиров с целью ограничения требуемой аварийной мощности, предусмотрено лишь регулярное электроснабжение. Однако стоимость и конструктивный объем аварийного электроснабжения непременно увеличиваются при сильно нарастающей потребности в регулярном электроснабжении, и даже очень сильно, поскольку главным образом в пассажирских самолетах в настоящее время традиционно гидравлические и пневматические системы управления все больше заменяются электрическими системами управления. Увеличивающаяся в целом потребность в электрической мощности едва обеспечивается становящимися за счет этого все более тяжелыми генераторами двигательной установки; в самолете B787 в каждый реактивный двигатель уже необходимо интегрировать два электрогенератора, что дополнительно повышает сложность и стоимость обслуживания.

С учетом этих обстоятельств в основу изобретения положена техническая задача обеспечения снабжения электрической энергией, в частности для использования в летательном аппарате, с такой надежностью, что может отпадать необходимость в затратах на подлежащее дополнительно поддержанию в рабочем состоянии, автономное аварийное электроснабжение.

Эта задача решена, согласно изобретению, с помощью указанных в независимом пункте формулы изобретения признаков. В соответствии с этим для регулярного электроснабжения служит параллельная схема на стороне выхода нескольких самостоятельно работоспособных, модульных источников электрической энергии, таких как пассивные накопители или активные элементы, которые все лишь в особенно экономичном режиме нагружаются ниже их допустимой максимальной нагрузки. Если один модуль этой системы электроснабжения выходит из строя, то все остающиеся работоспособными модули принудительно более сильно нагружаются. Хотя их работа имеет меньший коэффициент полезного действия, однако для этой функции замены или разгрузки не требуется управления аварийным электроснабжением; при выходе из строя по меньшей мере одного из модулей нет необходимости в запуске и разгоне других модулей, поскольку они уже работают в непрерывном режиме и лишь несколько сильнее нагружаются за счет распределения мощности вышедшего из строя модуля на все другие модули. Этот постоянно осуществляемый регулярный режим работы тестируемых модулей, вместо просто готовности к работе отдельной избыточной системы электроснабжения, можно называть «горячей избыточностью».

Постоянно включенные параллельно, одинаково нагруженные модули не должны быть установлены рядом друг с другом, они могут быть также распределены в потребителе, таком как, например, кабина пассажирского самолета. Предпочтительно, это электроснабжение осуществляется посредством групп параллельно работающих модулей (источников энергии). Когда группы согласованы по месту с существенными потребителями энергии, то это приводит, относительно потребности в пространстве и веса, к ощутимому уменьшению затрат на подлежащие прокладке снабжающие кабели.

Таким образом, существенным для этой системы модульного электроснабжения является то, что каждый из ее модулей в нормальном режиме имеет ощутимый резерв энергии. Округленное до целого числа отношение имеющейся в распоряжении максимальной мощности к лежащей ниже, технически оптимальной нагрузке называется в рамках данного изобретения коэффициентом m модуляции этой системы модулей. Он составляет в обычных активных модулях электроснабжения обычно порядка m=3. Он является одновременно минимальным количеством модулей, подлежащих параллельному включению в системе электроснабжения. В этом случае электроснабжение обеспечивается до выхода из строя m-1 модулей, поскольку единственный остающийся еще исправным модуль все еще может поставлять мощность для m-1 вышедших из строя модулей, естественно, с соответствующей сильной и даже дополнительной максимальной нагрузкой и поэтому с, соответственно, ухудшенным коэффициентом полезного действия, однако даже при длительной работе все еще без критической для работы перегрузки. Таким образом, потребность в энергии питаемых из этой группы модулей, включенных в сеть потребителей, постоянно покрывается также в экстремальных аварийных ситуациях выхода из строя всех модулей, за исключением одного, при этом нет необходимости в переключении выбранных потребителей в сеть аварийного электроснабжения, которую еще сначала необходимо запускать.

