É sensato aproveitar a energia eólica em um avião?

Normalmente não: Extrair energia do fluxo de ar produz arrasto, que deve ser superado pelo impulso adicionado. Como toda forma de conversão de energia produz perdas, mais energia de empuxo deve ser adicionada do que a que pode ser obtida do fluxo de ar.

Somente quando os motores falham e os geradores param de funcionar, faz sentido extrair energia do fluxo de ar. Em aviões há duas aplicações que são dirigidas por "energia eólica":

• Os aviões mais antigos usam giroscópios para o horizonte artificial que são alimentados por ar comprimido. Desta forma, os giroscópios funcionam mesmo após uma falha no motor.
• Os jatos usam Ram Air Turbines (RAT), geradores acionados por hélice que são movidos para o fluxo de ar quando todos os outros meios de geração de eletricidade e energia hidráulica falharam. Note que isso é feito em vôo não-motorizado e aumenta a taxa de afundamento.

RAT implantado (foto source )

Os aviões movidos a foguete não têm uma maneira fácil de gerar eletricidade, então o Me-163 B usou um pequeno moinho de vento na ponta da fuselagem para acionar um gerador.

Me-163 B (foto fonte )

EDITAR: Com o novo foco da sua pergunta na propulsão elétrica, a resposta será diferente. Agora você provavelmente terá hélices que são movidas por motores elétricos. Durante a aterrissagem, estes podem correr invertidos e carregar uma bateria, que provavelmente estará vazia quando a aeronave pousar. Isso pode ser feito durante a aproximação final até o final do runout após o touchdown. Pode-se esperar que qualquer avião elétrico tenha um L / D alto, portanto, a implantação de freios de velocidade para permitir uma aproximação mais íngreme faz sentido.

Eu ficaria surpreso se um dispositivo adicional fosse econômico, no entanto. Essa recarga deve ser feita pelo sistema de propulsão regular ou acrescentaria peso morto durante a maior parte do vôo.

Você pediu fórmulas, mas tudo o que posso fornecer aqui são alguns cálculos "back-of-the-envelope". Primeiro, deve ser dito que hélices de passo variável serão péssimas como moinhos de vento, porque a sua curvatura e torção são erradas para o modo de moagem de vento. Eu esperaria que sua eficiência fosse em torno de 30%, o que significa que apenas 30% da energia extraída pelo arrasto será convertida em energia mecânica que aciona o motor elétrico.

Em seguida, o funcionamento de um motor elétrico como gerador exigirá novamente compromissos. Bons motores fazem geradores ruins, e religar o motor para melhorar o desempenho do gerador prejudicará sua eficiência em uso normal. Você perderá rapidamente mais do que ganha com a curta fase de voo, quando a operação do motor invertido faz sentido.

Agora vamos supor que você mantenha seu sistema de propulsão com eficiência máxima (digamos, 90%) e aceite que ele converterá apenas 10% da energia de arrasto em energia elétrica. Suponhamos também que seu prospectivo avião solar tenha um L / D de 30, que precisa ser reduzido a 10 para uma abordagem prática. Você faz isso a partir de 1000 pés para baixo e usa a hélice do moinho de vento também durante a saída. A velocidade de aproximação é $ v $, a massa é $ m $ e a energia inicial do avião é $ 305 \ cdot m \ cdot 9.81 + \ frac {m} {2} \ cdot v ^ 2 $. Dois terços da energia potencial entra no arrasto da hélice e, para sermos generosos, supomos que 100% da energia cinética também vai para o arrasto da hélice, mesmo que a força de frenagem das hélices em baixa velocidade seja péssima e precise de apoio da roda freios.

Agora é importante a rapidez com que o seu avião voa, porque isso mudará a relação entre energia potencial e energia cinética. Para manter as coisas simples, vou me relacionar com a energia necessária para o próximo vôo. 10% da energia cinética completa acelerará a aeronave a menos de um terço de sua velocidade de vôo - depois disso, os 91% restantes da energia para atingir $ v $ devem ser adicionados ao carregar as baterias entre os voos.

