Frage:
Welche Energiedichte wird für die Batterien benötigt, um ein vollelektrisches Analogon der Cessna 150 oder einer ähnlichen Ebene herzustellen?
Electric Pilot
2017-10-24 17:05:18 UTC
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Ich glaube, ich habe ein allgemeines Verständnis dafür, dass ein 2-Sitzer-Trainingsflugzeug (wie die C-150) derzeit selbst mit den bestmöglichen Batterien sehr unpraktisch wäre. Ich spreche nicht einmal von elektrischen Analoga der Piper Seneca, geschweige denn von Verkehrsflugzeugen. Gleichzeitig sind Elektromotoren im Vergleich zu Kolbenmotoren weniger schwer und weitaus effizienter (ich denke über 90%). Pipistrel behauptet, dass Siemens einen 85-kW-Motor hat, der nur 14 kg wiegt. Ich mag auch die Idee, dass Elektromotoren uns eine gewisse Flexibilität bei der Energieverteilung bieten.

Welche Fortschritte brauchen wir in Bezug auf die Energiedichte der aktuellen Batterien, um ein Flugzeug mit 2 bis 4 Sitzen real und real zu machen? äquivalent in Reichweite und Leistung zu seinen Kolbenanaloga? Wird es auch billiger zu berechnen sein als die Kosten für flüssigen Kraftstoff? (Angenommen, der Elektromotor ähnelt in Bezug auf die Leistung einem Kolbenmotor.)

Willkommen bei SE! Bitte nehmen Sie an der [Tour] teil, um sich zurechtzufinden. Sie werden feststellen, dass wir etwas anders sind. Dies ist ein Ort für Fragen, die Antworten haben, nicht für allgemeine Diskussionen und Meinungen, wie Sie sie an vielen anderen Orten finden . Bitte schauen Sie auch bei [Hilfe] vorbei, um zu sehen, welche Fragen zum Thema gehören und welche nicht. Dies wird wahrscheinlich in Kürze als meinungsbasiert geschlossen. Wenn Sie eine bestimmte Frage haben, beantworten wir diese gerne.
Außerdem enthält [diese Frage] (https://aviation.stackexchange.com/questions/27950/what-are-some-alternative-benefits-to-electric-propulsion) einige Details zu den Energiedichten von Düsentreibstoff im Vergleich zur aktuellen Batterietechnologie , um den Teil "Nicht Meinung" Ihrer Frage anzusprechen.
Billiger zu laden als was? Meinst du billiger zu betreiben als flüssige Brennstoffe?
Ja, flüssiger Kraftstoff. Ich habe meinen ersten Beitrag bearbeitet.
Was halten Sie für "praktisch"? Einige Unternehmen wie Pipistrel arbeiten an elektrischen Trainern mit einer Lebensdauer von 60 bis 90 Minuten, da dies für eine Schulung im lokalen Muster ausreicht. Das kann praktisch sein oder auch nicht, je nachdem, wie Sie ein Flugzeug verwenden möchten.
Drohnen sind per Definition Leichtflugzeuge und ich würde sagen, dass elektrische Drohnen bereits für ihren Zweck äußerst praktisch sind. Wenn Sie Ihre Frage auf bemannte Flugzeuge für den Transport beschränken möchten, sollten Sie Ihre Frage darauf beschränken. Aber für Freizeit- und Flugshows wären 30 Minuten Akkulaufzeit bereits ein praktischer Anwendungsfall.
"Praktisch" ist ein ziemlich großes Ziel, aber Solar Impulse hat bereits einen Zweisitzer mit Batterien und Solarenergie um die Welt geflogen.
Ich stimme zu, praktisch ist ein vager Begriff. Was ich unter praktisch verstehe, ist ein vollelektrisches Flugzeug, das zum Überlandfliegen fähig ist, idealerweise mit einer Ausdauer, die den Kolbenanaloga ähnelt. Zum Beispiel - 300 NM Cross Country Flug für das CPL Training.
Ich schlage vor, Sie bearbeiten die Frage @ParadigmPilot, einfach sagen "äquivalente Reichweite und Leistung"
Vielleicht bearbeiten Sie auch den Titel, da ich mir den Titel angesehen und sofort an elektrische VTOL-Taxis gedacht habe, nach denen Sie nicht fragen: https://www.wired.com/2017/04/uber-really-seriously- verspricht-fliegende-autos-2020 /
Ich sehe auch aus den Kommentaren zur Antwort, dass Sie bereits viel über diese Frage nachgedacht haben. Diese Gedanken wären gut, um sie in die Frage texf selbst aufzunehmen.
Obligatorischer xkcd-Cartoon: https://what-if.xkcd.com/30/
Sechs antworten:
#1
+67
GdD
2017-10-24 19:06:15 UTC
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Kurze Antwort

