Потенциал вспомогательных силовых установок на солнечной энергии в операциях реактивных двигателей

Авиационная промышленность сталкивается с растущим давлением, чтобы обуздать свой углеродный след, с Международной ассоциацией воздушного транспорта (IATA), нацеленной на чистые нулевые выбросы к 2050 году. В то время как большое внимание уделяется экологически чистым авиационным топливам (SAF) и электрическим двигателям, на асфальте происходит более спокойная революция: вспомогательный блок питания (APU). Эти компактные газовые турбины, которые поставляют электроэнергию, кондиционирование воздуха и возможности запуска двигателя, в то время как основные двигатели выключены, в настоящее время сжигают реактивное топливо и вносят значительный вклад в общий профиль выбросов самолета. ВСУ на солнечных батареях обещают устранить или резко уменьшить это загрязнение наземного уровня, предлагая чистую, тихую и экономически привлекательную альтернативу. Интегрируя высокоэффективные фотоэлектрические панели и передовые аккумуляторные батареи, самолеты могут эксплуатировать свои вспомогательные системы с нулевыми прямыми выбросами - шаг изменения для операций затвора, процедур обслуживания и коротких полетов.

Понимание вспомогательных силовых установок

Вспомогательный силовой агрегат представляет собой автономный газотурбинный двигатель, обычно расположенный в хвостовом конусе или под полом воздушного судна. Его основная роль заключается в обеспечении электрической мощности и кровоточащего воздуха для системы экологического контроля (ECS), когда основные двигатели не работают. Во время наземных операций - до отката, после посадки или во время технического обслуживания - ВСУ обеспечивает освещение кабины, авионику кабины, мощность камбуза и кондиционирование воздуха без необходимости запуска основного двигателя. Это экономит топливо и снижает шум, но сам ВСУ сжигает керосин. На типичном узкофюзеляжном самолете, таком как Airbus A320 или Boeing 737, ВСУ потребляет от 30 до 120 килограммов топлива в час, в зависимости от нагрузки и условий окружающей среды. В среднем цикл полета 45-60 минут использования ВСУ на оборот, кумулятивный сжигание топлива и выбросы CO2 являются существенными - особенно для авиакомпаний, работающих на высокочастотных коротких маршрутах.

Типы и конфигурации

Современные ВСУ классифицируются по размеру и выходной мощности. Они варьируются от небольших блоков для бизнес-джетов (например, Honeywell RE220) до крупнокадровых блоков для широкофюзеляжных самолетов, таких как Boeing 777 (]Honeywell 131-9B. Все они полагаются на турбину, подключенную к генератору и кровоточащему воздушному компрессору. Вал турбины приводит в действие как электрический генератор, так и компрессор, который производит воздух под давлением для ECS и запуска основного двигателя. Топливо измеряется из основных баков самолета. Несмотря на десятилетия повышения эффективности, фундаментальный процесс сгорания высвобождает CO2, NOx и твердые частицы непосредственно в атмосферу аэропорта. Солнечно-электрический ВСУ, напротив, заменит камеру сгорания фотоэлектрической решеткой, силовой электроникой и аккумуляторной батареей высокой емкости.

Экологический аргумент для солнечных ВСУ

Согласно Европейскому отчету об авиационной среде , наземные операции, включая использование ВСУ, составляют примерно 2-6% от общего сжигания топлива на самолете за полет. Хотя этот процент кажется небольшим, абсолютные объемы огромны: глобальная авиация потребляла около 314 миллионов тонн реактивного топлива в 2023 году. Устранение сжигания топлива ВСУ может сэкономить 6-18 миллионов тонн CO2 в год, наряду со значительным сокращением выбросов NOx, SOx и неметановых углеводородов. Кроме того, качество воздуха в аэропортах улучшится, уменьшив риски для здоровья работников рампы и близлежащих общин.

Солнечные ВСУ также устраняют акустический шум турбинного двигателя, что делает ночные операции более приемлемыми вблизи жилых районов. Многие аэропорты уже ограничивают использование ВСУ или требуют подключения к наземным тележкам (] Руководство по качеству воздуха в аэропорту ИКАО ). Самодостаточный солнечный ВСУ позволит самолету эксплуатировать свои системы без какой-либо внешней поддержки наземного оборудования, обеспечивая операционную независимость при соблюдении самых строгих стандартов шума и выбросов.

