СИСТЕМА РЕКУПЕРАЦИИ И РЕГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2019 года по МПК B64D41/00 H01L35/30 H01L37/02 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Передовые устройства выработки электрической энергии на борту летательных аппаратов требуют непрерывной и надежной подачи электрической энергии во время полного диапазона режимов полета для приведения в движение различных электрических систем воздушного судна. Обычно в воздушном судне применяется электрический генератор, соединенный с основными двигателями летательного аппарата и вспомогательной силовой установкой (ВСУ). Тем не менее, эти традиционные методы выработки электрической энергии включают большое количество крупногабаритных и сложных вращающихся частей, которые увеличивают вес воздушного судна и могут вырабатывать электрические шумы, например, электромагнитные помехи (EMI). Так как электрические системы летательных аппаратов становятся более сложными и имеют больше электрических функций, возрастает потребность в легких и компактных энергосистемах для выработки дополнительной электрической энергии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В по меньшей мере одном варианте реализации изобретения система рекуперации и регенерации энергии содержит по меньшей мере один пироэлектрический модуль рекуперации электроэнергии (МРЭ), трубопровод охлаждения, клапан, и модуль аккумулирования энергии. По меньшей мере один пироэлектрический МРЭ генерирует напряжение в ответ на изменение температуры. Трубопровод охлаждения содержит первую концевую часть, гидравлически связанную с источником охлаждающего агента для получения охлаждающего агента, и вторую концевую часть, расположенную рядом с по меньшей мере одним пироэлектрическим МРЭ для подачи на него охлаждающего агента. Клапан расположен между источником охлаждающего агента и по меньшей мере одним пироэлектрическим МРЭ. Клапан регулирует расход охлаждающего агента, который подается на по меньшей мере один пироэлектрический МРЭ для выработки энергии в ответ на изменение температуры. Модуль аккумулирования энергии электрически связан с пироэлектрическим МРЭ для накопления и хранения напряжения, генерируемого по меньшей мере одним пироэлектрическим МРЭ.

[0003] В другом варианте реализации изобретения система рекуперации и регенерации электроэнергии содержит по меньшей мере один термоэлектрический МРЭ, который имеет первую поверхность и вторую поверхность. Термоэлектрический МРЭ выполнен с возможностью выработки напряжения в ответ на восприятие разницы температур между первой и второй поверхностями. Система рекуперации и регенерации электроэнергии также содержит по меньшей мере один трубопровод охлаждения, включающий первую и вторую концевую части. Первая концевая часть гидравлически связана с источником охлаждающего агента для получения охлаждающего агента. Вторая концевая часть расположена рядом со второй поверхностью по меньшей мере одного термоэлектрического МРЭ для подачи на него такого количества охлаждающего агента, чтобы вторая поверхность имела температуру ниже, чем первая поверхность. С по меньшей мере одним термоэлектрическим МРЭ электрически связано электронное устройство, которое работает в ответ на напряжение, произведенное термоэлектрическим МРЭ.

[0004] В еще одном варианте реализации система рекуперации и регенерации электроэнергии содержит по меньшей мере один пьезоэлектрический МРЭ, выполненный с возможностью выработки напряжения в ответ на воздействие физической силы. По меньшей мере один соединительный элемент включает первую и вторую связующие концевые части, которые передают физическую силу на по меньшей мере один пьезоэлектрический МРЭ. Первая связующая концевая часть выполнена возле по меньшей мере одного соединительного элемента, а вторая связующая концевая часть выполнена напротив источника вибрации. Модуль аккумулирования энергии электрически связан с пьезоэлектрическим МРЭ для накопления и хранения напряжения, генерируемого по меньшей мере одним пьезоэлектрическим МРЭ.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0005] Следующие описания не следует считать ограничивающими каким-либо образом. Ссылаясь на сопроводительные графические материалы, подобные элементы пронумерованы аналогично:

[0006] ФИГ. 1А иллюстрирует вид сверху заднего шпангоута-переборки воздушного судна, содержащего пироэлектрическую систему рекуперации и регенерации энергии согласно по крайней мере одному варианту реализации изобретения;

[0007] ФИГ. 1В иллюстрирует вид сбоку в разрезе, взятый по осевой линии (ОЛ-ОЛ) заднего шпангоута-переборки воздушного судна, проиллюстрированного на ФИГ. 1А;

[0008] ФИГ. 2 иллюстрирует вид сверху заднего шпангоута-переборки воздушного судна, содержащего пироэлектрическую систему рекуперации и регенерации энергии согласно другому варианту реализации изобретения;

[0009] ФИГ. 3 иллюстрирует электрическую схему цепи пироэлектрического МРЭ согласно одному из вариантов реализации;

