Каковы некоторые альтернативные преимущества электрического двигателя?

Для самолетов нет .

Гибридные приводы используются, потому что:

• Они предлагают, хотя и ограниченное , повышение эффективности за счет возможности работы двигателя ближе к его оптимальным условиям.

  Поскольку двигатели с искровым зажиганием более эффективны при более высоких настройках мощности, гибрид может получить преимущество, имея двигатель меньшего размера, работая на (относительно) высокой мощности или вообще не работая, и покрывая изменения требуемой мощности с помощью электрического двигателя.

  Автомобили много разгоняются и останавливаются и часто едут с небольшой долей мощности, поэтому они могут эффективно использовать это.

  Преимущество относится только к двигателям с искровым зажиганием, т.е. бензиновым двигателям. Двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные) имеют более равномерный КПД во всем рабочем диапазоне, поэтому преимущество отсутствует или незначительно. Это одна из причин, по которой вы не видите гибридных дизельных автомобилей.

• Аккумуляторы можно предварительно зарядить более дешевой электросетью. Это используется в гибридных автомобилях, но, очевидно, требует много тяжелых аккумуляторов.

• Электродвигатели могут обеспечивать высокий крутящий момент с места. Поршневые двигатели могут обеспечить только ограниченный крутящий момент с места, и это сильно нагружает сцепление.

  Это особенно важно для двигателей поездов. Колеса поезда имеют подшипники, смазываемые масляными насосами, прикрепленными к осям, которые работают только во время движения поезда, поэтому, когда поезд останавливается, подшипники не смазываются, и сила, необходимая для его движения, намного выше, чем при движении.

• При больших мощностях электрогенератор и двигатель проще и надежнее коробки передач и сцепления. Для двигателей больших поездов и кораблей о механическом сцеплении не может быть и речи. Гидравлический, который представляет собой турбонасос и турбину в масле, можно использовать, но для этого все еще требуется регулируемая коробка передач. Электрическая трансмиссия действует как почти идеальная бесступенчатая трансмиссия, способная обеспечивать почти постоянную мощность в широком диапазоне скоростей вращения.

В любом случае гибридная трансмиссия тяжелее механической.

Теперь по самолетам :

• Двигатель работает с постоянными оборотами и мощностью, которая относительно высока (обычно крейсерская установка составляет 75% для поршневых и даже выше для турбинных самолетов). Таким образом, нет места для разработки гибридной трансмиссии, чтобы двигатель работал ближе к оптимальному.

• Вес имеет решающее значение для самолетов, поэтому вес электрогенератора и двигателя является решающим фактором. Для автомобилей добавление веса вызывает меньшее увеличение сопротивления, поэтому это не вызывает беспокойства, и поезда даже должны быть тяжелыми, чтобы иметь достаточное сцепление для их сцепления с дорогой.

• Поскольку вес имеет решающее значение, самолет не может позволить себе брать с собой много аккумуляторов, которые можно было бы предварительно зарядить более дешевой электроэнергией, что является другим преимуществом гибридных автомобилей.

• Пропеллерам почти не требуется усилие для начала вращения, и они работают в узком диапазоне оборотов, поэтому способность электродвигателя обеспечивать крутящий момент с места и в широком диапазоне оборотов бесполезна для самолета.

Таким образом, ни одно из преимуществ гибридных приводов, используемых в других транспортных средствах, не применимо к самолетам, поэтому нет смысла их строить.

Я согласен с предыдущим ответом, что существует ряд проблем с реализацией серийного гибрида (например, генератора с химическим питанием, работающего от электродвигателя(ей)) на самолете, но я думаю, что у него есть и пара положительных сторон. ... хотя нам, возможно, придется разработать новую силовую установку, а не дополнять существующую. Я нашел исследование НАСА, посвященное распределенной турбоэлектрической силовой установке для замены водородных ГПВР с криогенным хранением на самолете BWB, которое показывает потенциал для фактического снижения веса за счет перехода на электрическую систему ( https://mdao.grc.nasa.gov/publications/ IPLF08-Kim.pdf ), но это довольно узкоспециализированное приложение. Однако это, естественно, не всегда означает, что это так: только сейчас и для этого приложения.

