Normalt ikke: Utvinning av energi fra luftstrømmen produserer luftmotstand, som må overvinnes ved ekstra trykk. Siden hver form for energiomdannelse gir tap, må mer kraften tilsettes enn det som kan oppnås fra luftstrømmen.

Bare når motorene svikter og generatorene slutter å gå, er det fornuftig å hente ut energi fra luftstrømmen. . I fly er det to applikasjoner som drives av "vindenergi":

• Eldre fly bruker gyroer for den kunstige horisonten som drives av ramluft. På denne måten fungerer gyroene selv etter en motorfeil.
• Jets bruker Ram Air Turbines (RAT), propelldrevne generatorer som flyttes inn i luftstrømmen når alle andre måter å generere elektrisitet og hydraulisk kraft har mislyktes. Vær oppmerksom på at dette gjøres i fly uten strøm og øker synkehastigheten.

Utplassert RAT (bilde kilde)

Rakettdrevne fly har ingen enkel måte å generere strøm på, så Me-163 B brukte en liten vindmølle på tuppen av skroget for å kjøre en generator.

Me-163 B (bilde kilde)

EDIT: Med spørsmålet ditt nye fokus på elektrisk fremdrift blir svaret annerledes. Nå vil du mest sannsynlig ha propeller som drives av elektriske motorer. Under landing kan de løpe invertert og lade et batteri, som mest sannsynlig vil være tomt når flyet lander. Dette kan gjøres under den endelige tilnærmingen til slutten av løpeturen etter berøring. Det kan forventes at ethvert elektrisk fly vil ha høy L / D, så det er fornuftig å bruke hastighetsbremser for å tillate en brattere tilnærming.

Jeg vil imidlertid bli overrasket om en ekstra enhet ville være økonomisk. Denne ladingen må gjøres av det vanlige fremdriftssystemet, ellers vil det legge til egenvekt under det meste av flyet.

Du ba om formler, men alt jeg kan gi her er noen kalkulasjoner. Først må det sies at propeller med variabel stigning vil være elendig som vindmøller, fordi deres sving og vridning er feil i vindmølle-modus. Jeg forventer at effektiviteten er rundt 30%, noe som betyr at bare 30% av energien som trekkes ut, blir konvertert til mekanisk energi som driver den elektriske motoren.

Deretter kjører en elektrisk motor som generator vil igjen kreve kompromisser. Gode ​​motorer gir dårlige generatorer, og omledning av motoren for bedre generatorytelse vil forringe effektiviteten ved normal bruk. Du vil fort miste mer enn du tjener på den korte flyfasen når det er fornuftig å kjøre invertert motor.

La oss anta at du holder fremdriftssystemet ditt på topp effektivitet (si 90%) og aksepterer at det vil bare konvertere 10% av draenergien til elektrisk energi. La oss også anta at det potensielle solflyet ditt har en L / D på 30 som må reduseres til 10 for en praktisk tilnærming. Du gjør dette fra 1000 fot og ned og bruker vindmøllepropellen også under løpeturen. Innflygingshastigheten er $ v $, massen er $ m $ og den opprinnelige energien til flyet er $ 305 \ cdot m \ cdot 9.81 + \ frac {m} {2} \ cdot v ^ 2 $. To tredjedeler av den potensielle energien går i propellmotstand, og for å være generøs antar vi at 100% av den kinetiske energien også vil gå i propellmotstand, selv om propellens bremsekraft ved lav hastighet er veldig elendig og trenger støtte fra hjulet bremser.

Nå er det viktig hvor raskt flyet ditt flyr, fordi dette vil skifte forholdet mellom potensiell og kinetisk energi. For å holde ting enkelt, vil jeg forholde meg til både energien som kreves for neste flytur. 10% av full kinetisk energi vil akselerere flyet til mindre enn en tredjedel av flyhastigheten - etter dette må de resterende 91% av energien for å nå $ v $ legges til ved å lade batteriene mellom flyreiser.

