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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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Dr. Ing. Werner Eck

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: werner.eck@gmx.org