基于燃料電池的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明實(shí)施例涉及飛機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于燃料電池的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]要維持飛機(jī)的正常飛行，除了需要提供源源不斷的前向推力外，還需要電力等能源來(lái)驅(qū)動(dòng)功率需求不斷提高的各種負(fù)載，如起落架、飛控、環(huán)控、防除冰等系統(tǒng)。這些形式的能量都來(lái)自于燃油燃燒產(chǎn)生的熱能，因此也稱(chēng)為二次能源。目前技術(shù)條件下，飛機(jī)二次能源主要由飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)提供。
[0003]現(xiàn)有的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)(請(qǐng)參閱圖1)，通常包括:主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、輔助動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)、空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池。其中，主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)包括:主發(fā)動(dòng)機(jī)和由所述主發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)與交流匯流條連接；輔助動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)包括:輔助動(dòng)力裝置(Auxiliary Power Unit, APU)和由所述APU驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，所述輔助動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)第一控制開(kāi)關(guān)連接至所述交流匯流條；所述空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)包括:空氣沖壓渦輪和由所述空氣沖壓渦輪發(fā)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，所述空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)交流/直流轉(zhuǎn)換裝置(AC/DC)和第二控制開(kāi)關(guān)連接關(guān)鍵設(shè)備匯流條；所述蓄電池通過(guò)第三控制開(kāi)關(guān)連接所述關(guān)鍵設(shè)備匯流條。所述交流匯流條可直接連接交流負(fù)載，所述交流匯流條還可通過(guò)交流/直流轉(zhuǎn)換裝置可連接直流負(fù)載，所述交流匯流條也可通過(guò)交流/直流轉(zhuǎn)換裝置連接所述關(guān)鍵設(shè)備匯流條，其中，所述關(guān)鍵設(shè)備匯流條上連接有關(guān)鍵設(shè)備，通常，所述關(guān)鍵設(shè)備為低壓直流負(fù)載。
[0004]在飛行過(guò)程中，輔助動(dòng)力裝置和空氣沖壓渦輪關(guān)閉，蓄電池與關(guān)鍵設(shè)備匯流條之間的第三控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此時(shí)，通過(guò)主發(fā)動(dòng)機(jī)引氣及軸功率提取的方式為全部負(fù)載(包括交流負(fù)載、直流負(fù)載以及關(guān)鍵設(shè)備)提供電力；在地面待機(jī)時(shí)，為降低油耗和噪音，關(guān)閉主發(fā)動(dòng)機(jī)，使用輔助動(dòng)力裝置為所述全部負(fù)載中的部分負(fù)載提供電力；在所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)和輔助動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)均關(guān)閉或均出現(xiàn)故障時(shí)，或者在所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障、且輔助動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí)，由空氣沖壓渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向所述全部負(fù)載中的關(guān)鍵設(shè)備供電。在所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、輔助動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)以及空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)均無(wú)法供電時(shí)，通過(guò)蓄電池向所述全部負(fù)載中的關(guān)鍵設(shè)備供電。
[0005]上述飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中，主發(fā)動(dòng)機(jī)與輔助動(dòng)力裝置、空氣沖壓渦輪和蓄電池形成4余度的非相似余度備份，通過(guò)冗余備份保證了供電的可靠性。但是，上述飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中，輔助動(dòng)力裝置和空氣沖壓渦輪因?yàn)樾瘦^低、噪音過(guò)高僅在主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉或出現(xiàn)故障時(shí)才使用，而主發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式為功率提取式，從飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)提取功率的方式會(huì)影響主發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，研宄表明從主發(fā)動(dòng)機(jī)提取I %的功率，可使耗油率增加3%，因此，從主發(fā)動(dòng)機(jī)提取功率是一種較為不經(jīng)濟(jì)的做法，尤其是當(dāng)功率提取量較大時(shí)，會(huì)造成可觀的油耗增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于燃料電池的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)和飛機(jī)，以在飛機(jī)負(fù)載的功率需求不斷提高的背景下，在保證供電可靠性的同時(shí)，優(yōu)化為負(fù)載供電的方式，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。
[0007]第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于燃料電池的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，包括:
[0008]燃料電池供電系統(tǒng)，與直流匯流條連接，用于為連接在所述直流匯流條上的全部負(fù)載供電，其中，連接在所述直流匯流條上的全部負(fù)載包括:連接在所述直流匯流條上的普通設(shè)備和通過(guò)降壓裝置和關(guān)鍵設(shè)備匯流條連接在所述直流匯流條上的關(guān)鍵設(shè)備；
[0009]主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)第一控制開(kāi)關(guān)和交流/直流轉(zhuǎn)換裝置連接直流匯流條，所述第一控制開(kāi)關(guān)用于在所述燃料電池供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，切換地控制所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)與所述直流匯流條連接，且切換地控制所述直流匯流條與第一設(shè)定負(fù)載保持連接；