Batterien müssten etwa 16,7 MJ / kg betragen, um die gleiche Reichweite und Leistung wie flüssige Brennstoffe zu erzielen. Dies entspricht etwa dem 18,5-fachen der Kapazität der beste Lithium-Ionen-Batterien. Preislich kostet das Aufladen Ihres Flugzeugs etwa 30-35%, anstatt es zu heutigen Preisen mit flüssigen Brennstoffen zu füllen.

Lange Antwort

Dies ist eine gute Frage, auf die es schwierig ist, eine genaue Antwort zu geben, daher handelt es sich eher um eine Fermi-Annäherung. Um dies zu beantworten, müssen Sie die im Kraftstoff enthaltene Energie und den Wirkungsgrad des verwendeten Motors untersuchen.

Wenn ich die Energie des Kraftstoffs betrachte, verwende ich Spezifische Energie, dh die Energie, die in einem Material pro Masseneinheit gespeichert ist. Die spezifische Energie bezieht sich auf die Energiedichte, dh die pro Volumeneinheit enthaltene Energiemenge. Oft werden die Begriffe vertauscht.

Die spezifische Energie von Avgas und Düsentreibstoff beträgt ca. 43 MJ / kg. Die besten Lithium-Ionen-Batterien haben einen Spitzenwert von etwa 0,9 MJ / kg (die Batterien in einem Tesla haben einen Wert von etwa 0,7 MJ / kg), sodass sie einen Bruchteil der Speicherung flüssiger Brennstoffe ausmachen. Die beste Batterietechnologie in der theoretischen Entwicklung (Lithium-Luft) hat ein theoretisches Maximum von 41 MJ / kg, realistischer erhalten sie 1/4 bis 1/3 davon von der Technologie, die immer noch riesig ist.

Verbrennungsmotoren haben einen Wirkungsgrad von etwa 35%, die anderen 65% werden verschwendet, während Elektromotoren einen Wirkungsgrad von 90% oder mehr erreichen.

Es sind weitere Faktoren zu berücksichtigen:

  • Gewicht: Kraftstofftanks, Rohrleitungen und Pumpen nehmen Gewicht auf, und Elektromotoren sind viel leichter als Verbrennungsmotoren. Die Batterien würden eine Speicherstruktur benötigen, aber ein elektrisches System wäre wahrscheinlich insgesamt leichter
  • Batterieinkonsistenzen: avgas liefert in jedem einzelnen Tropfen eine konstante Energiemenge, während die Batterien beim Entladen durchhängen (dies wird reguliert, um dem Motor eine konstante Leistung zu verleihen, jedoch fallen an einigen Stellen die Werte unter die regulierbare Leistung, also nicht Der gesamte Strom in den Batterien kann verwendet werden. Außerdem verlieren sie mit der Zeit an Kapazität und werden weniger effizient. Beide Faktoren bedeuten, dass Sie zusätzliche Batteriekapazität einbauen möchten, um

zu kompensieren. Ich gehe also davon aus, dass diese beiden Faktoren sich gegenseitig kompensieren, was die Gewichtsersparnis durch den Stromverbrauch ausmacht durch den Bedarf an zusätzlicher Kapazität zur Gewährleistung der Konsistenz ausgeglichen werden. Unter der Annahme, dass alle anderen Faktoren gleich sind (Propellerwirkungsgrad usw.), können wir den tatsächlichen Wirkungsgrad der Systeme extrapolieren, um einen ungefähren Wert für die interne Verbrennung von Avgas zu erhalten: 35% von 43 MJ / kg = 15 MJ / kg tatsächlichem Nutzen. Wir können diese Zahl verwenden, um zu bestimmen, welche spezifische Energie wir von Batterien benötigen würden, um die gleiche Menge zu erhalten, indem wir durch den Wirkungsgrad des Elektromotors dividieren: 15 MJ / kg / 0,9 erhalten wir 16,7 MJ / kg .

Batterien müssten also 16,7 MJ / kg speichern, um die gleiche Energie wie flüssige Brennstoffe zu erhalten. Aber wie ist der Vergleich mit der vorhandenen Batterietechnologie? Derzeit liegt die im Handel erhältliche Batterietechnologie bei etwa 0,9 MJ / kg, sodass 18,56 mehr Speicherkapazität (16,7 / 0,9 = 18,56) erforderlich wäre, um dieselbe Energiemenge zu liefern.