[0010] ФИГ. 4А-4В иллюстрируют работу пироэлектрического МРЭ, содержащегося в пироэлектрической системе рекуперации и регенерации энергии согласно одному из вариантов реализации;

[ООН] ФИГ. 5 иллюстрирует вид сверху заднего шпангоута-переборки воздушного судна, содержащего термоэлектрическую систему рекуперации и регенерации энергии согласно другому варианту реализации изобретения;

[0012] ФИГ. 6 иллюстрирует электрическую схему цепи термоэлектрического МРЭ согласно одному из вариантов реализации;

[0013] ФИГ. 7 иллюстрирует работу термоэлектрического МРЭ, содержащегося в термоэлектрической систему рекуперации и регенерации энергии согласно одному из вариантов реализации;

[0014] ФИГ. 8 иллюстрирует вид сверху заднего шпангоута-переборки воздушного судна, содержащего пьезоэлектрическую систему рекуперации и регенерации энергии согласно еще одному варианту реализации изобретения;

[0015] ФИГ. 9 иллюстрирует электрическую схему цепи пьезоэлектрического МРЭ согласно варианту реализации; и

[0016] ФИГ. 10А-10С иллюстрируют работу пьезоэлектрического МРЭ, содержащегося в пьезоэлектрической системе рекуперации и регенерации энергии согласно варианту реализации.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] Подробное описание одного или нескольких вариантов реализации раскрываемого устройства и способа приводится здесь, используя метод приведения примеров, но не ограничения, со ссылкой на Фигуры.

[0018] На ФИГ. 1А-1В проиллюстрирована задняя переборка 100 летательного аппарата (т.е. переборка задней части фюзеляжа 100), включающая систему рекуперации и регенерации энергии 102, согласно первому варианту реализации. Задняя переборка 100 включает фюзеляж 104 и хвостовой обтекатель 106. Вертикальное хвостовое оперение 108 может быть соединено с внешней поверхностью фюзеляжа 104. Хвостовой обтекатель 106 может содержать вспомогательную силовую установку (ВСУ) 110. ВСУ 110 может включать воздухозаборник ВСУ 112, генератор ВСУ 114, турбину ВСУ 116, коробку приводов ВСУ 118, компрессор ВСУ 120 и выходной тракт ВСУ 122. Турбина ВСУ 116 работает для вращения генератора ВСУ 114 посредством вала, находящегося в коробке приводов ВСУ 118. Компрессор ВСУ 120 получает наружный входящий воздух через воздухозаборник ВСУ 112 и подает сжатый воздух в камеру сгорания ВСУ, в которую впрыскивается топливо. После сгорания топлива горячие выхлопные газы вращают турбину ВСУ 116, которая получает тепловую энергию с помощью открытого цикла Брайтона, выпуская тепло и выхлопные газы через выходной тракт ВСУ 122. В результате компрессии воздуха в компрессоре ВСУ 120, сжатый входящий воздух также нагревается. Коробка приводов ВСУ 118 находится между генератором ВСУ 114 и компрессором ВСУ 120. Коробка приводов ВСУ 118 может включать муфту, которая выборочно разъединяет генератор ВСУ 114 и вал компрессора 120, таким образом управляя энергией, подаваемой на генератор ВСУ 114. Часто генератор ВСУ 114 сконструирован как комбинированный стартер/генератор (С/Г), который работает как стартер при подаче на него электрического тока для запуска ВСУ 110, вращая входной/выходной вал и компрессор ВСУ 120. После того как двигатель ВСУ запущен и работает устойчиво, блок С/Г изменяет свою функциональность на противоположную, теперь работая как генератор, генерируемый электрическую энергию от вращения выходного вала двигателя ВСУ.

[0019] ВСУ 110 может обеспечивать энергию для запуска основных газотурбинных двигателей летательного аппарата. Например, основные газотурбинные двигатели должны быть разогнаны до высокой скорости вращения для обеспечения достаточной компрессии воздуха для самостоятельной работы. ВСУ 110 может использоваться для энергоснабжения одной или нескольких второстепенных систем, к примеру: электроники приборной панели, вентиляторов кабины, электрики уборной/кухни и т.п., в то время как основные двигатели остановлены. ВСУ 110 может также быть соединена с гидравлическим насосом, что позволяет экипажу использовать гидравлическое оборудование (например, органы управления полетом, или закрылки) до запуска основного двигателя(-лей). Как было упомянуто выше, ВСУ 110, тем не менее, требует различных движущихся и вращающихся частей.

