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1 Dr. Ing. Werner Eck Elektroflug für HG + GS Free Flight 2008 Garmisch 15.03.2008.

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1 1 Dr. Ing. Werner Eck Elektroflug für HG + GS Free Flight 2008 Garmisch

2 2 Dr. Ing. Werner Eck 1.Vortragsziele 2.Elektroflug für HG + GS – Warum überhaupt? 3.Einschränkungen bei verfügbaren Startplätzen 4.Stand der Entwicklung von Elektroantrieben 5.Neue Chancen durch Elektroantriebe 6.Was kann ein Elektroantrieb heute im GS/HG-Flug leisten? 7.Realistische Flughöhen + Flugzeiten mit Elektroantrieb heute 8.Entwicklungsrichtungen des Elektroflugs 9.Spezifikation eines Elektroantriebs für Sport-HG/GS-Flieger 10.Antriebsgewicht Sportausführung 11.Motor für 1,5 m/s Steigen 12.Der Akkumulator 13.Der Propeller 14.Der eigensichere Antrieb 15.Pilotensicherheit 16.Die Sache mit den Kosten Inhalt

3 3 Dr. Ing. Werner Eck 1.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.

4 4 Dr. Ing. Werner Eck 2. 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 wieder auf 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

5 5 Dr. Ing. Werner Eck 3. Einschränkungen bei verfügbaren Startplätzen EIN ELEKTROANTRIEB KANN HELFEN! Gebirgsflug/Hangstart: 90% wohnen gebirgsfern, windrichtungsabhängig, Massenbetrieb an guten Tagen Liftgebühren, 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 nötig sehr schwere Ausrüstung hohes Lärmniveau für Pilot + Umwelt Umweltbelastung durch Abgase + Benzin unsicherer Motorlauf EIN ELEKTROANTRIEB KANN HELFEN!

6 6 Dr. Ing. Werner Eck 4. Stand der Entwicklung von Elektroantrieben Elektroflug ist technisch und kostenmäßig heute bereits machbar und sinnvoll Noch in 2008 werden aus Prototypen Serienprodukte Es gibt weltweit 5 – 6 Entwicklungsgruppen mit fliegenden Mustern Deutschland: Richard-Krüger-Sprengel (Helix) Kanada:Csaba Lemak/Patrick Mac Kansie England:Neil Andrews Frankreich:Fa. Razeebuss China: Fa. Yuneec Deutschland:Werner Eck + Fa. Geiger Engineering

7 7 Dr. Ing. Werner Eck 5. Neue Chancen durch Elektroantriebe Die Startart Elektro ist der Einstieg in das wirklich Unabhängige, umweltfreundliche Fliegen Aktion in der Schweiz (SHV): Versuch der Zulassung E-Flug bei HG/GS Umfrageergebnisse: > 80% bei Piloten + Unabhängig von anderen wählt man -Startort -Startzeitpunkt -Startrichtung -Starthöhe, auch mehrfach

8 8 Dr. Ing. Werner Eck 6.1 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 vsvs ηpηp ηMηM ηAηA 0,6 – 1,6 m/s 0,3 – 0,65 0,8 – 0,95 0,85 – 0,92

9 9 Dr. Ing. Werner Eck 6.2 Was leistet ein Elektroantrieb heute im GS/HG-Flug? Hmax=verfügbare Energie - Sinkgeschwindigkeit x Steigzeit Gesamtgewicht T max =verfügbare Energie +Steighöhe erforderliche LeistungSinkgeschwindigkeit

10 10 Dr. Ing. Werner Eck 7. Realistische Flughöhen + Flugzeiten mit Elektroantrieb heute - Bei Windstille - Akkumulator 1,6 kWh GB = 12 – 16 kg GgVsVstPmFlughöheFlugzeitReichweite Fluggerät[kg][m/s] ηp[kw][m][min][km] Gleitschirm1201,410, (2)0,469, Drachen1501,210,585, ,529, Starrflügler HG1600,8510,614, ,558,

11 11 Dr. Ing. Werner Eck 8. Entwicklungsrichtungen des Elektroflugs Sightseeing lang + weit fliegen in ruhiger Luft Sportfliegen in den Aufwind kommen in dynamischer Luft Auf Reisehöhe, dann Motor 40% große, schwere Batterie Ladegerät 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)

12 12 Dr. Ing. Werner Eck 9. Spezifikationen eines Elektroantriebes für Sport – HG/GS-Flieger Antriebsgewicht< 30% Körpergewicht Steiggeschwindigkeit 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

13 13 Dr. Ing. Werner Eck 10. Antriebsgewicht Sportausführung Referenzpilot 80 kg Antriebsgewicht < 24kg ! A M + - R Propeller (1kg) Gestell 2 kg Akkumulator kg 1 – 1,6 kWh Motor + Steller 4 – 5 kg 8-10 kW (Käfig) 1,5 kg Antriebsgewicht: 16,5 – 22,5 kg

14 14 Dr. Ing. Werner Eck 11. Motor (für 1,5 m/s Steigen) FsFs PropellerleistungMotorleistungelektr. Leistung Starrflügler HG270 N4,10 KW6,9 KW7,6 KW flexibler HG324 N4,05 KW7,0 KW7,7 KW Gleitschirm363 N3,45 KW7,5 KW8,3 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

15 15 Dr. Ing. Werner Eck 12.1 Der Akkumulator Ausschließlich Lithium – Technologie erfüllt die Gewichtsanforderungen Lithium – Ionen – Becherzellen9kg/kWh Lithium – Polymer – Plattenzellen7kg/kWh Benzin 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

16 16 Dr. Ing. Werner Eck (V) Zeit (min) 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 1 AT2: Akku Typ 2 AT3: Akku Typ 3 X X X X X X AT2 X X AT3 X X X AT1

17 17 Dr. Ing. Werner Eck 13.1 Der Propeller Schuberzeugung Großer Durchmesser Optimale Blattprofilierung Lärmentwicklung geringe Umfanggeschwindigkeit geringe Belastung lärmarmes Profil Optimum bei D = 1,4m, Upm 10% dickes gewölbtes Blattprofil (MH 116) Erreichbare Wirkungsgrade: 0,45 (GS) – 0,61 (HG) Weiteres Verbesserungspotential: Mantelluftschraube

18 18 Dr. Ing. Werner Eck Leistungsbedarf für 350 N Schub bei 10 m/s (Profil MH 116) kw Machzahl Durchmesser (m) Drehzahl Upm , , , ,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 1,7 1,1 1,3 1, Der Propeller

19 19 Dr. Ing. Werner Eck Air Magdeburg/Dr. Werner Eck September 2006 E-Lift Telemetriedaten geflogen am mit einem Atos VR

20 20 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

21 21 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

22 22 Dr. Ing. Werner Eck 16. Die Sache mit den Kosten Betriebskosten Akkuabschreibung 3,14 pro Start auf ca m Wartungskosten - keine Anschaffungskosten Prognose für Serie inkl. MWSt Gesamtpreis:5000,- bis 7000,- Bestehend aus:Antrieb Motor Managementsystem Faltpropeller 1,4 m Ø Akkumulator Akkumanagementsystem KOSTEN pro Flugstunde sinken dramatisch Energiekosten - 15,3 ct/kWh 1,7 kWh = 0,26

23 23 Dr. Ing. Werner Eck 17. 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

24 24 Dr. Ing. Werner Eck Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Entwicklung elektrischer Antriebe Dr. Ing. Werner Eck Hinterer Steinig Heiligenstadt Tel /


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