Den elektriske energien som tas fra den potensielle energien, vil hjelpe deg med å klatre til 60 fot eller opprettholde nivåflyging på $ v $ for en avstand på 1800 fot. Ved en L / D på 30 vil flyet fly en avstand på 30.000 fot uten skyvekraft, og ved å bremse vil du trekke ut energien for å dekke 20.000 fot, som med 10% konverteringseffektivitet (og 90% fremdriftseffektivitet!) Vil føre deg over bare 1800 fot.

De fleste andre svar fokuserer på normal flytur; spørsmålet ditt (oppdaterte) spesifikt om regenerativ bremsing. I teorien, ja , det er mulig, i praksis, nei , det er egentlig ikke en praktisk idé.

La oss først fokusere på nedstigningen fra cruisehøyde. til endelig tilnærming. Ideelt sett gjøres denne nedstigningen med motorer med lavest trykkinnstilling (fly tomgang), noe som betyr at motorene leverer kraft til de forskjellige elektriske og hydrauliske systemene, og trykk og litt trykk, siden du egentlig ikke kan unngå det på en jetfly. Teoretisk sett kan dette gjøres av en Ram Air Turbine (la oss anta at vårt hypotetiske fly er utstyrt med en ganske stor versjon som komfortabelt driver alle de nevnte systemene, siden en typisk RAT bare kan gi begrenset nødkraft). Dette vil imidlertid øke motstanden sterkt, og for å opprettholde hastigheten vil nedstigningsprofilen være brattere. Dette betyr igjen at flyet må bruke lengre tid i cruisehøyde, noe som krever energi for å opprettholde.

En annen måte å se på det er ved en enkel energibalanse: det er en endelig mengde potensiell energi, og det spiller ingen rolle om du bare bruker den til å opprettholde hastighet, eller om du bruker den for å opprettholde hastighet og for regenerativ bremsing, siden den totale energimengden du kan trekke ut av den alltid er den samme.

Selvfølgelig er det ett øyeblikk som fly må bremse, og dette er etter berøring. La oss for tiden anta at vi er veldig miljøbevisste, og ikke bruker noen annen måte å bremse enn et regenerativt bremsesystem. Flyet går fortsatt rundt, si 130kts, 240 km / t eller 150 mph, så sikkert vil det gi oss mye energi? La oss gjøre en konvoluttberegning for noen tall jeg fant for en Boeing 737-300.

Jeg vil la det være en øvelse for leseren å tenke på om et regenerativt bremsesystem kan utformes, slik som at ekstra drivstoff som brukes på grunn av sin vekt og størrelse er under 0,025%.

Rediger La oss gjøre om beregningen på et fly som faktisk har det meste av nødvendig utstyr (batterier og elektriske motorer som kanskje kan fungere som dynamoer eller dynamoer) om bord: Solar Impulse 2. Den har en hel 4x41kWh batterikapasitet (590MJ). Forutsatt at start- og landingshastighet er den samme (20kts = 36km / t = 10m / s) og med en lastvekt på 2300kg, er den kinetiske energien ved landing 115kJ. Dette er 0,0195% av batterikapasiteten - omtrent det samme som B733-eksemplet vårt! Og merk at dette igjen antar at propellene gjenvinner 100% av kinetisk energi ... Denne ideen kommer aldri til å fungere. (Til sammenligning er det mindre enn to sekunder energi generert av solenergien. paneler på deres respektive toppkarakter)

Nei, fordi det fra et flygende synspunkt ikke har energi.

Vindturbiner står på bakken og luftmassen beveger seg med en hastighet forbi dem, så den har kinetisk energi. Men fly beveger seg relativt til vinden, så vinden er hvilerammen og har ingen energi. Så når flyet bruker luftstrøm og / eller ram lufttrykk, bruker det dets energi, ikke vindens the.

Nå selvfølgelig en turbin montert på fly vil produsere energi. Men det vil gå på bekostning av flyenergien. Når du flyr nivå under kraft, kommer kraften fra motorene, så det er mer effektivt å trekke den ut direkte via generator montert på tilbehørsdrevet. Men selv når flyet synker på tomgang, vil det gå på bekostning av dets potensielle energi, og som opprinnelig ble levert av motorene under stigningen. Å slå av motoren tidligere og bruke det hele for å kompensere for motstand under gliden er mer effektivt.