[0020] В первом варианте реализации изобретения задняя переборка летательного аппарата 100 содержит систему рекуперации и регенерации энергии 102, выполненную с возможностью использовать/возвращать энергию, имеющуюся в летательном аппарате. Восстановленная энергия может храниться и/или подаваться на различные электрические подсистемы для повышения КПД использования энергии летательного аппарата. Несмотря на то, что первый вариант реализации, описанный далее, иллюстрирует систему рекуперации и регенерации энергии 102, находящуюся в задней переборке 100, расположение этой системы не ограничивается ею. Соответственно, ясно, что система рекуперации и регенерации энергии 102 может находиться в одном или нескольких альтернативных местоположениях в летательном аппарате.

[0021] Ссылаясь снова на ФИГ. 1А-1В, задняя переборка 100 включает систему рекуперации и регенерации энергии 102 согласно варианту реализации, которая выполнена как пироэлектрическая система рекуперации и регенерации энергии, и на которую мы будем ссылаться в настоящем документе. Несмотря на то, что пироэлектрическая система рекуперации и регенерации энергии 102 проиллюстрирована на ФИГ. 1 и 2, могут быть реализованы другие виды систем рекуперации и регенерации энергии, включая, помимо прочего, термоэлектрическую систему рекуперации и регенерации энергии 102' и пьезоэлектрическую систему рекуперации и регенерации энергии 102ʺ, как более детально описано ниже.

[0022] Пироэлектрическая система рекуперации и регенерации энергии 102 включает один или несколько пироэлектрических модулей рекуперации энергии (МРЭ) 126, трубопровод охлаждения 128, быстродействующий клапан 130 и модуль аккумулирования энергии 132. Пироэлектрические МРЭ 126 производят временное напряжение под действием изменения температуры (т.е. при нагревании или охлаждении), как будет более подробно описано далее. Пироэлектрические МРЭ 126 могут быть, к примеру, расположены напротив внешней нагреваемой поверхности выходного тракта ВСУ 122. Согласно варианту реализации, проиллюстрированному на ФИГ. 1А-1В, трубопровод охлаждения 128 выполнен как линия перепускаемого воздуха 128, которая гидравлически связана с воздухозаборником ВСУ 112. Линия перепускаемого воздуха 128 отбирает часть холодного входящего воздуха у компрессора ВСУ 120 и подает его на пироэлектрические МРЭ 126. Соответственно, внешняя поверхность пироэлектрических МРЭ 126 охлаждается, вызывая таким образом изменение температуры, воспринимаемое пироэлектрическими МРЭ 126.

[0023] Как было упомянуто выше, единичное изменение температуры, испытываемое пироэлектрическими МРЭ 126, генерирует временное напряжение. Для поддержания продолжительного выхода напряжения пироэлектрические МРЭ 126 должны испытывать продолжительное изменение температуры, т.е. пироэлектрические МРЭ 126 должны нагреваться и охлаждаться продолжительно и с чередованиями. Соответственно, быстродействующий клапан 130 может быть расположен между воздухозаборником 112 и пироэлектрическими МРЭ 126 для открытия и/или перекрытия канала подачи воздуха на пироэлектрические МРЭ 126. Быстродействующий клапан 130 может управляться, например, микропроцессором. Продолжительное открытие и закрытие клапана 130 вызывает изменение объема подачи холодного входящего воздуха на пироэлектрические МРЭ 126. Продолжительное изменение объема подачи холодного воздуха вызывает постоянно чередующуюся разницу температур в пироэлектрических МРЭ 126 для поддержания продолжительного выходного напряжения. Следовательно, входящий воздух, подаваемый в компрессор ВСУ 120, может быть рационально использован для производства дополнительной энергии, которая может храниться и/или использоваться одной или несколькими подсистемами воздушного судна.

[0024] Несмотря на то, что в качестве охлаждающего агента, подаваемого на пироэлектрические МРЭ 126, используется холодный входящий воздух, могут использоваться другие агенты. Касательно ФИГ. 2, например, одна концевая часть одного или нескольких трубопроводов охлаждения 134 может быть гидравлически связанной с впуском 135 блока охлаждения 136 для получения охлаждающего агента в виде жидкости. Охлаждающая жидкость может включать, помимо прочего, переохлажденную воду, водно-пропиленгликолевый раствор, органические хладагенты и т.д. Обратный конец трубопровода охлаждающей жидкости 134 может быть расположен рядом с пироэлектрическими МРЭ 126 для подачи на них холодной охлаждающей жидкости, таким образом, охлаждая поверхность пироэлектрических МРЭ 126. Быстродействующий клапан 130 может располагаться между блоком охлаждения 136 и пироэлектрическими МРЭ 126 для регулирования потока охлаждающей жидкости на пироэлектрические МРЭ 126 в каждом трубопроводе охлаждающей жидкости 134. В по меньшей мере одном варианте реализации быстродействующий клапан 130 может располагаться в одном или нескольких соответствующих трубопроводах охлаждающей жидкости 134, или в каждом трубопроводе охлаждающей жидкости 134. Клапаны плавного регулирования потока 130 могут управляться и синхронизироваться микропроцессором. Таким образом, генерируется временное напряжение, которое может подаваться на модуль аккумулирования энергии 132 и в нем храниться. Модуль аккумулирования энергии 132 может содержать, помимо прочего, аккумулятор, конденсатор и ионистор. В другом варианте реализации напряжение может также подаваться на одну или более электрических подсистем.