A energia elétrica tirada da energia potencial ajudará você a subir a 60 pés ou manter um vôo nivelado a $ v $ por uma distância de 1800 pés. Em um L / D de 30, o avião voará a uma distância de 30.000 pés sem empuxo e, ao frear, você extrairá a energia para cobrir 20.000 pés, o que a 10% de eficiência de conversão (e 90% de eficiência de propulsão!) O levará apenas 1800 ft.

A maioria das outras respostas se concentra no vôo normal; sua pergunta (atualizada) pergunta especificamente sobre a frenagem regenerativa. Em teoria, sim , é possível, na prática, não , não é uma ideia prática.

Vamos nos concentrar primeiro na descida da altitude de cruzeiro até a aproximação final. Idealmente, essa descida é feita com motores em seu menor ajuste de empuxo (marcha lenta ociosa), o que significa que os motores estão fornecendo energia para os vários sistemas elétricos e hidráulicos, e pressurização e um pouco de empuxo, já que você não pode evitar em um jato. Teoricamente, isso poderia ser feito por uma turbina Ram Air (vamos supor agora que o nosso avião hipotético está equipado com uma versão bastante grande que confortavelmente alimenta todos os sistemas acima mencionados, uma vez que um RAT típico só pode fornecer energia de emergência limitada). No entanto, isso aumentará muito o arrasto e, para manter a velocidade, o perfil de descida será mais inclinado. Isso, por sua vez, significa que o avião deve passar mais tempo na altitude de cruzeiro, o que requer energia para manter.

Outra maneira de ver isso é através de um simples balanço de energia: há uma quantidade finita de energia potencial, e não importa se você a usa apenas para manter a velocidade, ou se você a usa para manter a velocidade < strong> and para frenagem regenerativa, uma vez que a quantidade total de energia que você pode extrair dela é sempre a mesma.

Claro, há um momento em que os aviões devem travar, e isso é após o pouso. Vamos supor agora que estamos muito conscientes do meio ambiente e não usamos nenhum outro meio de frenagem do que um sistema de frenagem regenerativa. O avião ainda está a cerca de 130kts, 240km / h ou 150mph, então certamente isso nos dará muita energia? Vamos fazer um cálculo de back-of-the-envelope para alguns números que encontrei para um Boeing 737-300 .

Digamos que pousamos pesando 60.000kgs (perto de MLW) com abas reduzidas para 15, o que nos dá uma velocidade de aterrissagem de 158kts = 81,3m / s. A quantidade de energia cinética é $ \ frac {1} {2} mv ^ 2 \ approx200 MJ $ (sim, isso é mega-joules!). Isso é muita energia, certo ?! Bem, na verdade não. O querosene (que é aproximadamente o mesmo que o combustível para aviação) tem uma densidade de energia de cerca de 46MJ / kg. Estamos falando do equivalente a pouco mais de 4kg de querosene, em uma aeronave que transporta cerca de 16.000kg do material. Isso significa que estamos regenerando cerca de <0,025% da capacidade de combustível.

Vou deixar como um exercício para o leitor pensar se um sistema de freio regenerativo poderia ser projetado, de modo que o combustível extra usado devido ao seu peso e tamanho esteja abaixo de 0,025%.

Editar Vamos refazer o cálculo em um avião que realmente tem a maioria dos equipamentos necessários (baterias e motores elétricos que poderiam dobrar como alternadores ou dínamos) a bordo: o Solar Impulse 2. Ele tem uma enorme capacidade de bateria de 4x41kWh (590MJ). Assumindo que a velocidade de decolagem e pouso é a mesma (20kts = 36km / h = 10m / s) e com um peso carregado de 2300kg, a energia cinética no pouso é de 115kJ. Isto é 0,0195% da capacidade da bateria - aproximadamente o mesmo que o nosso exemplo B733! E note que isso é novamente assumindo que as hélices recuperam 100% da energia cinética ... Essa idéia nunca vai funcionar. (Para comparação, são menos de dois segundos de energia gerada pela energia solar). painéis em sua respectiva classificação de pico)

Não, porque, do ponto de vista de uma aeronave voadora, o vento não tem energia.

