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Dr. Ing. Werner Eck
Elektroflug für HG + GS
Free Flight 2008
Garmisch 15.03.2008
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Dr. Ing. Werner Eck
1. Vortragsziele2. Elektroflug für HG + GS – Warum überhaupt?3. Einschränkungen bei verfügbaren Startplätzen4. Stand der Entwicklung von Elektroantrieben5. Neue Chancen durch Elektroantriebe6. Was kann ein Elektroantrieb heute im GS/HG-Flug leisten?7. Realistische Flughöhen + Flugzeiten mit Elektroantrieb heute8. Entwicklungsrichtungen des Elektroflugs9. Spezifikation eines Elektroantriebs für Sport-HG/GS-Flieger10. Antriebsgewicht Sportausführung11. Motor für 1,5 m/s Steigen12. Der Akkumulator13. Der Propeller14. Der eigensichere Antrieb15. Pilotensicherheit16. Die Sache mit den Kosten
Inhalt
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Dr. Ing. Werner Eck1. Vortragsziele
- Information für potentielle Elektropiloten und DHV-, SHV-Aktive über den aktuellen Stand der Technik.
- Begeisterung soll Aktivität beim DHV + SHV fördern, sich für die Sache zu engagieren (neue vereinfachte Startklasse, Motorzulassung).
- Interesse wecken bei im Markt positionierten Firmen, ihr Produktprogramm um Elektroantriebe zu erweitern.
- Erkennen der Chancen, die sich allen Leichtfliegern durch Elektroantriebe eröffnen.
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Dr. Ing. Werner Eck2. Elektroflug für HG + GS - Warum überhaupt?
Fliegen ohne Motorantrieb ist das schönste Hobby auf der Welt. Achtung Suchtgefahr !
Tausende lernen es jährlich aber Tausende geben es auch wiederauf mangels Fluggelegenheit. Zig Tausende vernachlässigen Partnerschaften und Familie, um ihr Hobby auszuüben.
Hindernisse
- Mangelnde Start-Gelegenheit, aufwendige teure Anreise- Verfügbare Termine – Wetterrisiko- Familienzeit, Arbeitszeit – Flugzeitkonflikt- Kosten pro Flugminute extrem
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Dr. Ing. Werner Eck3. Einschränkungen bei verfügbaren Startplätzen
Gebirgsflug/Hangstart:
90% wohnen gebirgsfern, windrichtungsabhängig, Massenbetrieb an guten TagenLiftgebühren, hohe Anfahrtskosten für Flachländer
Windenschlepp:
großer Zeitaufwand, Abhängigkeit von anderen/Verein, Massenbetrieb an guten Tagen, 2 von 3 Starts -> Absaufer
Motorstart mit 2-Takter:
Sonderstartplätze/Flugplatz nötigsehr schwere Ausrüstunghohes Lärmniveau für Pilot + UmweltUmweltbelastung durch Abgase + Benzinunsicherer Motorlauf
EIN ELEKTROANTRIEB KANN HELFEN!EIN ELEKTROANTRIEB KANN HELFEN!
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Dr. Ing. Werner Eck4. Stand der Entwicklung von Elektroantrieben
Elektroflug ist technisch und kostenmäßig heute bereits machbar und sinnvollNoch in 2008 werden aus Prototypen SerienprodukteEs gibt weltweit 5 – 6 Entwicklungsgruppen mit fliegenden Mustern
Deutschland: Richard-Krüger-Sprengel (Helix)Kanada: Csaba Lemak/Patrick Mac KansieEngland: Neil AndrewsFrankreich:Fa. RazeebussChina: Fa. YuneecDeutschland: Werner Eck + Fa. Geiger Engineering
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Dr. Ing. Werner Eck5. Neue Chancen durch Elektroantriebe
Die „Startart Elektro“ ist der Einstieg in das wirklich Die „Startart Elektro“ ist der Einstieg in das wirklich Unabhängige, umweltfreundliche FliegenUnabhängige, umweltfreundliche Fliegen
Aktion in der Schweiz (SHV): Versuch der Zulassung E-Flug bei HG/GSUmfrageergebnisse: > 80% bei Piloten +
Unabhängig von anderen wählt man
- Startort- Startzeitpunkt- Startrichtung- Starthöhe, auch mehrfach
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Dr. Ing. Werner Eck6.1 Was leistet ein Elektroantrieb heute im GS/HG-Flug?