Тем не менее, упоминание о распределенной силовой установке подчеркивает главный плюс электрических силовых установок. Гораздо проще прокладывать гибкие линии электропередач, чем механические соединения валов. Следовательно, если вы хотите иметь несколько двигателей... электрическая силовая установка позволит вам сделать это относительно легко. Кроме того, предположим, что вы хотите создать самолет, который может зависать и летать, как типичный самолет с неподвижным крылом, — обычно вам придется проектировать изменение общего шага в ваших пропропортерах. Или, с электрическим двигателем, у вас может быть просто куча (я имею в виду 12+) пропроторов, каждый из которых вы настраиваете с распределением крутки, подходящим для определенного режима полета. Посмотрите на предложенный проект НАСА ( http://aero.larc.nasa.gov/files/2012/11/Distributed-Electric-Propulsion-Aircraft.pdf ).), отдельный проект компании Aurora Flight Sciences, усовершенствованный в рамках программы DARPA X-Plane ( http://www.darpa.mil/news-events/2016-03-03 ), или недавний проект Lilium Aviation ( http:/ /lilium-aviation.com/ ). Учитывая, что все это концепции , пока ничего не доказано рабочим проектом... но похоже, что многие люди изучают возможности, предоставляемые распределенной электрической силовой установкой. Ожидаемое появление литий-серных батарей также должно иметь большое значение. Ожидается, что эти батареи будут иметь емкость ~ 500 кВтч / кг (примерно в 2 раза больше, чем у литий-полимерных аккумуляторов, доступных сейчас), но я думаю, что 2019 год — ожидаемая дата, когда литий-S батареи большой емкости начнут появляться на рынке.

Наконец, одна особенность двигателей заключается в том, что их эффективность может сильно различаться в зависимости от того, как они работают (т. е. нагрузки на двигатель, числа оборотов в минуту и ​​т. д.). Этот отрывок из учебника немецкого языка, к сожалению, на немецком ( https://books.google.com/books?id=QAGHZPVnnSAC&pg=PA540#v=onepage&q&f=false ), но основная идея отражена на странице Википедии, где сюжет воспроизводится на английском языке ( https://en.wikipedia.org/wiki/Consumment_map). По вертикальной оси отложена мощность двигателя с искровым зажиганием, по горизонтальной оси - число оборотов, на которых работает двигатель, по контурам - собственно расход топлива. Короче говоря, если у вас есть какие-либо изменения в нагрузке двигателя или на каких оборотах он работает, он работает не с максимальной эффективностью. Это будет иметь место для вашего типичного негибридного двигателя, где нагрузка и число оборотов меняются в зависимости от условий полета. Однако, если мы отделим условия полета (т. е. желаемую крейсерскую скорость, настройку дроссельной заслонки, настройку скорости винта, настройку шага винта и т. д.) от химического двигателя и позволим электродвигателю (который имеет гораздо более высокий КПД, чем химический двигатель) с этими вариациями мы можем, по-видимому, запустите химический двигатель в оптимальном диапазоне производительности (вероятно, потребуются некоторые изменения, если выходная мощность чрезмерна, но это проблема проектирования, при которой вы попытаетесь подобрать двигатель для его максимальной эффективности в крейсерском режиме, я думаю). Для нас это экономия топлива, а также снижение износа двигателя, потому что ему не приходится видеть все изменения дроссельной заслонки, обычно присутствующие в обычном полете.

Как уже отмечалось, это не относится к типичному самолету (маленькие диапазоны оборотов в минуту)... но что, если мы решим сыграть в игру, в которую играют Aurora, Lilium и NASA, и создать самолет вертикального взлета и посадки? Различия между полетом на пропроторе в поперечном и осевом полете огромны, и наличие контроля оборотов может иметь большое значение и может устранить необходимость в винтах с изменяемым шагом. Просто спроектируйте правильное распределение крутящего момента, варьируйте обороты, и вы сможете получить приемлемую эффективность в обоих режимах (по крайней мере, для более медленных скоростей). Или, как в НАСА, используйте два разных набора пропеллеров для крейсерского и вертикального полета с неподвижным крылом, каждый из которых оптимизирован для конкретного режима полета. Я не говорю, что это легко... Просто электрическая тяга дает такую ​​возможность.

Но, да, вес и технология являются основными проблемами ... и вы можете видеть в электрических самолетах, которые были построены на сегодняшний день. Светлячок (электрический вертолет Сикорского) имеет максимальную выносливость, я думаю, 15 минут. Гелиос ( https://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-068-DFRC.html) — изящный самолет, но посмотрите, насколько хрупка его конструкция, позволяющая ему работать как гибрид солнечной батареи и топливных элементов (т. е. солнечная энергия просто не обеспечивает много энергии, поэтому вам нужно самолет с большим удлинением). Gamera-S — это квадрокоптер на солнечных батареях, разрабатываемый в Университете Мэриленда (см. ниже), но посмотрите, насколько разрежена рама — вес — ОГРОМНАЯ проблема для этих летательных аппаратов, особенно с учетом того, сколько энергии мы можем получить в настоящее время. от батареек или солнца. Серийные гибриды не избавляются от этой проблемы (поскольку они вводят вес двигателя, вес топлива, вес системы смазки и т. д.), но они могут дать вам пару преимуществ, как отмечалось выше.