Dette gjelder en soldrevet motorglider, akkurat som alle andre fly. Det er mer effektivt å stoppe motorene tidligere og gli rundt den beste glidevinkelen enn å kjøre motorene lenger og deretter regenerere energien, fordi verken konvertering fra elektrisk energi til potensiell energi via motor og propell, eller konvertering fra potensiell energi til elektrisk energi via turbin og generator er spesielt effektiv.

Og det gjelder selv når du bruker termisk eller annen hevende luft for å få potensiell energi. Det er igjen mer effektivt å unngå å konvertere energien og bare bruke den termiske for å få høyde og forlenge gliden mens du tar elektrisk energi direkte fra solcellepanelene.

Vekt vil også være en viktig begrensende faktor for solmotorglider. Dette betyr at du ikke vil kunne sette mange batterier om bord, og det betyr igjen at regenerativ bremsing ikke vil være veldig nyttig, siden du ikke har mye kapasitet til å lagre energien. Det betyr også at du kanskje vil unngå dedikert turbin for å spare vekt; Du vil fortsatt kunne regenerere litt energi fra vindmøllepropeller med noe lavere effektivitet. Men som forklart gir det ikke så mye mening.

Den eneste gangen fly bruker turbiner er i nødstilfeller. Når alle motorer svikter, brukes ramluftturbin til å drive de essensielle elektriske og hydrauliske systemene. Det forkorter glideavstanden litt, men det er verdt det hvis ingen andre kraftkilder er tilgjengelige.

Så langt det går vind, er den eneste praktiske bruken av vind å velge rute slik at det er like mye hale vind under cruise som mulig. For eksempel blir Nord-Atlanterhavssporene justert med jevne mellomrom for å tillate østgående flyreiser å bruke Jet Stream. På en måte utnytter dette vindenergien, fordi flyet dermed forbrenner mindre drivstoff for å komme til målet.

¹ Energi er en rar mengde. Den er bevart i alle treghetsreferanserammer, men noen av formene vil ha forskjellige verdier i hver. Du kan velge en referanseramme der vind har energi, men det vil gi mindre mening.

Av årsakene som andre svarere har sagt, er det ikke normalt verdt, fordi det egentlig ikke er vindenergi, det er flyets energi.

En situasjon der det er verdt å generere strøm når det er vanskelig å ta energi fra motoren direkte. For eksempel hadde ikke vintageflyet jeg fly opprinnelig et elektrisk system. For å drive radioer og transpondere (viktig for praktisk flytur i dag), har de blitt ettermontert med en liten turbin under nesen. Det øker flyets luftmotstand litt, men alternativet vil være å prøve å montere en generator på en vintage-motor, eller å erstatte motoren helt, begge mye større modifikasjoner.

Jeg har også sett touringfly som bruk små vindgeneratorer når de er bundet på flyplassen, antagelig for å holde batteriet påfyllet. Generatoren er i så fall en liten vindturbin på toppen av en vertikal stolpe, som ligner på det du ser på en husbåt eller en campingvogn. De fjernes og stues før flyet, så de er ikke helt det du tenker på, men de er fortsatt fly som bruker vindkraft.

Jeg tror ingen virkelig adresserte spørsmålet ditt. Jeg skal prøve så vidt jeg forsto. (Jeg lurer fortsatt på hvorfor du trenger et fly landet med ikke-tomme batterier, men la oss anta at det er for raskere tanking av &-start?)

Først og fremst er det bare mulig å høste vindenergi (av luft som beveger seg wrt ground) hvis du har tilgang til bakken. (Du må være et grensesnitt mellom de to bevegelige objektene). En vindturbin må jordes, en seilbåt er i kontakt med vannet osv. For et fly er dette ikke tilfelle, så som sagt i andre svar det er umulig å samle gratis vindenergi midt på flyet / sterk>.