Die Energiekosten werden in Abhängigkeit von den Kraftstoff- und Strompreisen im Laufe der Zeit und des Ortes stark variieren. Wir können einige der gleichen Zahlen oben verwenden, um die Zahlen zu bearbeiten. Ich gehe von einem Flugzeug aus, das 150 Liter fasst, da die Mathematik einfach ist und es um die Kapazität einer Cessna 172 geht. Ich werde getrennte Berechnungen für die USA und Großbritannien durchführen, um zu sehen, wie sie sich vergleichen:

  • In den USA: Avgas kostet derzeit etwa 5,20 US-Dollar pro US-Gallone, das sind 208 US-Dollar, um Ihr Flugzeug mit 40 Mädels zu füllen. Avgas hat ungefähr 34,2 MJ / Liter Energie, multiplizieren Sie dies mit 150 Litern für 5130 MJ Energie. Verbrennungsmotoren haben einen Wirkungsgrad von 35% und Elektromotoren von 90%. Wir können also berechnen, dass ein Elektroflugzeug 5130 * 0,35 / 0,9 = 1995 MJ elektrische Energie zum Tanken benötigt. 1995 MJ ist ungefähr 554 kWh, bei ungefähr 0,135 USD pro kWh würde es 75 USD kosten, ein Flugzeug mit der gleichen Energiemenge aufzuladen.
  • In Großbritannien: Avgas in Großbritannien kostet ungefähr 2,23 USD pro Liter (8,47 US-Dollar pro Gallone (autsch!)), das Auffüllen eines Flugzeugs würde also 334,50 US-Dollar kosten. 554 kWh Strom kosten ungefähr 0,17 USD pro kWh, daher würde das Aufladen des Flugzeugs 94 USD kosten.

BEARBEITEN: Ich habe den Effizienzgewinn durch Gewichtsverlust berücksichtigt Da Kraftstoff verbrannt wird, dh ein System mit variabler Masse, habe ich ihn aus der Antwort herausgelassen, da er im Vergleich zu den anderen Faktoren, die bereits eine Annäherung darstellen, nicht signifikant ist. Dies hat mit der Treibstofffraktion zu tun, bei der es sich um den Prozentsatz des Flugzeuggewichts handelt, bei dem es sich um Treibstoff handelt, der bei einem Leichtkolben-Einzel vergleichsweise niedrig ist. Eine Cessna 172 trägt ungefähr 40 Gallonen Kraftstoff, von denen 38 verwendbar sind und ungefähr 228 Pfund wiegen, im Gegensatz zu einem typischen Startgewicht von 2200-2300 Pfund. Mit anderen Worten, der Treibstoffanteil beträgt ungefähr 10%, selbst bei einem Langstreckenflug mit jedem Stück Treibstoff verlieren Sie nur 10% Ihres Gewichts, und ich würde ungefähr davon ausgehen, dass Sie ungefähr 5% davon profitieren würden. Dies war im Vergleich zu den anderen Überlegungen kein ausreichender Faktor, und es würde wahrscheinlich durch regenerative Abfahrten ausgeglichen, bei denen der Elektromotor tatsächlich Strom aus der sich drehenden Stütze erzeugt.

Bei Flugzeugen, bei denen ein bedeutenderer Teil des Gewichts Treibstoff ist, d. h. ein höherer Treibstoffanteil, sind Effizienzgewinne durch variable Masse ein viel bedeutenderer Faktor, beispielsweise beträgt der Treibstoffanteil eines A380 44%.

Kommentare sind nicht für eine ausführliche Diskussion gedacht. Dieses Gespräch wurde [in den Chat verschoben] (http://chat.stackexchange.com/rooms/67667/discussion-on-answer-by-gdd-what-energy-density-is-required-for-the-batteries- im). ** Alle weiteren Kommentare hier werden ohne vorherige Ankündigung gelöscht. **
#2
+13
bta
2017-10-25 03:47:24 UTC
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Ein vollelektrisches Fahrzeug, das dem von Ihnen beschriebenen ähnlich ist, wurde tatsächlich erstellt (IEEE Spectrum hat einen schönen Artikel darüber verfasst). Die Batterien werden mit 260 Wattstunden pro Kilogramm bei einem Kraftwerksleistungsverhältnis von über 5 kW / kg beschrieben. Das zweisitzige Fahrzeug ist für Trainingsflüge ausgelegt, und der Treibstoff für jede Flugstunde kostet weniger als ein Achtel der Kosten eines Flugzeugs mit konventionellem Treibstoff. Aus den offiziellen Spezifikationen des Flugzeugs geht hervor, dass die 2-Sitzer-Version etwa 3 Stunden Flugzeit hat (4 Stunden für den 4-Sitzer). Es werden die gleichen "Aufladestellen" wie bei Elektroautos verwendet, es gibt jedoch keine spezifischen Zahlen für die Ladezeit.