Leistungsmaß : theoretisch erreichbare Höhe bei Windstille oder : Flugzeit bei Windstille
Einflussgrößen: - Gesamtgewicht - verfügbare elektrische Energie - Wirkungsgrad von Fluggerät, Propeller, Motor + Regler, Akku
vs ηp ηM ηA
0,6 – 1,6 m/s 0,3 – 0,65 0,8 – 0,95 0,85 – 0,92
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Dr. Ing. Werner Eck6.2 Was leistet ein Elektroantrieb heute im GS/HG-Flug?Hmax = verfügbare Energie - Sinkgeschwindigkeit x Steigzeit
Gesamtgewicht
T max = verfügbare Energie + Steighöheerforderliche Leistung Sinkgeschwindigkeit
sts
smp
g
e
VVV
GEH 1max
sg
mpe
VGET
max
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Dr. Ing. Werner Eck7. Realistische Flughöhen + Flugzeiten mit Elektroantrieb heute
- Bei Windstille- Akkumulator 1,6 kWh GB = 12 – 16 kg
Gg Vs Vst Pm Flughöhe Flugzeit Reichweite
Fluggerät [kg] [m/s] [m/s] ηp [kw] [m] [min] [km]
Gleitschirm 120 1,4 1 0,5 6 900 26 15
(2) 0,46 9,1 1168 22
Drachen 150 1,2 1 0,58 5,7 911 28 21
2 0,52 9,2 1123 25
Starrflügler HG 160 0,85 1 0,61 4,9 1068 38 34
2 0,55 8,2 1250 35
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Dr. Ing. Werner Eck8. Entwicklungsrichtungen des Elektroflugs
Sightseeinglang + weit fliegen in ruhiger Luft
Sportfliegenin den Aufwind kommen indynamischer Luft
Auf „Reisehöhe“, dann Motor 40%
große, schwere BatterieLadegerät evtl. an Bord
Flott steigen, dann Motor aus (ggfs. mehrfach)
- möglichst leichter, kleiner Akku wechselbar- Klapppropeller- Standardschirm- Gurtzeug ähnlich Standard- Minimalkäfig
- Startplätze in der Nähe von Aufwindgebieten- vergleichbar Hang- oder Windenstart
- geringer Lärmpegel (Anrainer, Jadgpächter, Wildtiere)
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Dr. Ing. Werner Eck9. Spezifikationen eines Elektroantriebes für Sport – HG/GS-Flieger
Antriebsgewicht < 30% KörpergewichtSteiggeschwindigkeit ≥ 1,5 m/s
- Bestmöglicher Wirkungsgrad des Antriebssystems incl. Propeller
- Antrieb eigensicher – auch Batterie
- Universalgurtzeug, -schirm, -rettung
- Sehr niedriger Lärmpegel, niedrige Frequenzen
-Vergleichbare passive Pilotensicherheit mit/ohne Antrieb
- Geringe Betriebskosten/Kein Verschleiß
- Einfache, saubere Transportmöglichkeit
- Erfüllung aller vom DHV noch zu spezifizierenden Anforderungen der Startart „Elektro“
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Dr. Ing. Werner Eck10. Antriebsgewicht Sportausführung
Referenzpilot 80 kg Antriebsgewicht < 24kg !
A M+- R Propeller (1kg)
Gestell2 kg
Akkumulator8 - 13 kg1 – 1,6 kWh
Motor + Steller4 – 5 kg8-10 kW
(Käfig)1,5 kg
Antriebsgewicht:16,5 – 22,5 kg
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Dr. Ing. Werner Eck11. Motor (für 1,5 m/s Steigen)
Fs Propellerleistung Motorleistungelektr. Leistung
Starrflügler HG 270 N 4,10 KW 6,9 KW 7,6 KW
flexibler HG 324 N 4,05 KW 7,0 KW 7,7 KW
Gleitschirm 363 N 3,45 KW 7,5 KW 8,3 KW
geeignete Motoren: bürstenlose Außenläufer mit Getriebe (Plettenberg, Hacker u.a.)bürstenloser vielpoliger Außenläufer Direktantrieb (HP Direct 10)
bedingt geeignet: DC-Scheibenläufermotoren (hohes Gewicht)
**
* bei hoch effektiven Propellern
bevorzugte Spannung < 60 V
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Dr. Ing. Werner Eck12.1 Der Akkumulator
Ausschließlich Lithium – Technologie erfüllt die Gewichtsanforderungen
Lithium – Ionen – Becherzellen 9kg/kWhLithium – Polymer – Plattenzellen 7kg/kWhBenzin 0,1 kg/kWh
Sehr wenige Li-Akku-Typen erfüllen die extremen Anforderungen im Flugantrieb
- Hohe Strombelastbarkeit von 6 – 10C bei Entladezeit in 6-10 min- Hohe Spannungslage über die gesamte Entladezeit- Sicherheit gegen Brand/Explosion in allen Situationen- Hohe Zyklen- und Zeitlebensdauer (> 500 Zyklen, 5 Jahre für 80%)- Geringstes Gewicht/Leistung und Gewicht/Energie- bezahlbar
