Стратегии включения солнечной энергии в проектирование поверхности самолета

Переход к полетам с помощью солнечной энергии

Авиационная промышленность сталкивается с растущим давлением, чтобы снизить свой углеродный след. В то время как полностью электрические коммерческие самолеты остаются долгосрочной целью, краткосрочные стратегии сосредоточены на сокращении сжигания топлива с помощью дополнительных инноваций. Одним из наиболее перспективных направлений является интеграция фотоэлектрической (PV) технологии во внешнюю кожу самолета. Преобразуя солнечный свет непосредственно в электричество, солнечные панели, встроенные в крылья, фюзеляж и пенснаж, могут питать бортовые системы, дополнять вспомогательные силовые агрегаты и даже способствовать движению в гибридно-электрических конфигурациях.

Экспериментальные самолеты, такие как Solar Impulse 2, продемонстрировали, что устойчивый полет на солнечной энергии технически возможен. Для коммерческой и общей авиации задача переходит от чистой осуществимости к практической, экономически эффективной интеграции, которая не ставит под угрозу циклы безопасности, производительности или обслуживания. В этой статье описываются основные стратегии, которые инженеры и дизайнеры используют для включения солнечной энергии в основной дизайн поверхности самолета, препятствия, которые остаются, и исследования, которые указывают на более чистое будущее.

Фундаментальные физико-технические ограничения

Прежде чем погрузиться в конкретную тактику проектирования, важно понять физические и эксплуатационные границы, которые регулируют солнечную интеграцию на самолетах. Солнечный свет обеспечивает примерно 1000 Вт на квадратный метр на уровне моря в идеальных условиях, но эта цифра значительно падает с высотой, облачным покровом и углом падения. Самолет в круизе на высоте 35 000 футов получает более сильное облучение, чем на уровне земли, но панели все равно должны бороться с широкими вариациями ориентации относительно солнца.

Полезная площадь для солнечных элементов на типичном авиалайнере ограничена. Крылья представляют собой самые большие непрерывные поверхности, но они также имеют решающее значение для аэродинамического подъема. Добавление любого выступа или даже изменение текстуры поверхности может увеличить сопротивление. Аналогично, фюзеляж предлагает изогнутые поверхности, которые усложняют установку жестких панелей. Каждый квадратный сантиметр солнечного элемента добавляет массу через саму ячейку, инкапсулянт, проводку, силовую электронику и, что важно, систему хранения энергии. Вес является врагом эффективности самолета, поэтому чистый прирост энергии должен компенсировать добавленный вес штрафа по всему профилю полета.

Ключевые технические проблемы

• Бюджет веса: Типичная монокристаллическая кремниевая панель весит около 10-15 кг на квадратный метр. Тонкие пленки могут вдвое уменьшить этот вес, но жертвуют эффективностью.
• Аэродинамическая чистота: Солнечные элементы должны быть промыты кожей или встроены в составной ламината, чтобы избежать нарушения пограничного слоя.
• Теплоуправление: ПВ-клетки генерируют тепло; на больших высотах охлаждение является сложной задачей, а перегрев снижает эффективность и продолжительность жизни.
• Долговечность: Панели должны выдерживать УФ-излучение, тепловой цикл, вибрацию, град, удары молнии и воздействие жидкости (топливо, химические вещества для обледенения).
• Интеграция с авионикой: Кондиционирование мощности, отслеживание максимальной мощности (MPPT) и избыточность должны быть соединены с электрической системой самолета.

Несмотря на эти препятствия, устойчивый прогресс в материаловедении и силовой электронике сокращает разрыв между экспериментальными прототипами и готовыми к производству решениями.

Стратегия 1: Легкие и гибкие солнечные материалы

Самый простой способ уменьшить вес штрафа - принять солнечные элементы, разработанные специально для аэрокосмических применений. Традиционные кремниевые пластинчатые элементы жесткие и тяжелые. Тонкие пленочные технологии, такие как селенид индия галлия меди (CIGS) и теллурид кадмия (CdTe), откладывают активный материал на гибкие подложки, такие как полиимид или фольга из нержавеющей стали. Эти пленки могут быть ламинированы непосредственно в составные структуры, используемые для шкур самолетов.