[0025] На ФИГ. 3 проиллюстрирована электрическая схема цепи пироэлектрического МРЭ 138. Цепь пироэлектрического МРЭ 138 включает источник тока 140, фильтр 142 и выпрямительный мост 144. Источник тока 140, фильтр 142 и выпрямительный мост 144 соединены параллельно друг с другом. Фильтр 142 может содержать первый конденсатор 146 и первый резистор 148. Первый конденсатор 146 соединен параллельно с источником тока 140 и первым резистором 148. Выпрямительный мост 144 соединен параллельно с выходом фильтра 142. Выпрямительный мост 144 может содержать первый диод 150, второй диод 152, третий диод 154 и четвертый диод 156. Что касается первого 150 и четвертого 156 диодов, катод первого диода 150 соединен с первым выходом цепи 159 выхода фильтра, а катод четвертого диода 156 соединен с противоположным выходом цепи 160 фильтра 142. Анод первого диода 150 соединен с анодом четвертого диода 156. Что касается второго 152 и третьего 154 диодов, анод второго диода 152 соединен с катодом первого диода 150, а анод третьего диода 154 соединен с катодом четвертого диода 156. К тому же, катод второго диода 152 соединен с катодом третьего диода 154. В одном из вариантов реализации выпрямительный мост 144 может быть выполнен как мост Уитстона, который включает токочувствительный контур 161, соединенный между анодом первого и четвертого диодов 150, 156, и катодом второго и третьего диодов 152, 154. Токочувствительный контур 161 может включать второй резистор 162, соединенный последовательно со вторым конденсатором 163.

[0026] На ФИГ. 4А и 4В проиллюстрирован пироэлектрический МРЭ 126 согласно варианту реализации. Пироэлектрический МРЭ 126 включает ряд полупроводниковых элементов 164, расположенных между первой теплопроводящей поверхностью 166 и второй теплопроводящей поверхностью 168. Полупроводниковые элементы 164 могут быть изготовлены из материала, включая, помимо прочего, нитрид галлия (GaN), нитрид цезия (CsNO₃), танталат лития (LiTaO₃) и спеченную керамику, содержащую цирконат свинца, танталат свинца, станнат свинца, либо их сочетание. Для выполнения пироэлектрического материала могут также использоваться различные полимеры, включая, помимо прочего, поливинилиденфторид тетрафторэтилен (P(VDF-TrFE)).

[0027] Пироэлектрический материал полупроводникового элемента 164 МРЭ выполнен с возможностью выработки напряжения при чередующемся нагревании и охлаждении пироэлектрического материала. Теплота, поглощенная пироэлектрическим материалом, изменяет расположение атомов в структуре кристаллической решетки материала. Это приводит к изменению поляризации, что в свою очередь вызывает повышение напряжения в полупроводниковом элементе МРЭ. Типовые величины удельной энергии пироэлектрических устройств находятся в диапазоне от прибл. 5 Ватт на килограмм (Вт/кг) до прибл. 30 Вт/кг при использовании, к примеру, поливинилиденфторид тетрафторэтилена (P(VDF-TrFE)). Следовательно, пироэлектрический МРЭ 164 регенерирует энергию, которая обычно не используется, или теряется в системе. Таким образом, возможно возвращение и регенерация энергии без каких-либо больших или сложных вращающихся и/или двигающихся частей.

[0028] Ряд полупроводниковых элементов 164 включает по меньшей мере один полупроводниковый элемент с проводимостью p-типа (Р) и по меньшей мере один полупроводниковый элемент с проводимостью n-типа (N). Элемент с проводимостью p-типа (Р) выполнен легированием в полупроводниковый элемент материала с положительной проводимостью, например, фосфора (Р). Элемент с проводимостью n-типа (N) выполнен легированием в полупроводниковый элемент материала с отрицательной проводимостью, например, бора (В). Более того, полупроводниковые элементы 164 могут иметь температурный порог (Т_П). В одном из вариантов реализации полупроводниковые элементы 164 МРЭ выполнены в форме узких полосок, которые могут располагаться на нагреваемой поверхности, к примеру, выходного тракта ВСУ 122. Полоски могут быть достаточно тонкими для того, чтобы принимать форму нагреваемой поверхности. Таким образом, на источнике теплоты может располагаться максимальная площадь поверхности МРЭ, что позволяет достичь максимального количества теплоты, доводя до максимума напряжение, генерируемое пироэлектрическим МРЭ 126.