As turbinas eólicas estão no solo e a massa de ar está se movendo a uma certa velocidade, por isso tem energia cinética. Mas a aeronave está se movendo em relação ao vento, então o vento é o resto da estrutura e não tem energia. Então, quando a aeronave está usando o fluxo de ar e / ou a pressão de ar do ar, ela está usando sua energia, não a do vento¹

Agora, é claro, uma turbina montada em uma aeronave produzirá energia. Mas será à custa da energia da aeronave. Ao voar a nível sob potência, a energia vem dos motores, por isso é mais eficiente extraí-lo diretamente através do gerador montado na unidade acessória. Mas mesmo quando a aeronave está descendo em marcha lenta, ela estará à custa de sua energia potencial e que foi originalmente fornecida pelos motores durante a subida. Desligar o motor mais cedo e usar tudo isso para compensar o arrasto durante o planeio é mais eficiente.

Para isso, a demanda de energia não é muito alta, já que você não está viajando . Estou pensando em um requisito de missão de 2x pot. energia para:

• Acelerar
• Suba para a altitude
• Bata o arrasto enquanto sobe, mas não viaja Então você terá 1x pot. energia + 1x energia cinética para se recuperar, e os números mudam um pouco: há 50% de energia disponível para se recuperar, portanto, com 20% de eficiência, cerca de 10% de toda a entrada pode ser reduzida.

Eu estou dizendo soltar os painéis solares, porque isso vai ser muito intensivo de energia, e painéis solares só têm densidade de energia muito baixa

Nota: a densidade de energia de um sistema é de energia / massa a bordo. Para baterias e combustível isso é direto, pois os painéis solares são diferentes: quanto mais longa a missão, mais energia é produzida, maior a densidade de potência. Esta missão é tão curta que não vale a pena.

TL; DR : A menos que você tenha uma missão muito estranha, não há energia suficiente (~ 1%) para coletar para valer a pena trazer algumas turbinas eólicas para uma missão inteira.

Os aviões se movem muito rápido (em alguns casos, muito rápido) e têm muito arrasto. Então eles usam muita energia apenas para cruzar.

A frenagem regenerativa permite capturar, como um limite máximo absoluto, toda a energia cinética e energia potencial gravitacional que o avião tem quando inicia sua descida (obviamente há uma consideração de eficiência também, então será realmente menor do que isso ). O trabalho que você fez durante o vôo apenas para superar o arrasto na velocidade de cruzeiro desapareceu, não importa o quê. Então, a primeira coisa: qualquer arrasto que seu doohickey adiciona ao avião enquanto ele não está freando, está custando energia durante todo o vôo. Vamos supor que ele esteja de alguma forma guardado, assim como o trem de pouso pode ser, e imagine que ele vai aumentar um pouco o avião, mas isso não vai arruinar totalmente a aerodinâmica.

Agora, em um voo típico, que proporção do combustível usado é usada para atingir a altitude e a velocidade de cruzeiro? Eu realmente não sei e, claro, isso depende da duração do vôo, entre outras coisas, mas tenho certeza de que alguns pilotos reais poderiam entrar em contato com números aproximados.

A energia para se levantar é um limite superior (novamente, há ineficiência nos motores) em quanta energia você pode extrair do processo de queda. Assim, essa proporção de combustível usada para se levantar coloca um limite superior absoluto na proporção em que a frenagem regenerativa pode possivelmente reduzir os requisitos totais de energia do seu avião movido a energia solar. E isso antes de considerar ineficiências de ambos os processos (os motores e os freios regenerativos). Assim, para inventar completamente alguns números, supondo que a decolagem seja de 25% do combustível para uma determinada jornada, e a eficiência combinada seja de 50%, então a frenagem regenerativa poderia talvez reduzir as necessidades de energia em 12,5%. Isso parece valer a pena, mas (a) eu escolhi o que acho que são números excessivamente grandes, e (b) ainda não pagamos pelo mecanismo que faz isso.