Der Artikel beschreibt die technische Entwicklung des Fahrzeugs und viele der von Ihnen erwähnten Skalierungsprobleme. Einige konnten entwickelt werden, andere (einschließlich der Batteriespeicherdichte) bleiben auf absehbare Zeit ein Problem. Zusammenfassend ist der elektrische Antrieb derzeit nur in langsameren Flugzeugen wettbewerbsfähig. Der Luftwiderstand nimmt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu. Mehr Luftwiderstand bedeutet, dass mehr Batterien zur Stromversorgung benötigt werden, und das bedeutet mehr Gewicht. Die Batterieenergiedichte begrenzt letztendlich die Größe und Geschwindigkeit eines vollelektrischen Flugzeugs, aber die derzeitige Technologie scheint ausreichend zu sein, um ein praktisches Flugzeug herzustellen.

Guter Artikel. Sie geben jedoch keine Flugausdauerzahlen an. Und das ist meiner Meinung nach einer der wichtigsten Punkte. Ich gehe davon aus, dass ihr Flugzeug in dieser Hinsicht Pipistrel ähnlich wäre - 1 Stunde mit Reserven. Es ist ungefähr fünfmal weniger als bei ähnlichen Flugzeugen mit Kolbenmotor.
@ParadigmPilot Mit zusätzlichen Details aktualisiert. Die Flugzeit liegt je nach Modell im Bereich von 3-4 Stunden. Diese wurden als Trainingsfahrzeuge konzipiert, so dass lange Flüge kein explizites Entwurfsziel waren. Der Artikel spielt an, dass ein Hybrid-Design (elektrischer Antrieb plus kleiner Gasmotor zum Aufladen von Batterien) wahrscheinlich die Zukunft für größere Fahrzeuge oder längere Flüge sein wird.
Ich mag ihr Design, aber es ist wirklich kaum zu glauben, dass der 4-sitzige Sun Flyer (mit 130 kW Motor) 4 Stunden Flugzeit bietet. Wenn es wahr ist, dann widerspricht es etwas der ungefähren Leistungsdichte von 16,7 MJ / kg, die in der ersten Antwort angegeben ist. Wenn es mit der aktuellen Technologie von 0,9 MJ / kg 4 Stunden erreichen kann, könnten sogar 3-4 MJ / kg Leistungsdichte jedes Kolbenflugzeug mit ähnlicher Kapazität möglicherweise überflüssig machen.
Eine wichtige Annahme in der Antwort von GdD ist, dass Dinge wie die Propellereffizienz gleich geblieben sind, was beim Sun Flyer nicht der Fall ist. Der kleine Motor bedeutet eine schlankere Motorhaube, die den Luftwiderstand um 15% reduziert und es der Stütze ermöglicht, "erheblich mehr Schub" zu erzeugen. Elektrizitätsspezifische Optimierungen wie diese (und regeneratives Bremsen) reduzieren die erforderliche Leistungsdichte, und Sie werden im Laufe der Zeit wahrscheinlich immer mehr davon sehen.
Dies ist ein sehr guter Punkt in Bezug auf die Propeller- und Motorhaubeneffizienz des Sun Flyer. Aber schauen wir uns Cirrus SR 22 oder Diamond DA 40 an. Beide verwenden Verbundwerkstoffe und haben wahrscheinlich eine bessere Aerodynamik als Cessna 172. Der Verkleidungsbereich von Cirrus und Diamond sieht im Vergleich zu 172 schlanker aus, aber ich stimme dem vollkommen zu Sun Flyer ohne Lufteinlässe ist wahrscheinlich aerodynamisch besser.
Fahren Sie mit meinem vorherigen Kommentar fort: Es ist klar, dass wir mehr reale Zahlen benötigen, insbesondere die Reichweitenzahl des Sun Flyer ist wirklich wichtig. Der 4-Sitzer Cirrus SR 22 erreicht eine Reichweite von 1900 km und verfügt über ein Fallschirmsystem - eine unerreichbare Zahl für vollelektrische Flugzeuge mit ähnlicher Kapazität.
#3
+9
Harper - Reinstate Monica
2017-10-26 05:19:02 UTC
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Sie verpassen den Punkt. Elektrofahrzeuge versuchen nicht einmal, die Energiedichte von Erdöl anzupassen.