В зависимости от типичной для данной конструкции надежности работы соответствующего модуля и подлежащей обеспечению общей надежности системы, количество модулей в сети, соответственно, в группе модулей, на практике лежит более или менее выше расчетного отношения. Также в интересах общей надежности не все группы относительно включенных в них совместно модулей, относительно выделения энергии для модулей и относительно подключенных к сети потребителей не должны быть выполнены полностью идентичными. В возможных за счет модульности различных частичных системах вероятность выхода из строя (по сравнению с идентичными системами) значительно понижается, так что еще более снижается вероятность того, что одновременно происходят выходы из строя одинаковых модулей в двух различных группах модулей.

Пассивные модули могут быть, в частности, аккумуляторами, которые во время работы подзаряжаются с помощью по меньшей мере одного небольшого генератора, приводимого в действие, например, работающей от скоростного напора турбиной. В качестве альтернативного решения эти аккумуляторы можно подзаряжать на земле (быстрый заряд) или заменять. Коэффициент модуляции аккумуляторов определяется их максимально допустимой нагрузкой, отнесенной к оптимальной нагрузке; при этом оптимальная нагрузка представляет компромисс между высоким коэффициентом полезного действия (разрядки) с высоким выходным напряжением вследствие нагрузки небольшим разрядным током и низким коэффициентом полезного действия (разрядки) с низким выходным напряжением вследствие небольших размеров (небольшого количества ячеек, соответственно, величины ячеек).

Однако предпочтительно используются активные модули, такие как батареи и, в частности, в виде систем топливных элементов, которые работают с регенеративными топливами, такими как водород, метанол или этанол. Как раз обусловленная физически и технически связь между оптимальной мощностью и максимальной мощностью топливного элемента позволяет обеспечивать с помощью модульности, согласно изобретению, высокую доступность электроснабжения, которая при дополнительном различии выполнения модулей, вследствие невероятности одновременно возникающих серьезных неисправностей, еще более повышает избыточность и в любом случае делает ненужными расходы на самостоятельное аварийное электроснабжение.

Из приведенного ниже пояснения примеров выполнения, относящихся к модулям топливных элементов, со ссылками на прилагаемые чертежи следуют другие признаки и преимущества, дополнительно к характеризуемым в зависимых пунктах формулы изобретения модификациям и альтернативным вариантам выполнения данного изобретения. При этом на чертежах схематично изображено:

фиг.1 - величины, влияющие на коэффициент модуляции топливного элемента в качестве модуля электроснабжения;

фиг.2 - группа из трех модулей;

фиг.3 - сгруппированные группы, согласно фиг.2;

фиг.4 - группа с модульной периферией для работы модулей;

фиг.5 - упрощенная относительно фиг.4 архитектура за счет использования более стабильной центральной периферии;

фиг.6 - система верхнего уровня из нескольких групп, согласно фиг.5.

При работе комплекса топливных элементов необходимо стремиться к рабочей точке, которая, с одной стороны, обеспечивает небольшой расход топлива (небольшая нагрузка, соответственно, высокое напряжение элемента) и, с другой стороны, работу с небольшой величиной комплекса (так называемый стек из отдельных включенных электрически последовательно элементов). Напряжение элемента падает с повышением тока нагрузки. Поэтому при определенном токе и при типичном обусловленном конструкцией оптимальном напряжении 0,8 В происходит работа, с одной стороны, с относительно выгодным коэффициентом полезного действия и, с другой стороны, с еще приемлемой величиной комплекса, как показано на фиг.1. Максимальная нагрузка топливного элемента с семейством характеристик, показанных на фиг.1, составляет 0,44 Вт/см², однако его оптимальная рабочая мощность равна 0,15 Вт/см². Из этого различия следует в качестве отношения плотностей мощности для этого элемента коэффициент модуляции m = 3.