[0010]空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)第二控制開(kāi)關(guān)和交流/直流轉(zhuǎn)換裝置連接關(guān)鍵設(shè)備匯流條，所述第二控制開(kāi)關(guān)用于在所述燃料電池供電系統(tǒng)與所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)均出現(xiàn)故障時(shí)，或者所述燃料電池供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障、且所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，切換地控制所述空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)與所述關(guān)鍵設(shè)備匯流條連接，為連接在所述關(guān)鍵設(shè)備匯流條上的關(guān)鍵設(shè)備供電；
[0011]蓄電池，通過(guò)第三控制開(kāi)關(guān)連接關(guān)鍵設(shè)備匯流條，所述第三控制開(kāi)關(guān)用于在所述燃料電池供電系統(tǒng)、所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)以及所述空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)均出現(xiàn)故障時(shí)，或者所述燃料電池供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障、且所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)與所述空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)均無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，切換地控制所述蓄電池與所述關(guān)鍵設(shè)備匯流條連接，為連接在所述關(guān)鍵設(shè)備匯流條上的關(guān)鍵設(shè)備供電；
[0012]其中，所述第一設(shè)定負(fù)載的范圍小于所述全部負(fù)載所覆蓋的范圍，且所述關(guān)鍵設(shè)備的峰值功率〈所述第一設(shè)定負(fù)載的峰值功率〈所述全部負(fù)載的峰值功率。
[0013]第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種飛機(jī)，包括本發(fā)明任意實(shí)施例提供的基于燃料電池的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。
[0014]本發(fā)明實(shí)施例提供的基于燃料電池的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，一方面，通過(guò)將燃料電池供電系統(tǒng)作為飛機(jī)的主要電源，全時(shí)段工作，為連接在直流匯流條上的全部負(fù)載供電，燃料電池供電系統(tǒng)中的燃料電池的發(fā)電效率高達(dá)60%以上，提高了發(fā)電的效率，避免了從主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)提取功率，可以提高飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性；而且，由于燃料電池供電系統(tǒng)可直接提供直流輸出，飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)成直接輸出直流功力，可以滿(mǎn)足逐漸增多的直流負(fù)載的功率需求；另一方面，將主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)用作燃料電池供電系統(tǒng)的備份電源，正常情況下與直流匯流條斷開(kāi)，僅在燃料電池供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)才啟動(dòng)，從而為所述全部負(fù)載中的第一設(shè)定負(fù)載供電，由于無(wú)需從主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)提取功率，因此主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)僅需安裝主發(fā)動(dòng)機(jī)和啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，而無(wú)需安裝引氣、液壓及附件機(jī)匣等功率提取裝置，簡(jiǎn)化了主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并可減輕飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的重量，還可改善主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中主發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，提高主發(fā)動(dòng)機(jī)的效率；再一方面，空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)也用作燃料電池供電系統(tǒng)的備份電源，正常情況下與關(guān)鍵設(shè)備匯流條斷開(kāi)，在燃料電池供電系統(tǒng)與主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)均出現(xiàn)故障時(shí)，或者燃料電池供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障、且主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)時(shí)才啟動(dòng)，從而為連接在所述關(guān)鍵設(shè)備匯流條上的關(guān)鍵設(shè)備供電；又一方面，蓄電池也用作燃料電池供電系統(tǒng)的備份電源，正常情況下與關(guān)鍵設(shè)備匯流條斷開(kāi)，在所述燃料電池供電系統(tǒng)、所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)以及所述空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)均出現(xiàn)故障時(shí)，或者所述燃料電池供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障、且所述主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)與所述空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)均無(wú)法啟動(dòng)時(shí)才啟動(dòng)，從而為連接在所述關(guān)鍵設(shè)備匯流條上的關(guān)鍵設(shè)備供電；也即，燃料電池供電系統(tǒng)、主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、空氣沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池形成了 4余度的非相似余度備份，通過(guò)冗余備份保證了供電的可靠性；再一方面，相對(duì)于現(xiàn)有的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，該飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中可節(jié)省輔助動(dòng)力裝置，進(jìn)一步減輕了飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的重量。
【附圖說(shuō)明】
[0015]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面將對(duì)本發(fā)明中所需要使用的附圖做一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1為現(xiàn)有的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2a為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2b為本發(fā)明實(shí)施例一提供的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中燃料電池分布式放置的示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例二提供的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中一種燃料電池供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明實(shí)施例三提供的飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中一種燃料電池供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，