Недавние прорывы в перовскитных солнечных элементах, которые достигают эффективности лаборатории выше 25% в однопереходных конфигурациях, особенно привлекательны. Перовскиты могут печататься на гибких подложках по низкой цене и с очень низкой плотностью ареала. Их основная слабость, уязвимость к влаге и кислороду, решается с помощью методов инкапсуляции, которые хорошо подходят для герметичной среды композитного ламината. Такие компании, как Ossila и исследовательские группы в NREL продолжают продвигать стабильность вперед, делая аэрокосмическое развертывание все более правдоподобным.

Встроенные против добавленных панелей

Ранние концепции включали прикрепление жестких панелей к верхней поверхности крыла. Современные конструкции встраивают фотоэлектрические слои в саму кожу из стекла или углеродного волокна. Такой подход предлагает несколько преимуществ: панель защищена от воздействия окружающей среды внешним слоем, поверхность остается гладкой, а масса распределяется в структурную прокладку. Отличие заключается в том, что встроенные клетки получают немного меньше света из-за потерь передачи через внешний материал, а процедуры ремонта становятся более сложными, когда клетка выходит из строя.

Стратегия 2: Аэродинамически оптимизированное размещение

Не все области самолета получают равный солнечный свет или одинаково чувствительны к перетаскиванию. Стратегическое размещение максимизирует сбор энергии при минимизации штрафов. Верхняя поверхность крыла является основной недвижимостью: она видит прямой солнечный свет для большей части полета (за исключением крутых поворотов) и относительно плоская на многих самолетах. Для конструкций высокого крыла, таких как Cessna Caravan или предстоящие гибридно-электрические прототипы, верх крыла постоянно освещается.

Горизонтальный стабилизатор — другой кандидат. Его верхняя поверхность получает солнечный свет, хотя общая площадь меньше. На фюзеляже полезна только верхняя половина; боковые смонтированные ячейки генерируют различную мощность в зависимости от направления и времени суток. Некоторые конструкции включают ячейки на вертикальных стабилизаторах, но преимущество незначительно из-за небольшой площади и затенения от фюзеляжа.

Кривизна поверхности и конформируемость

Гибкие клетки могут следовать за кривыми соединений, но при изгибе они могут развивать микротрещины или терять эффективность. Дизайнеры используют прогностическое моделирование для отображения деформации по всей коже во время полётных нагрузок. Ориентируя клетки своей короткой осью параллельно направлению максимальной кривизны, производители снижают стресс. Передовые технологии производства, такие как автоматическое размещение волокон в сочетании с встроенным осаждением клеток, позволяют размещать клетки именно там, где кривизна самая низкая.

Стратегия 3: Передовое хранение энергии и управление электроэнергией

Солнечные батареи на самолете вырабатывают электроэнергию только при освещении. Для энергосистем в облачных условиях, в ночных или в сегментах с низким уровнем солнца необходима эффективная система хранения энергии. Батареи для полета с использованием солнечной энергии должны соответствовать строгим требованиям: высокая удельная энергия (Втч / кг), высокий срок службы цикла, возможность быстрой зарядки и сертификация безопасности (соответствие DO-160).

Литий-ионные химические вещества доминируют, но новые твердотельные батареи обещают значительные улучшения. Твердотельные батареи теоретически могут достигать 400-500 Втч / кг по сравнению с ~ 250 Втч / кг для сегодняшних лучших литий-ионных пакетов. Такие компании, как QuantumScape , разрабатывают твердотельные элементы с термостойкостью, необходимой для авиации. Связывание этих батарей с банком суперконденсаторов позволяет самолету обрабатывать переходные нагрузки, такие как во время взлета или аварийных потребностей в мощности, без нагрузки на основное хранилище.

Наиболее эффективное использование солнечной энергии в самолетах включает в себя сопряжение ее с электрической силовой установкой. В гибридно-электрической архитектуре двигатели внутреннего сгорания (турбовентиляторы или поршневые двигатели) обеспечивают базовую мощность, в то время как электродвигатели добавляют тягу во время фаз высокого спроса, таких как взлет и подъем. Солнечные панели генерируют электричество во время круиза, либо заряжая батареи, либо непосредственно приводя в действие двигатели для снятия двигателей. Это уменьшает сжигание топлива на 5-15%, согласно исследованиям Управления научно-исследовательской миссии НАСА по аэронавтике .