[0029] Первая теплопроводящая поверхность 166 может быть охлаждена до температуры ниже (Т_П), в то время как вторая теплопроводящая поверхность 166 может быть охлаждена до температуры выше (Т_П) (см. ФИГ. 4А). Таким образом, в полупроводниковых элементах 164 возникает разница температур. Разница температур генерирует временное напряжение в полупроводниковых элементах 164, которое может подаваться на модуль аккумулирования энергии 132 и/или в электрическую систему, как было сказано выше. Для поддержания выходного напряжения (VВЫХ) на пироэлектрических МРЭ 126 возможно чередование температур на первой и второй поверхностях 166, 168. Например, первая теплопроводящая поверхность 166 может быть нагрета до температуры выше (Т_П), в то время как вторая теплопроводящая поверхность 168 может быть охлаждена до температуры ниже (Т_П) (см. ФИГ. 4В).

[0030] На основании описанной выше системы рекуперации и регенерации энергии 102 может быть достигнут способ рекуперации и регенерации энергии. В частности, может подаваться охлаждающий агент на первую поверхность пироэлектрических МРЭ 126, которые генерируют напряжение в ответ на изменение температур, как было описано выше. Потоком охлаждающего агента можно плавно управлять, например, постоянно открывая и закрывая быстродействующий клапан 130, чтобы пироэлектрические МРЭ 126 испытывали постоянное изменение температуры и вследствие этого вырабатывали постоянное напряжение. Затем напряжение выхода пироэлектрических МРЭ 126 может быть выведено на модуль аккумулирования энергии 132 для накопления, или в электрическую систему для питания одного или нескольких электронных устройств.

[0031] На ФИГ. 5 проиллюстрирован вид сверху задней переборки летательного аппарата 100, включающей термоэлектрическую систему рекуперации и регенерации энергии 102'. Термоэлектрическая система рекуперации и регенерации энергии 102' включает один или несколько термоэлектрических МРЭ 174, один или несколько трубопроводов подачи охлаждающего агента 176, дополнительный блок охлаждения (ДБО) 178 и модуль аккумулирования энергии 132. Термоэлектрические МРЭ 174 производят напряжение в ответ на восприятие разницы температур в них.

[0032] В отличие от пироэлектрических МРЭ 126, постоянно чередующееся изменение температуры не является необходимым для поддержания напряжения выхода. Трубопроводы охлаждения 176 включают первую концевую часть, которая гидравлически связана с впуском 180 ДБО 178. Трубопроводы охлаждения 176 могут располагаться рядом с теплопроводящей поверхностью термоэлектрических МРЭ 174 для подачи на них более низкой температуры. Противоположная поверхность термоэлектрических МРЭ 174 может подогреваться. Например, противоположная поверхность термоэлектрических МРЭ 174 может располагаться на подогреваемой внешней поверхности выходного тракта ВСУ 122. Таким образом, термоэлектрические МРЭ 174 испытывают изменение температуры и вследствие этого генерируют напряжение выхода (V_ВЫХ), которое может храниться в модуле аккумулирования энергии 132, как описано выше. Трубопроводы охлаждения 176 могут возвращаться в ДБО 178, который повторно охлаждает охлаждающий агент и возвращает охлажденный агент на термоэлектрические МРЭ 174 для поддержания разницы температур. Хотя трубопроводы охлаждения 176 и ДБО 178 описываются по отношению к термоэлектрической системе рекуперации и регенерации энергии 102', понятно, что линия перепускаемого воздуха 124 и клапан 130, описанные ранее, могут также использоваться для подачи холодного воздуха на термоэлектрические МРЭ 174, и наоборот. Также ясно, что может также использоваться сочетание ДБО 178, трубопроводов охлаждения, линии перепускаемого воздуха 124 и клапана 130.

[0033] На ФИГ. 6 проиллюстрирована электрическая схема цепи 182 термоэлектрического МРЭ. Цепь 182 термоэлектрического МРЭ включает двойной источник напряжения 184 (содержащий первый 186 и второй 188 источники напряжений, соединенные последовательно), первый конденсатор 190, инвертор 192 и второй конденсатор 194, соединенные параллельно друг с другом. Инвертор 192 находится между первым конденсатором 190 и вторым конденсатором 194. Цепь 182 термоэлектрического МРЭ может дополнительно включать диод 196, катод которого соединен с отрицательным выходом двойного источника напряжения 184, а анод соединен совместно с выходом первого конденсатора 190, инвертора 192 и второго конденсатора 194.