Hier geht es nicht darum, einen Lycoming herauszuziehen und einen VFD, einen Induktionsmotor und eine Batteriebank einzuschalten . Sogar Elektroautos verfolgen einen Blank-Slate-Ansatz. Sie ahmen nicht einfach das Verhältnis von Antriebsstrangmasse zu Restfahrzeugmasse nach. Sie entwerfen ein neues Fahrzeug, das funktionsfähig ist. Wetten, dass Sie dasselbe in einem Flugzeug tun würden?

Beachten Sie, dass ein Elektromotor viel kleiner und leichter als ein Flugzeugtriebwerk ist und die Leistung im Flugzeug verteilt werden kann, z. Ein mehrmotoriges elektrisches Flugzeug ist absolut vernünftig und fast unvermeidlich. Während ein mehrmotoriges Gasflugzeug eine völlig andere Kreatur mit sehr unterschiedlicher Zertifizierung ist.

Das bedeutet, dass sich Ihre Requisiten an besseren Orten befinden und mehr aus ihrem überstrichenen Bereich herausholen, anstatt vor sperrigen Motoren zu stecken oder auf andere Weise Energie zu verschwenden, um Luft um einen Rumpf zu biegen. Sie könnten den Flügel blasen oder einen Mittellinienschub mit 2 Motoren pro gegenläufiger Stütze ausführen. Sie wollen mehr Ruderautorität bei niedriger Geschwindigkeit? Schlag das Ruder. Sie können sie überall platzieren.

Ein Faktor ist auch, dass Flugzeuge schöne große flache Oberflächen haben, die sich für Sonnenkollektoren eignen. Dies erhöht die Masse, erhöht aber auch die Reichweite im Tagesflug, was dann die Frage aufwirft, ob es sich um ein Nur-Tag- oder ein Nachtflugzeug handelt. All dieser Kalkül muss in das Fahrzeugdesign einfließen.

Ein weiterer Teil des Kalküls sind leichte Materialien wie Verbundwerkstoffe. Es ist nicht sinnvoll, Dreamliner- oder F-22-Konstruktionsmethoden in einem billigen Basis-GA-Flugzeug zu verwenden, aber wenn es auf Reichweite / Leistung ankommt, sollten Sie dies noch einmal überprüfen. Und es könnte in der Massenproduktion erschwinglich werden.

Sie wetten, dass die Energiedichte hilft , aber es ist möglicherweise möglich, ein brauchbares Flugzeug mit vorhandener Technologie zu bauen. Sie wissen es einfach nicht, bis Sie das Fahrzeugdesign durchlaufen und sehen, wohin es führt. Das ist nicht billig

Sonnenkollektoren passen schlecht zu Flugzeugen. Selbst bei unmöglich perfekten Sonnenkollektoren ist die Sonnenleistung einfach zu niedrig, um einen bedeutenden Unterschied zu bewirken.
@Antzi: Solar Impulse http://www.solarimpulse.com/ und Solar Stratos https://www.solarstratos.com/de/ haben beide gute Vorführungen für solare elektrische Flugzeuge gezeigt. Sicher exotisch, aber es ist falsch, sie vollständig in Flugzeugen zu zählen.
@ErinAnne korrekt, aber dies wird leider die Domäne exotischer Flugzeuge bleiben; ganz anders als Cessna von OP
@Harper Ich spreche nur von Solarenergie im Flug, nicht von elektrischen Flugzeugen im Allgemeinen.
AilirnzaemCMT oh, okay.
@Harper Ich stimme dem zu, was Sie sagen. Die Mehrheit Ihrer Punkte wurde bereits in den Antworten und Kommentaren erwähnt. Es ist definitiv nicht erforderlich, die Leistungsdichte des Kraftstoffs nachzuahmen, daher beträgt die in der ersten Antwort angegebene ungefähre Zahl 16,7 MJ / kg und nicht 43 MJ / kg. Lesen Sie auch meinen Kommentar zur zweiten Antwort bezüglich Sun Flyer-Flugzeugen.
Ich bin hier bei dir. Nehmen Sie zunächst ein Design, das eher einem Motorsegler als einem Trainer ähnelt. Optimieren Sie dann jedes Teil rund um das Stromnetz. Es muss nicht so lange so viel Strom verbrauchen wie ein C152 - es muss nur in der Lage sein, für eine ähnliche Zeit mit einer ähnlichen Reisegeschwindigkeit in der Luft zu bleiben.
#4
+3
Finbar Sheehy
2018-03-09 20:22:57 UTC
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Hier ist eine Faustregel: Sie können davon ausgehen, dass die Reichweite eines praktischen Elektroflugzeugs in Seemeilen ungefähr der Energiedichte seiner Batterien in Wh / kg entspricht. Heute sind es ungefähr 250 Spitzenwerte.