Для дальнемагистральных региональных самолетов солнечная интеграция особенно привлекательна. Эти самолеты проводят более высокий процент своего времени полета в освещенной солнцем круизной фазе относительно взлета и спуска. Элис Эвиация является полностью электрической конструкцией, которая может извлечь выгоду из солнечного увеличения, хотя в настоящее время она полагается исключительно на энергию батареи, хранящуюся на земле. Будущие версии могут интегрировать солнечную кожу для расширения диапазона или снижения необходимой мощности наземной зарядки.

Солнечный регенеративный спуск

Часто упускаемая возможность заключается в использовании солнечной энергии во время спуска. По мере того, как самолет падает, двигатели обычно находятся в холостом состоянии, а поверхности управления генерируют значительное сопротивление. Солнечные панели продолжают вырабатывать энергию на большой высоте, где излучение сильнее. Эта энергия может использоваться для поддержания работы систем без извлечения из батареи, сохраняя состояние заряда для полностью электрического такси или подхода. Несколько концептуальных конструкций включают режим «солнечного скольжения», в котором винты пера и самолет скользят, в то время как солнечная энергия обрабатывает все электрические нагрузки.

Текущие программы и демонстрации в реальном мире

Кругосветное плавание Solar Impulse 2 в 2016 году показало миру, что длительный солнечный полет возможен на легкой, высокоаспектной платформе. С тех пор несколько программ нацелены на практическое применение. Airbus Zephyr, высотный псевдоспутник (HAPS), использует солнечные элементы на своих крыльях, чтобы месяцами оставаться в воздухе в стратосфере. Пока не обычный самолет, его технология напрямую информирует о коммерческой интеграции поверхности.

Что касается авиации общего назначения, такие компании, как Sunny Days Aviation (вымышленный заполнитель для демонстрации; замена реальным объектом, если это необходимо) модернизируют легкие самолеты с гибкими солнечными батареями, которые питают авионику и уменьшают нагрузку на генератор. Экспериментальные самолеты категории, такие как Серия Solar Flight , демонстрируют, что диапазон 50-100 км достижим исключительно на солнечной энергии с помощью текущих элементов.

Исследовательские учреждения, такие как Немецкий аэрокосмический центр (DLR) , активно тестируют встроенные фотоэлектрические ламинаты на секциях крыльев в аэродинамических трубах, измеряя компромисс между выработкой электроэнергии и сопротивлением. Предварительные результаты показывают, что при тщательной подготовке поверхности увеличение сопротивления составляет менее 1% при генерации 100-150 Вт / м2 на крейсерской высоте.

Стоимость, сертификация и готовность рынка

Несмотря на технический прогресс, экономические и нормативные барьеры остаются значительными. Солнечные панели для самолетов должны быть сертифицированы по тем же стандартам, что и любой другой компонент самолета. Стоимость сертификации нового материала или системы может превышать $1 млн и занять 2-5 лет. Возврат инвестиций должен быть доказан авиакомпаниям и авиастроителям: оправдает ли экономия топлива за жизненный цикл первоначальную премию?

Для дальних широкофюзеляжных самолетов дополнительный вес солнечных панелей в настоящее время перевешивает прирост энергии, поскольку площадь крыла на одного пассажира низкая, а продолжительность полета включает в себя длинные темные периоды. Для региональных турбовинтовых и бизнес-джетов математика более благоприятна. Ранние пользователи, вероятно, будут в сегментах авиации общего назначения и пригородных перевозок, где более низкая сертификационная нагрузка и более короткие рейсы соответствуют возможностям солнечной энергии.

Будущий прогноз и материалы следующего поколения

Заглядывая вперед, три технологические тенденции ускорят солнечную интеграцию. Во-первых, двусторонние солнечные элементы захватывают свет с обеих сторон, потенциально генерируя энергию от отражений от облаков или земли. Во-вторых, прозрачное или полупрозрачное фотоэлектрическое стекло может заменить окна кабины и кабины, превращая каждую остекленную поверхность в генератор энергии. В-третьих, беспроводная передача энергии от наземных лазеров или микроволн может дополнять бортовую солнечную энергию во время критических фаз, хотя это остается концептуальным.