Поэтому, как показано на фиг.2, необходимо включать (по меньшей мере) три таких элемента в качестве модулей 13 модульного электроснабжения сети 16 потребителей. Когда выходят из строя один или даже два таких модуля 13, остающийся в конечном итоге модуль 13 нагружается, соответственно, сильнее, что приводит к относительному повышению расхода топлива и тем самым к уменьшению коэффициента полезного действия, однако электроснабжение подключенных к выходу такой группы 12 потребителей осуществляется без прерывания и без критичной перегрузки оставшегося элемента. Таким образом, требуемая потребителями энергия непрерывно обеспечивается не за счет подлежащей сначала включению, а и без того находящейся в контролируемой работе сети электроснабжения с этой группой 12 модулей. В зависимости от требований безопасности можно также повышать аппаратное выполнение коэффициента модуляции, однако он должен составлять по меньшей мере m=3.

Показанная на фиг.2 в виде однополюсной блок-схемы система 11 электроснабжения состоит из одной группы 12 из трех комплексов топливных элементов в виде поставляющих постоянное напряжение в сеть 16 для потребителей (не изображены) модулей 13 с коэффициентом модуляции 3 каждый. Модули 13 на стороне выхода включены параллельно через развязывающую схему 14, которая здесь функционально представлена диодами. Они служат для защиты модулей 13 от вредных для работы обратных напряжений. На практике для этого используются мощные полупроводниковые переключатели с небольшой мощностью потерь. В противоположность этому, при применении стойких к обратному напряжению топливных элементов, как в случае так называемых реверсивных топливных элементов, необходимость в такой защитной мере может отпадать, как показано на фиг.4.

Как показано на фиг.3, группы 12 можно в свою очередь группировать в систему более высокого уровня, что приводит, соответственно, к повышению рабочей надежности такой общей системы. При выходе из строя одного из ее модулей с коэффициентом модуляции m=3, (не регулируемая) мощность системы уменьшается лишь на 1/9, соответственно, повышается при постоянной (регулируемой) мощности системы мощность остальных 8 модулей лишь на 9/8=12,5%. Поэтому для отдельных компонентов группы 12 достаточна простая эксплуатационная надежность, и нет необходимости в особых затратах на обеспечение надежности для ее компонентов.

Как показано на фиг.4, каждый из модулей 13 целесообразно снабжается через собственную функциональную периферию 15. При этом она является в случае аккумуляторов, например, генераторами подзарядки, в случае топливных элементов - обеспечением (поставка, хранение и подача) их рабочими газами (топливные и окисляющие вещества для работы элементов), а также требующимися для их работы вспомогательными устройствами, такими как устройства для увлажнения и отвода влаги и для охлаждения.

При наличии особенно стабильной в работе периферии, как, например, в случае не нуждающегося в особых вспомогательных устройствах генератора для подзарядки аккумуляторов, выполнение упрощается по меньшей мере для некоторых групп 12' за счет применения общей периферии 15, как показано на фиг.5.

С помощью выполненных так групп 12' обеспечивается возможность создания более компактной системы верхнего уровня, показанной на фиг.6.

Таким образом, защищенная от выхода из строя система 11 снабжения электрической энергией, в частности в летательном аппарате, обходится согласно изобретению, совсем без затрат на аппаратуру и управление, а также на прокладку кабелей для подлежащего запуску лишь при необходимости, самостоятельного аварийного электроснабжения, когда предусмотрены включенные параллельно на выходе, функционально однотипные снабжающие модули 13, такие как аккумуляторы или, в частности, топливные элементы, для регулярного снабжения сети 16 для потребителей, при этом каждый модуль 13 работает с возможно более оптимальной рабочей точкой или коэффициентом полезного действия, однако в любом случае нагружается значительно ниже максимальной нагрузки. При таком резерве энергии, соответствующем множеству модулей 13, можно всегда покрывать потребность в мощности подключенных к сети 16 потребителей, если при возможном выходе из строя модулей 13 по меньшей мере один из модулей 13 остается способным к работе. Хотя не вышедший из строя модуль 13 после выхода из строя другого питающего эту сеть 16 модуля 13 работает затем с менее благоприятным коэффициентом полезного действия, однако все еще в допустимом диапазоне нагрузки, и за счет этого обеспечивается непрерывное электроснабжение потребителей.