Det er imidlertid det er mulig å bruke vindhastighet til å høste noe av flyet energi . La oss huske at det er tre viktigste energitanker i et fly (jeg bruker A320 og TB20 (beklager fransk lenke for tall) begge i cruise i et vanlig oppdrag, det ville skaleres fint for ethvert e-fly):

• Kinetisk energi (momentum) - A320 = 2.2GJ / TB20 = 3.5MJ
• Potensiell energi (høyden på jorden tyngdefelt) - A320 = 7.7GJ / TB20 = 66MJ
• Drivstoffenergi (kreves for å dekke minst 1000 nm mot trekkraften, pluss ovennevnte) - A320 = 180GJ. / TB20 = 1000MJ

Som du kan se, dverger drivstoffenergi i et klassisk fly virkelig potensiell energi omtrent 20-til-1, og potensialet overgår kinetisk omtrent 10-til-1. Det er den reisedelen som koster mest, og dessverre er fly ganske designet spesielt for reiser: D

Siden det du pleide å reise (mot luftmotstanden) aldri kan gjenopprettes , bare det overskytende kinetiske og potensielle ved slutten av oppdraget kan være. Du foreslår å utføre nedstigningen og landing med vindturbinene. La oss anta at du har vindturbinen til jobben. Du kan bare samle kinetisk energi på nytt under innflyging og landing, og potensiell energi under nedstigning med konstant hastighet. Selv om du klarer å gjenopprette hele energien, får du bare ~ 5% av det du brukte i hele oppdraget! (og jeg brukte 100% effektivitet overalt, hele systemet burde være nær 20% effektivt inkludert turbin, generatorer, kraftenhet, batterier osv. så vi snakker virkelig om 1% netto energiavkastning.

Når det er sagt, det kanskje være en bruk for en vindhastighetsturbin i veldig spesifikke oppdrag, men du vil sannsynligvis. slipp solcellepanelene. Jeg tenker på fallskjermfly. Oppdrag: gå høyt veldig raskt, slipp vennene dine, gå ned, gjenta.

For dette er energibehovet ikke veldig høyt siden du ikke reiser . Jeg tenker et oppdragskrav på 2x pott. energi til:

• Kom i fart
• Klatre til høyde
• Slå luftmotstanden mens du klatrer, men ikke reiser, så får du 1 gryte. energi + 1x kinetisk energi for å gjenopprette, og tallene endres litt: det er 50% energi tilgjengelig for å gjenopprette, så med 20% effektivitet kan omtrent 10% av hele innspillet bringes ned igjen.

Jeg sier slipp solcellepanelene, fordi dette vil være veldig kraftkrevende, og solcellepaneler har bare for lav energitetthet

Merk: energitetthet på et system er energipakket / masse om bord. For batterier og drivstoff er dette rett frem, for solcellepaneler er det annerledes: jo lenger oppdrag, jo mer produsert energi, jo høyere effekttetthet. Dette oppdraget er så kort at det ikke er verdt det.

TL; DR : Med mindre du har et veldig rart oppdrag, er det bare ikke nok energi (~ 1% ) å samle for å være verdt å ta med noen vindturbiner for et helt reisemisjon.

Fly beveger seg ganske raskt (i noen tilfeller veldig raskt) og har mye drag. Så de bruker mye energi bare for å cruise.

Regenerativ bremsing lar deg fange, som en absolutt øvre grense, all kinetisk energi og gravitasjonspotensialenergi som flyet har når det begynner å gå ned (det er åpenbart deretter en effektivitetshensyn også, så det vil faktisk være mindre enn dette). Arbeidet du har gjort under flyturen bare for å overvinne drag i marsjfart er borte uansett. Så første ting: ethvert drag som din doohickey legger til flyet mens det ikke bremser, koster energi gjennom hele flyet. La oss anta at det på en eller annen måte er stuet bort, akkurat som landingsutstyr kan være, og regner med at det kommer til å øke flyet litt, men det vil ikke ødelegge aerodynamikken helt.

Nå, på en typisk fly hvor stor andel av drivstoffet som brukes, brukes til å nå marsjhøyde og hastighet? Jeg vet det egentlig ikke, og selvfølgelig avhenger det blant annet av lengden på flyet, men jeg er sikker på at noen faktiske piloter kan slå inn med grove figurer.