As baterias (ou qualquer outra) que armazenem a energia dos freios armazenam mais energia do que o custo para adicioná-las ao avião, transportando assim um peso maior até a altitude e a energia perdida no cruzeiro ao arrasto extra imposto pela incorporação de todo o sistema? No pior dos casos em que eles não podem, você fez uma perda líquida adicionando frenagem regenerativa.

A frenagem regenerativa funciona razoavelmente bem para carros, especialmente na direção da cidade, porque eles diminuem com frequência e, por isso, dispersam muita energia cinética indesejada como calor. Para uma aproximação aproximada, os aviões só diminuem a velocidade uma vez por viagem. E eu acredito que é mais difícil captar eficientemente a energia quando você está freando contra o ar e não contra a fricção estática na estrada, e assim a eficiência do sistema no avião será muito menor do que aquela para um carro. Então eu não acho que seu plano está em boa forma agora: -)

A maneira normal de aproveitar a energia do ar em uma aeronave é um planador .

O artigo da wikipedia aborda muito bem: encontre uma área onde o ar está subindo e use para levantar a aeronave. Não há conversão de energia sofisticada na aeronave, tudo feito diretamente pelas superfícies de elevação.

Os aviões movidos a energia solar foram construídos , embora os compromissos necessários signifiquem que eles ainda não são populares. Algumas empresas de tecnologia estão analisando a possibilidade de aeronaves solares automatizadas de alta resistência como relés de rádio para conectar áreas remotas à Internet.

Resposta muito curta

Is it sensible to harness wind energy on an airplane?

Eu assumo como "energia eólica", extraindo energia do "fluxo de ar". Em teoria, sim, apenas na descendência, se você pode provar um design que traz benefícios em termos de energia, complexidade, economia. Na prática, você tem margens muito reduzidas com sua solução, e apenas " um caso " quando a coleta de energia faz sentido.

Resposta pouco mais longa

Vamos analisar a ideia:

... to build an electric aircraft whose power comes from solar and from wind while the plane is landing.

Enquanto o avião está pousando, ele desce da altitude de "cruzeiro" para o aeroporto. Em teoria, não precisaria de "poder extra", uma vez que você tem muita energia potencial, você poderia simplesmente usar essa energia potencial para " deslizar " para o aeroporto, similar em que os planadores navegam. Uma nota importante a energia para chegar à altitude de "cruzeiro" já foi gasta, por exemplo, o que o Solar Impulse 2 faz para subir e recarregar as baterias durante o dia, e deslizar e usar as energia das baterias durante a noite. Não subestime a eficiência da manobra de planagem durante a noite, com a altitude você ganha muita energia potencial! Você não ganharia a mesma energia colhendo-a do fluxo de ar porque está transformando essa energia potencial em energia elétrica com uma cadeia de transformação que lhe traz algumas perdas.

Dito isto, o um caso quando faz sentido colher energia em descida é o momento em que você precisa perder alguma altitude em um período "curto" de tempo, (não deslizar para o chão, que seria a solução mais eficiente). Neste caso, é desejável e possível " colher " alguma energia, o que você está propondo é:

instead of using spoilers as airbrakes, these wind turbines separately mounted could add drag and harness energy at the same time . In other words, regenerative braking.

Isso está correto, é feito de forma semelhante com turbinas Ram Air em situações de emergência (sem energia) jatos maiores. Em uma aeronave de hélice de passo variável, teoricamente, você poderia alterar o passo da hélice para fazê-los funcionar como moinhos de vento, de modo que você não precisaria adicionar complexidade e peso extras. Se você tem um motor elétrico dirigindo as hélices, você poderia usá-lo como um gerador.  No caso de você adicionar "turbinas eólicas", ou qualquer sistema extra, você deve se certificar de que:

• A energia para voar o peso extra do sistema durante toda a missão é menor que a energia que o sistema ajuda na colheita
• O custo da energia colhida ajuda você a quebrar até mesmo o custo do sistema em um período de tempo razoável.