Перечень позиций

11 Система электроснабжения (для 16)

12 Группа (из 13)

13 Модули (в 16)

14 Схемы развязки (между 13 и 16)

15 Функциональная периферия (для 13)

16 Сеть потребителей

Изобретение относится к системам снабжения электрической энергией. Технический результат заключается в обеспечении бесперебойного рабочего электроснабжения потребителей. Защищенная от отказов система (11) снабжения электрической энергией при потребности аварийного электроснабжения, когда регулярное электроснабжение имеет включенные параллельно на стороне выхода снабжающие модули (13), такие как аккумуляторы, которые нагружаются каждый с возможно более оптимальной рабочей точкой или коэффициентом полезного действия, однако ниже максимальной нагрузки. Обеспечиваемый за счет этого резерв мощности позволяет постоянно покрывать потребность в мощности подключенных потребителей, если по меньшей мере один модуль (13) остается в рабочем состоянии. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система (11) снабжения электрической энергией, в частности, для сети (16) потребителей в летательном аппарате, в которой несколько параллельно работающих ниже своей максимальной нагрузки и параллельно подключенных на стороне выхода модулей (13) электроснабжения подключены к сети (16), при этом модули (13) выполнены для нагрузки при оптимальной рабочей точке или оптимальном коэффициенте полезного действия, причем количество параллельно включенных вместе модулей (13) по меньшей мере равно округленному до целого числа отношению мощностей, определяемому как отношение мощностей при максимальной и оптимальной нагрузке модулей (13).

2. Система электроснабжения по п.1, отличающаяся тем, что модули (13) подключены к сети (16) с распределением по ней.

3. Система электроснабжения по п.1, отличающаяся тем, что превышающее упомянутое отношение мощностей количество модулей (13) подключено с объединением в группы (12) к сети (16).

4. Система электроснабжения по п.3, отличающаяся тем, что группы (12) подключены к сети (16) с распределением по ней.

5. Система электроснабжения по п.3 или 4, отличающаяся тем, что группы (12) объединены в систему верхнего уровня, которая подключена к сети (16).

6. Система электроснабжения по п.3 или 4, отличающаяся тем, что упомянутые группы (12) в отношении включенных в них совместно модулей (13), а также в отношении выделения энергии для модулей и относительно подключенных к сети (16) потребителей выполнены различно.

7. Система электроснабжения по п.5, отличающаяся тем, что упомянутые группы (12) в отношении включенных в них совместно модулей (13), а также в отношении выделения энергии для модулей и относительно подключенных к сети (16) потребителей выполнены различно.

8. Система электроснабжения по п.1 или 3, отличающаяся тем, что каждый модуль (13) для его снабжения соединен с собственной периферией (15).

9. Система электроснабжения по п.1 или 3, отличающаяся тем, что объединенные в группы (12') модули (13) для их снабжения соединены с общей периферией (15).

10. Система электроснабжения по п.1, отличающаяся тем, что в качестве пассивных модулей (13) предусмотрены подзаряжаемые от генератора или на земле или заменяемые аккумуляторы.

11. Система электроснабжения по п.1, отличающаяся тем, что в качестве активных модулей (13) предусмотрены топливные элементы.

12. Система электроснабжения по п.1, отличающаяся тем, что между модулями (13) и сетью (16) предусмотрены развязывающие схемы (14).

13. Кабина пассажирского самолета, имеющая систему (11) снабжения электрической энергией по любому из пп.1-12.