Diese Faustregel geht davon aus, dass die Kreuzfahrt-L / D 20: 1 beträgt. Wenn Ihr Design 10: 1 erreicht, halbieren Sie den Bereich.

Ist 20: 1 realistisch? Nun, eine Cirrus SR22, ein modernes All-Composite-Flugzeug, erreicht ungefähr 17 bei einem besten L / D von ungefähr 90 kt. 20: 1 ist also ehrgeizig, aber realistisch.

Wenn Ihre Vorstellung von "praktisch" eine Reisegeschwindigkeit von 160 kt ist, benötigen Sie eine Flugzeugzelle mit einem L / D von 20: 1 bei 160 kt , das hat auch einen Flügel, der groß genug ist, um auf 60 kt zu verlangsamen, wie in Teil 23 gefordert. Das ist schwer. Oder Sie erhalten 10: 1 bei 160 kt, erfüllen die Anforderungen von Teil 23, halbieren jedoch die Reichweite.

Wenn Ihre Vorstellung von "praktisch" eine Reichweite von 600 NM hat, benötigen Sie Batterien mit 600 NM Wh / kg. Sie existieren nicht.

Wenn eine 90-kt-Kreuzfahrt für 250 Seemeilen Ihre Vorstellung von "praktisch" ist, ist die Technologie heute gut genug. Eine 120-kt-Kreuzfahrt für 250 Seemeilen ist möglicherweise mit einem cleveren Flugzeugdesign möglich.

Wenden wir uns der Systemtechnik zu, die hinter dieser Antwort steht.

Erforderliche Energie = Kraft x Entfernung = Widerstand x Reichweite = [Gewicht / (L / D)] x Reichweite = In den Batterien gespeicherte Energie

$ E_ {req} = F \ cdot x = D \ cdot R = \ frac {W \ cdot D} {L} \ cdot R = E_ {bat} $

Mit:

  • $ E_ { req} $ = benötigte Energie
  • $ F $ = Kraft
  • $ x $ = Verschiebung
  • $ D $ = Luftwiderstand
  • $ R $ = Reichweite
  • $ W $ = Gewicht
  • $ L $ = Auftrieb
  • $ E_ {bat} $ = Energie aus der Batterie

Also,

$ R \ approx \ frac {E_ {bat}} {W} \ cdot \ frac {L} {D} $

Gewicht = Nutzlast + Gewicht des Stromversorgungssystems + Strukturgewicht

Bei einem praktischen Flugzeug beträgt das Strukturgewicht ungefähr die Hälfte des Gesamtgewichts, möglicherweise etwas weniger. Nennen wir es 0,5, wenn wir das Gewicht des Elektromotors einbeziehen, das mit dem Flugzeuggewicht skaliert.

Wenn also die Struktur einschließlich des Motors das halbe Gesamtgewicht beträgt, haben wir

$ W \ ca. 2 (W_ {Nutzlast} + W_ {Fledermaus}) $

Definieren wir $ k $ als den Bruchteil des angehobenen Gewichts (dh Nutzlast + Batterie), der Batterie ist.

Also, $ k = \ frac {W_ {bat}} {W_ {payload} + W_ {bat}} $ und daher $ W_ {payload} + W_ {bat} = \ frac {W_ {bat}} {k} $.

Also, $ W \ approx \ frac {2 \ cdot W_ {bat}} {k} $

Dann

$ R \ approx \ frac {E_ {bat}} {W_ {bat}} \ cdot \ frac {k} {2} \ cdot \ frac {L} {D} $

Dies benötigt eine Anpassung: Die von der Batterie in der Praxis verfügbare Energie beträgt nicht $ W_ {bat} $, sondern $ U \ cdot W_ {bat} $, wobei $ U $ einen Wert von etwa 75% hat. Dies liegt daran, dass der Akku nicht viele Zyklen hält, wenn Sie den Akku in jedem Zyklus vollständig laden und entladen und dabei die volle Menge von $ W_ {bat} $ verwenden.