Технические вызовы и инновации

Несмотря на четкие экологические стимулы, замена проверенной газовой турбины на солнечную электрическую систему представляет собой огромные технические препятствия. Плотность энергии реактивного топлива (~12 кВтч / кг) значительно превышает плотность энергии современных лучших литий-ионных батарей (~0,25 кВтч / кг). Солнечные панели могут собирать энергию только тогда, когда самолет находится на открытом воздухе и светит солнце - условия, не гарантированные ночью или в ненастную погоду. Для обеспечения непрерывной мощности солнечный ВСУ должен включать батарею, которая может хранить достаточно энергии для покрытия всего цикла наземной эксплуатации.

Вес и аэродинамические ограничения

Сами фотоэлектрические панели должны быть легкими, прочными и соответствовать коже самолета. Традиционные стеклянные инкапсулированные кремниевые солнечные элементы слишком тяжелые и хрупкие для авиации. Разрабатываемые решения включают в себя тонкопленочные теллуридные элементы кадмия (CdTe), перовскитные гибко-подложные панели и многопереходные элементы, выращенные на ультратонких германиевых пластинах. Программа НАСА Передовые солнечные батареи, которые могут выдерживать тепловую и вибрационную среду полета. Однако даже лучшие гибкие панели достигают только 20-30 % эффективности, что означает, что необходимы большие площади поверхности - потенциально покрывающие верхнее крыло, фюзеляж и горизонтальный стабилизатор. Это добавляет структурный вес и может нарушить воздушный поток, увеличивая сопротивление. Инженеры изучают интегрированные композиты фотоэлектрической структуры, которые служат как несущим кожу, так и генератором энергии.

Текущие исследования нацелены на >35% эффективных многопереходных элементов, адаптированных для кожи самолета. Такие компании, как SunPower и Alta Devices, предлагают гибкие элементы с эффективностью >29%. Но они все еще являются лабораторными или дорогими. Долговечность - еще одна проблема: панели должны выдерживать удары молнии, град, аккрецию льда и тепловой цикл от -55 ° C на крейсерской высоте до +60 ° C на асфальте. Защитные покрытия и адаптивная инкапсуляция разрабатываются для продления срока службы после 20 000 циклов полета.

Банк батарей для солнечного APU должен обеспечивать пиковую мощность в несколько сотен киловатт для коротких всплесков (например, запуск двигателя) и постоянную нагрузку в 10-40 кВт для кондиционирования салона. Текущие литий-ионные элементы с жидким тепловым управлением являются тяжелыми, но жизнеспособными для коротких и средних перевозок. Твердотельные батареи (например, планы Toyota или прототипы QuantumScape) обещают более высокую плотность энергии и улучшенную безопасность, но они еще не сертифицированы для полета. Гибридные подходы - с использованием небольшой батареи для пиковых нагрузок и суперконденсаторов для мощности всплеска - могут снизить общий вес. Несколько стартапов, включая Конопля eVTOL , разрабатывают специализированные авиационные батареи со встроенными системами пожаротушения. Без крупного прорыва в плотности энергии батареи, солнечный APU, вероятно, будет служить в качестве дополнительной, а не заменой системы для самолетов дальнего действия.

Текущие инициативы в области исследований и развития

Аэрокосмические подрядчики и исследовательские агентства активно изучают концепции солнечных электрических ВСУ. Программа NASA «Green Aviation Research» включает в себя проект по наземным операциям солнечных электрогибридов , который моделирует энергетический баланс для самолета класса Boeing 737, оснащенного гибкими солнечными батареями на верхнем крыле и хвосте. Предварительные результаты показывают, что в солнечном климате (например, Дубай, Феникс) солнечная батарея может удовлетворить 70-80% ежедневного спроса на энергию ВСУ, с батареей, покрывающей вечера и периоды пасмурного освещения.

В Европе инициатива Clean Sky 2 финансировала демонстратор Solar-APU 2, наземную испытательную установку, которая интегрировала тонкопленочные панели с литий-титанатной батареей мощностью 50 кВтч. Система успешно работала с имитацией 45-минутного цикла наземной работы без какой-либо внешней мощности. Airbus также подал патенты на «вспомогательный силовой агрегат с солнечной поддержкой», который использует панели на вертикальном стабилизаторе для просачивания резервных батарей самолета, уменьшая нагрузку на традиционный APU.

Частные фирмы быстро движутся: ZeroAvia и Universal Hydrogen сосредоточены на водородных топливных элементах, но несколько небольших стартапов — таких как SolarAero и E-APU Systems — разрабатывают комплекты солнечных панелей для существующих отсеков APU. Их конструкции используют гибкие, клеевые панели, которые могут быть установлены во время текущего обслуживания без серьезных модификаций планера. Пока они все еще находятся на стадии прототипа, они могут получить одобрение регулирующих органов в течение пяти лет для дополнительного использования.