[0034] На ФИГ. 7 проиллюстрирован термоэлектрический МРЭ 174, содержащийся в термоэлектрической системе рекуперации и регенерации энергии 102'. Термоэлектрический МРЭ 174 включает ряд полупроводниковых элементов 198, расположенных между первой теплопроводящей поверхностью 200 и второй теплопроводящей поверхностью 202. Ряд полупроводниковых элементов 198 включает по меньшей мере один полупроводниковый элемент с проводимостью p-типа (Р) и по меньшей мере один полупроводниковый элемент с проводимостью n-типа (N). Элемент с проводимостью p-типа (Р) выполнен легированием в полупроводниковый элемент материала с положительной проводимостью, например, фосфора (Р). Элемент с проводимостью n-типа (N) выполнен легированием в полупроводниковый элемент материала с отрицательной проводимостью, например, бора (В). Первая теплопроводящая поверхность 200 может быть нагрета до температуры 1 (T₁), в то время как вторая теплопроводящая поверхность 202 может быть охлаждена (Т₂). Таким образом, создается разница температур (Т₂-T₁) в полупроводниковых элементах 198, которая вызывает напряжение в полупроводниковых элементах 164. Напряжение выхода (V_ВЫХ) может подаваться на модуль аккумулирования энергии 132 и/или в электрическую систему, как описано выше.

[0035] На основании другого варианта реализации описанной выше системы рекуперации и регенерации энергии 102 может быть достигнут способ рекуперации и регенерации энергии. В частности, первая теплопроводящая поверхность 200 термоэлектрических МРЭ 174 нагревается, в то время как вторая теплопроводящая поверхность 202 термоэлектрических МРЭ охлаждается. Таким образом, возникает разница температур между первой 200 и второй 202 поверхностями, что вызывает выработку напряжения термоэлектрическими МРЭ 174, как описано выше. Затем напряжение выхода (V_ВЫХ) термоэлектрических МРЭ 174 может быть выведено на модуль аккумулирования энергии 132 для накопления, или в электрическую систему для питания одного или нескольких электронных устройств.

[0036] На ФИГ. 8 проиллюстрирован вид сверху задней переборки летательного аппарата 100, включающей пьезоэлектрическую систему рекуперации и регенерации энергии 102ʺ. Пьезоэлектрическая система рекуперации и регенерации энергии 102ʺ включает один или несколько пьезоэлектрических МРЭ 208, соединительный элемент 210, расположенный на соответствующем пьезоэлектрическом МРЭ 208 для подачи вибрации на него и модуль аккумулирования энергии 132. Для поддержки одного или нескольких пьезоэлектрических МРЭ 208 может быть предложено упругое основание 212. Пьезоэлектрические МРЭ 208 производят напряжение в ответ на воздействие вибрации. В одном примере одна концевая часть соединительного элемента 210 соединена с соответствующим пьезоэлектрическим МРЭ 208, а противоположная концевая часть соединительного элемента 210 соединена с источником вибрации. Например, сама переборка 100, или различные части переборки 100, например, один или несколько подкосов 218, которые поддерживают выходной тракт 122 ВСУ, как правило, вибрируют во время полета. Поэтому соединительные элементы 210 передают вибрации на пьезоэлектрические МРЭ 208 для выработки напряжения выхода. Следовательно, вибрации летательного аппарата, например, вибрации переборки 100, вызванные поворотом руля направления на киле 108 и/или стабилизаторе (не показано), могут быть использованы для выработки электрической энергии, которая может быть накоплена и/или использована одной или несколькими электрическими подсистемами.

[0037] В другом варианте реализации первый соединительный конец первого соединительного элемента 210 находится на первой концевой части пьезоэлектрического МРЭ 208, а первый соединительный конец второго соединительного элемента 210 находится на противоположной концевой части пьезоэлектрического МРЭ 208. Вторые соединительные концы первого и второго соединительного элемента могут находиться на источнике вибрации, например, на подкосах выпускного тракта 218. При вибрации подкосов 218, первый и второй соединительный элемент 210 действием силы направляются друг к другу или друг от друга. Благодаря этому пьезоэлектрический МРЭ 208 испытывает вибрацию, которая таким образом деформирует (т.е. сдавливает или растягивает) пьезоэлектрический материал, что вызывает выработку напряжения выхода (см. ФИГ. 10В-10С).