Energien til å stå opp er en øvre grense (igjen, det er ineffektivitet i motorene) på hvor mye energi du kan hente ut av prosessen med å komme deg ned. Så den andelen drivstoff som brukes til å reise seg, setter en absolutt øvre grense for hvor stor andel regenerativ bremsing muligens kan redusere det totale energibehovet til ditt soldrevne fly. Og det er før du vurderer ineffektivitet av begge prosessene (motorene og de regenererende bremsene). Så for å oppfinne noen tall helt, antar at start er 25% av drivstoff for en bestemt reise, og kombinert effektivitet er 50%, da kan regenerativ bremsing kanskje redusere energibehovet med 12,5%. Dette virker verdt på forsiden av det, men (a) Jeg har valgt det jeg synes er for store tall, og (b) vi har ennå ikke betalt for mekanismen som gjør det.

Kan batteriene (eller hva som helst) som lagrer energien fra bremsene, lagre mer energi enn det koster å legge dem til flyet, og derved hale en større vekt opp til høyde i utgangspunktet, og energien tapt i cruise til den ekstra motstanden som pålegges ved å innlemme hele systemet? I verste fall hvor de ikke kan, har du hatt et nettotap ved å legge til regenerativ bremsing.

Regenerativ bremsing fungerer rimelig bra for biler, spesielt i bykjøring, fordi de setter ofte ned og slik at de spre ellers mye uønsket kinetisk energi som varme. Til en grov tilnærming, reduserer fly bare en gang per tur. Og jeg tror det er vanskeligere å effektivt fange energien når du bremser mot luft i stedet for mot statisk friksjon på veien, og effektiviteten til systemet på flyet vil være mye mindre enn for en bil. Så jeg tror ikke planen din er i god form akkurat nå :-)

Den normale måten å utnytte luftens energi i et fly er en glider.

wikipedia-artikkelen dekker det ganske bra: finn et område der luften stiger, og bruk den til å løfte flyet opp. Det er ingen fancy energikonvertering på flyet, det hele gjøres direkte av løfteflatene.

Soldrevne fly er bygget, selv om de nødvendige kompromissene betyr at de ikke men likevel populær. Noen teknologiselskaper ser på muligheten for automatiserte solfly med høy utholdenhet som radioreléer for å koble fjerntliggende områder til Internett.

Veldig kort svar

Er det fornuftig å utnytte vindenergi i et fly?

Jeg antar at du mener "vindenergi", utvinne energi fra "luftstrømmen". I teorien ja, bare i avstamning, hvis du kan bevise et design som gir fordeler når det gjelder energi, kompleksitet, økonomi. I praksis har du veldig slanke marginer med løsningen, og bare " ett tilfelle " når høsting av energi gir mening.

Litt lenger Svar

La oss analysere ideen:

... å bygge et elektrisk fly hvis kraft kommer fra sol og fra vind mens flyet lander.

Mens flyet lander faller det ned fra "cruise" høyde til flyplassen. I teorien vil det ikke trenge noe "ekstra kraft", siden du har mye potensiell energi, kan du bare bruke denne potensielle energien til å " gli " til flyplassen, på samme måte som seilfly gjør. En viktig merknad energien for å komme til "cruise" -høyde har allerede blitt brukt, for eksempel hva Solar Impulse 2 gjør er å klatre og lade batteriene om dagen, og glir og bruk energi-fra-batteriene om natten. Ikke undervurder effektiviteten til glidemanøveren over natten, med høyde får du mye potensiell energi! Du ville ikke få den samme energien ved å høste den til fra luftstrømmen fordi du transformerer denne potensielle energien i elektrisk energi med en transformasjonskjede som gir deg noen tap.

Når det er sagt, det ene tilfellet når det er fornuftig å høste energi i avstamning, er øyeblikket du trenger å miste litt høyde i løpet av en "kort" periode, (ikke gli til bakken, noe som ville være mest effektiv løsning). I dette tilfellet er det ønskelig og mulig å " høste " litt energi. Det du foreslår er:

I stedet for å bruke spoilere som luftbremser, kan disse vindturbinene som er montert separat, legge til dra og utnytte energi samtidig. Med andre ord regenerativ bremsing.