Also passen wir uns an, um

$ R \ approx \ frac {E_ {bat}} {W_ {bat}} \ cdot \ frac {k} {2} \ cdot anzuzeigen U \ cdot \ frac {L} {D} $

Nun, das ist alles in SI-Einheiten, wobei die Entfernung in Metern, die Energie in Joule und das Gewicht in Newton (nicht in kg!) Angegeben ist. Lassen Sie uns eine Einheitenumrechnung durchführen:

$ R = 1852 \ cdot R_ {NM} $

$ E = 3600 \ cdot E_ {Wh} $

$ W_ {bat} = 9,8 \ cdot M_ {bat, kg} $

Also,

$ 1852 \ cdot R_ {NM} \ approx \ frac {3600 \ cdot E_ {Wh} } {9.8 \ cdot M_ {bat, kg}} \ cdot \ frac {k} {2} \ cdot U \ cdot \ frac {L} {D} $

und damit

$ R_ {NM} \ ca. \ 0,0743 \ cdot \ frac {E_ {Wh}} {M_ {Fledermaus, kg}} \ cdot \ k \ cdot \ frac {L} {D} $

oder, wenn wir $ \ frac {L} {D} \ ca. 20 $

annehmen, dann

$ R_ {NM} \ ca. \ 1,48 \ cdot \ k \ cdot \ frac {E_ {Wh}} {M_ {bat, kg}} $

Die maximal mögliche Reichweite ist, wenn $ k = 1 $, dh es gibt keine Nutzlast und das Flugzeug trägt nur Batterie.

Wenn wir jedoch für ein praktischeres Design $ k = \ frac {1} {1.48} = 0.67 $ setzen, wiegt die Batterie doppelt so viel wie die Nutzlast (denken Sie an 200 kg Batterie oder 440 lb Batterie pro beförderter Person), dann

$ R_ {NM} \ ca. \ frac {E_ {Wh}} {M_ {Fledermaus, kg}} $

Dies ist die Faustregel: Die Reichweite in Seemeilen entspricht der Energiedichte in Wh / kg.

Genauer gesagt,

$ R_ {NM} \ approx \ frac {E_ {Wh}} {M_ {bat, kg}} \ cdot \ frac {\ frac {L} {D}} {20} $

Sie könnten mehr Reichweite hinzufügen, indem Sie einen größeren Batterieanteil k, haben. Wenn Sie jedoch vom Batteriegewicht von 2 x Nutzlast auf 4 x Nutzlast wechseln, erhöht sich die Reichweite nur um 20% - nicht sehr aufregend.

Beachten Sie, dass die Faustregel einen ziemlich hohen Wert von $ \ frac {L} {D voraussetzt } $ Verhältnis von 20: 1 in Kreuzfahrt. Beachten Sie auch, dass es nichts über Geschwindigkeit oder Flughöhe aussagt: Letztendlich ist alles, was für die Reichweite wichtig ist, die Fahrt mit $ \ frac {L} {D} $ und die Batterieenergiedichte.

Hallo Finbar, willkommen bei Aviation StackExchange. Möglicherweise möchten Sie in [MathJax-Notation] (https://math.meta.stackexchange.com/questions/5020/mathjax-basic-tutorial-and-quick-reference) nach den Formeln suchen. MathJax macht die Mathematik in Antworten lesbarer, und viele Leute wissen das hier zu schätzen.
Mit viel weniger Kühlungsanforderungen für elektrischen Antrieb sollte das L / D von 20 leicht zu erreichen sein, wenn das Seitenverhältnis über 12 oder 15 wachsen kann. Dies verschiebt jedoch den besten Bereich c $ _L $ weiter nach oben, sodass weit fliegen muss mehr Geduld. Wenn ich jedoch die Zahlen vor Ihrer Einheitenumrechnung eingebe, erhalte ich ungefähr die doppelte Reichweite: 200 Wh / kg, k = 2/3 und L / D = 20 ergeben 489 km.
@PeterKämpf, Sie haben Recht, die geringeren Kühlanforderungen sind eine große Hilfe, weshalb ich 20: 1 für vernünftig halte, wenn Sie es nicht eilig haben, Orte zu besuchen. In der Tat ist 40: 1 - oder mehr - durchaus erreichbar, wenn Sie ein Flugzeug mit der Flügelspannweite und den Fahreigenschaften eines Segelflugzeugs akzeptieren können (ein elektrischer Stemme S10 hat möglicherweise eine erhebliche Reichweite, kann jedoch als "unpraktisch" bezeichnet werden). Aber 489 km sind 264 Seemeilen ... Sie haben Recht, ich habe ziemlich viel gerundet. Vergessen Sie jedoch nicht, dass Sie nur auf etwa 80% der Nennkapazität eines Akkus zugreifen können, was ich auch weggelassen habe.
@PeterKämpf, danke für Ihren Kommentar. Ich habe festgestellt, dass ich bei der Berechnung 2600 statt 3600 verwendet habe. 60 x 60 = 3600, nicht 2600 (autsch). Das wurde behoben. Der batterieverwendbare Anteil von 75% wurde hinzugefügt. All dies bringt uns zurück zu der ursprünglichen Antwort (die ich kannte), aber mit besserer Technik (die ich aus dem Gedächtnis rekonstruierte). Dank dafür!
#5
  0
Carlo Felicione
2018-03-11 08:25:41 UTC
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Es hängt alles davon ab, welche Reichweite oder Leistungsprofile Sie außerhalb des Flugzeugs wünschen. Elektroflugzeuge - oder zumindest Prototypen von Elektroflugzeugen - haben eine ähnliche Leistung in Bezug auf Geschwindigkeit, Nutzlast usw. wie Analoga mit Erdölantrieb. Es ist nur so, dass die Energiedichten der Batterien keine nützliche Ausdauer ermöglichen. Aktuelle Designs wie Pipistrels Alpha Electro haben eine Lebensdauer von etwa 1 Stunde plus eine VFR-Reserve von 30 Minuten pro Tag bei einer Economy-Kreuzfahrt. Im Vergleich zu einem analogen Rotax-LSA mit mehr als 6 Stunden Ausdauer plus Reserven sehen Sie schnell, wie begrenzt dies ist.