[0038] На ФИГ. 9 проиллюстрирована электрическая схема цепи 224 пьезоэлектрического МРЭ. Цепь 224 пьезоэлектрического МРЭ содержит пьезоэлектрический элемент 208, соединенный параллельно с пьезоэлектрическим конденсатором 226 и одним или несколькими выходными конденсаторами 226. Пьезоэлектрический элемент 228 может быть выполнен из пьезоэлектрического материала, включая, помимо прочего, кварц, топаз и турмалин. Соответственно, напряжение, V_ВЫХ, может быть произведено в одном или нескольких выходных конденсаторах 226 в ответ на вибрацию и/или деформацию пьезоэлектрического элемента 228. Напряжение в выходных конденсаторах 228 может быть выведено на модуль аккумулирования энергии и/или использовано в одной или нескольких электрических подсистемах.

[0039] На ФИГ. 10А-10С проиллюстрирована работа пьезоэлектрического МРЭ 208, который содержится в пьезоэлектрической системе рекуперации и регенерации энергии 102ʺ. В частности, когда пьезоэлектрический МРЭ 208, соединенный с упругим основанием 212, не вибрирует и не деформируется, он остается в неподвижном состоянии и не генерирует электрическую энергию (см. ФИГ. 10А). Когда пьезоэлектрический МРЭ 208 вибрирует и/или деформируется, он генерирует электрическую энергию. Например, пьезоэлектрический МРЭ 208 генерирует электрическую энергию, когда он под действием силы сгибается вовнутрь, таким образом деформируясь в первом направлении (см. ФИГ. 10В) и/или когда он сгибается наружу, таким образом деформируясь во втором направлении (см. ФИГ. 10С). Напряжения выхода (V_ВЫХ), генерируемое пьезоэлектрическим МРЭ 208, является пропорциональным величине физической силы или механического воздействия (вибрации), прилагаемой к материалу пьезоэлектрического МРЭ. Соответственно, более сильные вибрации летательного аппарата производят более высокое напряжение выхода из пьезоэлектрического МРЭ 208.

[0040] Таким образом, на основании еще одного варианта реализации описанной выше системы рекуперации и регенерации энергии 102 может быть достигнут способ рекуперации и регенерации энергии. В частности, может передаваться вибрация на пьезоэлектрический МРЭ 208. Вибрация может быть приложена к пьезоэлектрическому МРЭ 208, или к концевым частям пьезоэлектрического МРЭ 208 для деформирования пьезоэлектрического материала. В ответ на вибрацию и/или деформацию пьезоэлектрический МРЭ 208 генерирует напряжение, как описано выше. Затем напряжение выхода (V_ВЫХ), произведенное пьезоэлектрическими МРЭ 208, может быть выведено на модуль аккумулирования энергии 132 для накопления, или в электрическую систему для питания одного или нескольких электронных устройств.

[0041] Таким образом, по меньшей мере один вариант реализации, который был подробно описан выше, представляет собой систему рекуперации и регенерации энергии, выполненную с возможностью использовать/возвращать энергию, имеющуюся в летательном аппарате, и преобразовывать эту энергию без каких-либо больших вращающихся и/или сложных подвижных частей. Система рекуперации и регенерации энергии содержит МРЭ, выполненный с возможностью использовать/возвращать энергию, теряемую в одной или нескольких системах летательного аппарата, и регенерировать эту энергию, которая может быть накоплена в модуле аккумулирования энергии и/или использоваться для питания одной или нескольких электрических подсистем без использования больших и/или сложных подвижных частей.

[0042] Притом что настоящее изобретение было описано со ссылкой на примеры варианта или вариантов реализации, специалистам в данной области будет понятно, что в него могут быть внесены различные изменения, и что элементы изобретения могут быть заменены на эквиваленты в пределах объема изобретения. В дополнение к этому, могут быть осуществлены различные варианты изобретения для адаптации конкретной ситуации или материала к идеям изобретения в пределах его объема. Таким образом, предполагается, что объем настоящего изобретения не ограничивается конкретным вариантом реализации, раскрытым как лучший вариант, предполагаемый для воплощения настоящего изобретения, и что настоящее изобретение будет включать в себя все варианты реализации в пределах объема формулы изобретения.