Dette er riktig, det gjøres på en lignende måte med Ram Air turbiner i nødssituasjoner (uten strøm) på større jetfly. . På et propellfly med variabel stigning kan du teoretisk endre propellens stigning for å få dem til å fungere som vindmøller, slik at du ikke trenger å legge til ekstra kompleksitet og vekt. Hvis du har en elektrisk motor som driver propellene, kan du potensielt bruke den som en generator. I tilfelle du legger til "vindturbiner" eller noe ekstra system, bør du sørge for at:

• Energien til å fly den ekstra vekten av systemet under hele oppdraget er mindre enn energien som systemet hjelper deg med å høste
• Kostnaden for høstet energi hjelper deg med å bryte selv kostnadene for systemet på en rimelig tid.

En siste merknad: Spoilere bruker ikke bare for å legge til dra, men til og med for å redusere løft , er den viktigste brukssaken her nedstigning (nødsituasjon eller ikke)!

Fly genererer løft ved å øke lufthastigheten, mens vindhøstere genererer kraft ved å redusere lufthastigheten, slik at de vil konkurrere med hverandre.

Forutsatt at det var en måte å unngå dette problemet, ville det trenger også å lagre denne energien, og batterier med stor kapasitet er uforenlige med flyets krav til både høy spesifikk energi og høy spesifikk kraft.

Mitt firma har nettopp sikret patent på et energicellegenerativt system for elektrisk drevne fly (9. mai 2017).

Et riktig designet og effektivt regen-system kan vende den uoverkommelige fysikken nok til en nettogevinst og være et verdifullt tillegg til et elektrisk fly. En nøkkel er å designe et område med lavere trykk under en venturiventil og utnytte noe av propellens eksplosjon under flyging (det er noen) det tornadoer rundt skroget, men under dekselet er kombinert med flyets hastighet en kilde til kinetisk energi.

Turbinen er sentrifugalutformet og er gjemt under en blemme som gjør at systemet nesten trekker fritt når det ikke er i bruk. PMA kan produsere 3kw og veier 19 pounds. Hele systemet veier 31 pounds og inkluderer en mosfet-kontroller og en buck boost-inverter som ligner på design som de som er funnet på Toyotas Prius. Det er en lett Maxwell super kondensatormodul som en "lader". Kraft generert fra systemet lader en sannsynligvis litiumbatteripakke som er designet for å lades og tømmes samtidig (se patentet), gjennom en algoritme som styres av kontrolleren. Jo lettere vi kan produsere systemet og også øke hastigheten på lading ved å redusere batteriets interne motstand, jo mer effektiv og praktisk vil det være.

Vi har ikke fått lov til å teste den, men beregninger avledet fra en Cessna 152 muldyr indikerer godt potensial for regen. Det kan brukes som et redningssystem, under nedstigning, eller når det er praktisk mulig å justere rekkestigning. Knæryk reaksjon fra lekmenn og ingeniører har vært negativ til de nøye studerer oppfinnelsen, så synes konsensus å være "Det burde definitivt utvikles videre" . Patent er på markedet. Patent # US 9 643 729 B2

Dette vil være innebygd og nesten obligatorisk.

Spørsmålet ditt har en innebygd antagelse: regenerering av energi er nyttig. Den eneste måten det ville være nyttig er hvis fremdriftssystemet (eller deler av det) var elektrisk. Derfor må vi per definisjon referere til et fly med elektrisk fremdrift .

Vi kaster antagelig heller ikke teknologien fra 1880-årene til himmelen. Det betyr at vi bruker vekselstrømsmotorer med fluksvektordrift, dvs. store halvledere som syntetiserer 3-fase sinusbølger fra DC.

Hvis drivfrekvensen er den samme som motorhastigheten, er den inert - ingen strøm strømmer og det blir ikke laget noe trykk. Hvis en høyere frekvens, gjelder dette strøm. Hvis det fortsatt er høyere, bruker det mer kraft. Hvis tregere, regenererer den seg. Hvis tregere, regenerer det mer.

Så hvis du har en elektrisk frekvensomformer, har du allerede regen. Ferdig!

Det vil i hovedsak være skyvekjørt omvendt. Hvor kommer du til å bruke det? Skråninger er utformet veldig grunne, slik at du vanligvis trenger strøm helt ned. Se på hvordan de flyr C-17, de trenger å redesigne tilnærminger for å være slik, noe som også vil gjøre dem eksklusive for elektriske maskiner og skyve-revers-in-flight maskiner som C-17.