Es ist besser zu fragen, welche Energiedichte zur Anpassung an die Leistung erforderlich wäre und Ausdauer bestehender benzinbetriebener Leichtflugzeuge bei gleichzeitiger Anpassung an ihre Nutzlast. Wie oben erwähnt, würde eine Dichte von ca. 15 MJ / kg dies ermöglichen. Dies erfordert einen beträchtlichen Sprung in der Elektrochemietechnologie, um diese Art von Energie zuverlässig und sicher zu speichern und zu liefern.

#6
  0
CrossRoads
2019-04-03 02:46:15 UTC
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Dieses Flugzeug ist mit einem C150 vergleichbar, obwohl weniger Gepäckraum vorhanden ist, wenn Sie eine kurze Reise unternehmen möchten. Wir haben ein Upgrade von einem C150 auf einen C177B durchgeführt, als der Gepäckraum (und ein Kind im Alter von 2 Jahren) zu einem treibenden Faktor wurde. Hatte sogar Kabel und Spannschlösser gekauft, um einen Weg zu finden, einen Autositz zu sichern (der im Keller landete und nie benutzt wurde, da der C177 ziemlich schnell gekauft wurde (glückliches Timing auf dem GA-Markt)).

https://www.pipistrel-usa.com/alpha-electro/

Ich sehe nicht, ob sie über die Energiedichte der Batterie sprechen, obwohl dies möglicherweise erforderlich ist Laden Sie eine der Informationsbroschüren herunter, um dies festzustellen.

Hochleistungsfähiges, leicht zu ersetzendes 12-V-Trockenbatterieflugzeug

mit 60-kW-Elektromotor.

Nennbatteriekapazität 21 kWh

Motor 50 + kW bei 2100-2400 U / min

Standardausdauer, Verkehrsmuster 60 min + Reserve

Standardbereich bei Fahrt 80 kn 70 NM (130 km)

Standardbatteriesystem

Maximale Spannung 399 V

Minimale Spannung 297 V

Empfohlene Spannung Speicherbereich 345 V - 365 V

Wie lange dauert es normalerweise, die Batterien mit den verschiedenen Ladegeräten aufzuladen? (20% -95% Bereich)

6 Stunden mit 3 kW Ladegerät, 1 Stunde 40 'mit 10 kW Ladegerät, 1 Stunde 5' mit 14 kW, 45 Minuten mit dem 20 kW Ladegerät

Wie Schwer sind die Batterien und kann ich sie über mich selbst tauschen? Jeder Akku wiegt 53 kg. Ja, Sie können die Packung ohne zusätzliche Hilfe entfernen.

Welche Batterien sind installiert? Lithium-Ionen. Zellen sind Hersteller von Samsung. Das Design und die Montage des Batteriekastens erfolgt über Pipistrel. Das Batteriemanagementsystem (BMS) wurde ebenfalls von Pipistrel entwickelt und hergestellt.

Genug Informationen, um die Berechnungen durchzuführen?

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