Система рекуперации и регенерации энергии содержит пироэлектрический модуль рекуперации электроэнергии (МРЭ), который генерирует напряжение в ответ на изменение температуры, трубопровод охлаждения, гидравлически связанный с источником охлаждающего агента для получения охлаждающего агента, клапан для регулировки расхода охлаждающего агента, модуль аккумулирования энергии для накопления и хранения напряжения. Поверхность пироэлектрического МРЭ, образованная непосредственно напротив нагреваемой твердой поверхности, получает тепло. Вырабатывается дополнительная электрическая энергия. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Система рекуперации и регенерации энергии, содержащая:

по меньшей мере один пироэлектрический модуль рекуперации энергии (МРЭ), расположенный напротив вспомогательной силовой установки (ВСУ) летательного аппарата и выполненный с возможностью генерировать напряжение в ответ на изменение температуры;

трубопровод охлаждения, содержащий первую концевую часть, гидравлически связанную с воздухозаборником ВСУ, определяя источник охлаждающего агента, подающий охлаждающий агент через трубопровод охлаждения, и вторую концевую часть, расположенную рядом с по меньшей мере одним пироэлектрическим МРЭ, при этом трубопровод охлаждения отбирает у ВСУ часть охлаждающего агента, поступающего из источника охлаждающего агента, и подает его на пироэлектрический МРЭ;

клапан, расположенный между источником охлаждающего агента и по меньшей мере одним пироэлектрическим МРЭ, выполненный с возможностью регулировки расхода охлаждающего агента, который подается на по меньшей мере один пироэлектрический МРЭ для выработки энергии в ответ на изменение температуры; и

модуль аккумулирования энергии, электрически связанный с пироэлектрическим МРЭ, выполненный с возможностью накопления и хранения напряжения, генерируемого по меньшей мере одним пироэлектрическим МРЭ,

при этом первая поверхность пироэлектрического МРЭ получает только охлаждающий агент с регулируемым расходом, производимым клапаном, а вторая поверхность, образованная непосредственно напротив нагреваемой твердой поверхности, получает тепло,

а пироэлектрический МРЭ включает в себя по меньшей мере один полупроводниковый элемент, расположенный между первой поверхностью и второй поверхностью.

2. Система рекуперации и регенерации энергии по п. 1, отличающаяся тем, что первая концевая часть трубопровода охлаждения гидравлически связана с воздухозаборником обеспечивающим подачу холодного воздуха, а вторая концевая часть выполнена с возможностью подачи холодного воздуха на первую поверхность.

3. Система рекуперации и регенерации энергии по п. 2, отличающаяся тем, что клапан выполнен с возможностью регулирования потока холодного входящего воздуха путем постоянного управления открытием и закрытием и с возможностью быстрого регулирования потока холодного воздуха, подаваемого на по меньшей мере один пироэлектрический МРЭ для выработки энергии в ответ на изменение температуры, при этом первая поверхность пироэлектрического МРЭ получает только быстро регулируемый поток холодного воздуха, производимый клапаном.

4. Система рекуперации и регенерации энергии по п. 3, отличающаяся тем, что пироэлектрический МРЭ выполнен из тонкого пироэлектрического материала таким образом, чтобы вторая поверхность принимала форму источника тепла.

5. Система рекуперации и регенерации энергии, содержащая:

по меньшей мере один термоэлектрический МРЭ, который имеет первую поверхность и вторую поверхность, а термоэлектрический МРЭ выполнен с возможностью генерирования напряжения в ответ на восприятие разницы температур между первой и второй поверхностями;

по меньшей мере один трубопровод охлаждения, содержащий первую концевую часть, гидравлически связанную с воздухозаборником вспомогательной силовой установки (ВСУ), определяя источник охлаждающего агента, подающий охлаждающий агент через трубопровод охлаждения, и вторую концевую часть, расположенную рядом со второй поверхностью по меньшей мере одного термоэлектрического МРЭ, тем самым поддерживая температуру второй поверхности ниже, чем первой поверхности; и

электронное устройство, электрически связанное с по меньшей мере одним термоэлектрическим МРЭ, выполненное с возможностью работать в ответ на напряжение, генерированное термоэлектрическим МРЭ,

при этом первая поверхность термоэлектрического МРЭ нагревается, а вторая поверхность термоэлектрического МРЭ охлаждается, генерируя тем самым напряжение.

6. Система рекуперации и регенерации энергии по п. 5, дополнительно содержащая блок охлаждения, который подает холодную охлаждающую жидкость, в котором первая концевая часть по меньшей мере одного трубопровода охлаждения гидравлически связана с блоком охлаждения для получения холодной охлаждающей жидкости, а вторая концевая часть подает холодную охлаждающую жидкость рядом с по меньшей мере одним термоэлектрическим МРЭ для охлаждения второй поверхности.

7. Система рекуперации и регенерации энергии по п. 6, отличающаяся тем, что первая поверхность термоэлектрического МРЭ расположена на источнике тепла.

8. Система рекуперации и регенерации энергии по п. 7, отличающаяся тем, что термоэлектрический МРЭ выполнен с возможностью обеспечения второй поверхности принятия формы источника тепла, притом что он выполнен из тонкого термоэлектрического материала.