Uma última nota: Os spoilers são usados não apenas para adicionar arrastar, mas até mesmo para reduzir a sustentação , o principal caso de uso aqui é a descida (emergência ou não)!

Aeronaves geram sustentação aumentando a velocidade no ar, enquanto as colheitadeiras de vento geram energia diminuindo a velocidade no ar, então elas competiriam umas com as outras.

Supondo que havia uma maneira de evitar esse problema, também seria necessário armazenar essa energia, e as baterias de grande capacidade são incompatíveis com os requisitos de uma aeronave, tanto para alta energia específica quanto para alta potência específica.

Minha empresa acaba de obter uma patente para um Sistema Regenerativo de Célula de Energia para Aeronaves Elétricas (9 de maio de 2017).

Um sistema de regeneração bem projetado e eficiente pode virar a física proibitiva o suficiente para um ganho líquido e ser uma adição valiosa para uma aeronave elétrica. Uma chave é projetar uma área de pressão mais baixa sob um venturi de capota e aproveitar parte da explosão do propulsor em vôo (há alguns) tornados ao redor da fuselagem, mas sob a capota é, combinada com a velocidade da aeronave, uma fonte de cinética energia.

A turbina é um projeto centrífugo e está escondida sob uma bolha que torna o sistema quase livre de arrasto quando não está em uso. O PMA pode produzir 3kw e pesa 19 libras. Todo o sistema pesa 31 libras e inclui um controlador de mosfet e um inversor de impulso de dinamite semelhante em design aos encontrados no Prius da Toyota. Existe um módulo de super capacitor Maxwell leve como "carregador". A energia gerada pelo sistema carrega uma bateria provavelmente de lítio que foi projetada para ser carregada e descarregada simultaneamente (veja a patente), através de um algoritmo gerenciado pelo controlador. O isqueiro podemos produzir o sistema e também acelerar o carregamento, reduzindo a resistência interna da bateria o mais eficiente e prático, será.

Não nos foi permitido testar em voo, mas os cálculos derivados de uma mina Cessna 152 indicam um bom potencial de regeneração. Ele pode ser usado como um sistema de resgate, durante a descida, ou quando for prático para ajustar o campo de inclinação. Reação de empurrão de joelho de leigos e engenheiros tem sido negativa até que eles cuidadosamente estudem a invenção, então o consenso parece ser "Isso definitivamente deveria ser desenvolvido adiante". Patente está no mercado. Patente #US 9,643,729 B2

Isso será embutido e quase obrigatório.

Sua pergunta tem uma suposição embutida: regenerar energia é útil. A única maneira que seria útil é se o sistema de propulsão (ou parte dele) fosse elétrico. Portanto, por definição, devemos estar nos referindo a uma aeronave com propulsão elétrica .

Também presumivelmente, não estamos lançando a tecnologia da era 1880 para o céu. Isso significa que estamos usando motores CA com vetor de fluxo, ou seja, Semicondutores grandes sintetizando senoidais trifásicos de corrente contínua.

Se a freqüência do inversor for igual à velocidade do motor, isso é inerte - nenhuma corrente flui e nenhum empuxo é feito. Se uma frequência mais alta, isso aplica energia. Se maior ainda, aplica-se mais poder. Se mais lento, ele se regenera. Se mais lento, ele regenera mais.

Então, se você tem uma unidade elétrica CA, você já está com a regeneração. Feito!

Essencialmente, será o contrário. Onde você consegue usar isso? As encostas de deslizamento são projetadas muito rasas, então você normalmente precisará de energia até o final. Olhe como eles voam o C-17, eles precisariam reprojetar abordagens para ser assim, o que também os tornaria exclusivos para máquinas elétricas e reversas em vôo como o C-17.