Die Entwicklung besserer und billigerer Akkumulatoren geht rasch voran durch die Kfz-Hybrid-Technologie
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Dr. Ing. Werner Eck
(V)
Zeit (min)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
58 V
40 V
49 V
12.2 Der Akkumulator
normierte Kapazität 25 Ah
Entladecharakteristik am Flugmotor HP Direct 10 mit E-Prop 1,40m
AT1: Akku Typ 1AT2: Akku Typ 2AT3: Akku Typ 3
X
X
X X
X
X
AT2
X
X
AT3
X
X
X AT1
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Dr. Ing. Werner Eck13.1 Der Propeller
Schuberzeugung
Großer DurchmesserOptimale Blattprofilierung
Lärmentwicklung
geringe Umfanggeschwindigkeitgeringe Belastunglärmarmes Profil
Optimum bei D = 1,4m, 1600 -2000 Upm10% dickes gewölbtes Blattprofil (MH 116)Erreichbare Wirkungsgrade: 0,45 (GS) – 0,61 (HG)
Weiteres Verbesserungspotential: Mantelluftschraube
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Dr. Ing. Werner Eck
Leistungsbedarf für 350 N Schub bei 10 m/s (Profil MH 116)kw
Machzahl
Durchmesser (m)
Drehzahl Upm13850
1,22720
1,42040
1,61595
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0,4
0,5
0,6
X 0,37
X 0,38
X 0,40
X 0,43
X 0,47
X 0,51
X 6,4
X 6,6
X 6,8
X 7,3
X 8,3 X 0,59
1,71,1 1,3 1,5
13.2 Der Propeller
Air Magdeburg/Dr. Werner Eck
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Kapazität in 0,1Ah Drehzahl in 10/1/min
Strom in Ampere Schub in Newton
I-Vario in cm/s Höhe in metern
Spannung in 0,25V Leistungsabgabe in 10W
Startboost 61,5 kp
Schubmittelwert 31,5kp @ 48km/h
Erreichbare Höhe knapp 1200m
Entnommene Kapazität 29,8Ah von 31Ah
Steigrate 1,8m/s Mittelwert
Steigzeit 11minuten
Konstante Spannungslagebei ca. 47 Volt
mittlere Motorleistungsabgabe von 7kW
geringes Drehzahlniveau bei 1900 1/min
Mittlerer Entladestrom bei 175 Ampere
E-Lift Telemetriedatengeflogen am 10.03.08 mit einem Atos VR
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14. Der eigensichere Antrieb
- Unbeabsichtigter Anlauf muss ausgeschlossen werden können- Sicherer und schneller Stop auch in Stress-Situationen- Kontinuierliche Überwachung aller relevanten Betriebsgrößen (U, I, T) im Flug- Selbstabschaltung bzw. Drosselung bei Grenzwertüberschreitungen- Drahtbruchsicherheit- Verpolungssicherheit des Akkumulators- Eigensicherheit des Akkumulators- Propellerschutz/Käfig- ergonomisches Gestell
Dies erfordert ein eigenes, auf die hohen Anforderungen abgestimmtes Steuerungs-und Überwachungssystem
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Dr. Ing. Werner Eck
15. Pilotensicherheit
Der passive Schutz des Piloten durch geeignetes Gurtzeug muss möglich sein.
Neuartige Gestellkonstruktion erforderlich
Ziel: Universalgurtzeug, -schirm und -rettung
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Dr. Ing. Werner Eck
16. Die Sache mit den Kosten
Betriebskosten
• Akkuabschreibung
3,14 € pro Start auf ca. 1.000 m3,14 € pro Start auf ca. 1.000 m
• Wartungskosten - keine
AnschaffungskostenPrognose für Serie inkl. MWSt
Gesamtpreis: 5000,-€ bis 7000,-€
Bestehend aus: Antrieb Motor ManagementsystemFaltpropeller 1,4 m ØAkkumulator Akkumanagementsystem
KOSTEN pro Flugstunde sinken dramatisch
€88,2800
2300
Ladezyklen
gspreisAnschaffun
• Energiekosten
- 15,3 ct/kWh ∙ 1,7 kWh = 0,26 €
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Dr. Ing. Werner Eck17. Profil
Dr. Werner Eck
- 61 Jahre, Maschinenbau, Aerodynamik- TL/GF Mittelständischer Maschinenbauer- Seit 2004 freiberuflicher Entwickler Elektroantriebe- Seit 2005 Entwicklung von GS-E-Antrieben- Hobby: Fliegerei: Flugmodelle, Segelflug, Gleitschirmflug- Verein: NBDF Nordbayerische Drachenflieger
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Dr. Ing. Werner Eck
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Entwicklung elektrischer Antriebe
Dr. Ing. Werner Eck
Hinterer Steinig 991332 Heiligenstadt
Tel. 09198/998280
E-Mail: [email protected]