Brevet FR2981808A1 — publié le 20130426

Distribution d'électricité dans un aéronef depuis de multiples sources La présente invention concerne les systèmes de distribution d'électricité pour aéronefs et les procédés d'alimentation en électricité de systèmes d'aéronefs. Dans le passé, pour la fourniture d'électricité à des charges électriques essentielles et non essentielles, les aéronefs ont dépendu d'alternateurs entraînés par les moteurs de propulsion à turbine à gaz et, dans certains cas, d'un groupe auxiliaire (« APU: Auxiliary Power Unit » en langue anglaise) qui génère de l'électricité indépendamment des alternateurs. En cas de panne de ces systèmes, on a utilisé une « turbine à air dynamique » (TAD) pour continuer à alimenter en électricité les charges essentielles des aéronefs. Parmi les charges essentielles figurent, par exemple, les systèmes avioniques et tout autre équipement crucial pour voler. Les charges non essentielles dans les aéronefs comprennent, par exemple, les systèmes d'éclairage de la cabine, de préparation des repas et de divertissement, et d'autres équipements qui ne sont pas cruciaux pour voler. La TAD comprend un turbopropulseur pouvant se déployer de manière escamotable depuis le train d'atterrissage de l'aéronef pour s'étendre jusque dans le flux d'air extérieur de manière à être entraîné par celui-ci et ainsi entraîner un alternateur. Les TAD manquent d'efficacité car elles ne sont presque jamais utilisées, mais elles alourdissent les aéronefs. De plus, des vérifications de l'état de marche de la TAD sont requises, ce qui implique un vol d'essai annuel sans passagers à bord. Les TAD et les APU sont deux manières inefficaces de produire de l'électricité alors que la réduction de la consommation de kérosène est nécessaire dans tous les cas possibles, pour des raisons d'écologie et de coût. La présente invention propose un procédé d'alimentation électrique d'un aéronef comprenant une production sélective d'électricité par une pluralité de sources d'électricité, les sources d'électricité comprenant un ou plusieurs alternateurs entraînés par des moteurs, et au moins une autre source d'électricité choisie parmi : un ou plusieurs moyens de stockage d'électricité, une ou plusieurs piles à combustible et une ou plusieurs sources thermoélectriques de courant. Par ailleurs, la présente invention propose un système de distribution d'électricité pour aéronef, comportant une pluralité de sources d'électricité différentes, comprenant un ou plusieurs alternateurs entraînés par un moteur, et au moins une autre source d'électricité choisie parmi : un ou plusieurs moyens de stockage d'électricité, une ou plusieurs piles à combustible et une ou plusieurs sources thermoélectriques de courant, et un bus d'alimentation électrique à l'aide duquel les sources d'électricité peuvent être connectées à des charges de l'aéronef, le système ayant une unité de commande servant à produire sélectivement de l'électricité depuis chacune des sources d'électricité. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique illustrant la structure d'une forme de réalisation d'un système de distribution d'électricité ; et - la figure 2 représente une autre forme possible de réalisation du système de distribution d'électricité représenté sur la figure 1. La figure 1 représente schématiquement un système de distribution d'électricité 1 pour aéronef, comportant quatre alternateurs 2, 3, 4, 5 entraînés indépendamment les uns des autres par les moteurs de l'aéronef. Globalement, on utilise un seul alternateur par moteur. La sortie de chaque alternateur 2, 3, 4, 5 est connectée à un rail haute tension local correspondant 8, 9, 10, 11. Les alternateurs produisent un courant alternatif ou continu à haute tension qui doit être converti à un niveau approprié pour faire fonctionner les systèmes de cabine et d'alimentation de secours de l'aéronef. La paire de lignes parallèles opposées 32 représentées sur la figure 1 et sur les deux dessins indique schématiquement des commutateurs pour établir une connexion électrique entre les divers éléments du système. Dans la forme de réalisation préférée, au moins un rail haute tension 8, 9, 10, 11 est prévu par alternateur, plutôt qu'un seul rail haute tension pour tous les alternateurs. De la sorte, une plus grande redondance est assurée, car le système ne dépend pas d'un seul rail haute tension. Les rails haute tension sont connectés chacun à des moyens de conversion 12, 13, 14, 15 qui réduisent la tension à 28 V, et les moyens de conversion sont connectés à un rail basse tension local 16, 17, 18, 19. Là encore, on obtient une plus grande redondance en prévoyant un rail basse tension pour chaque moyen de conversion 12, 13, 14, 15. Depuis les rails basse tension 16 à 19, un courant électrique circule vers un ou plusieurs rails 20, 21 de cabine et d'alimentation de secours pour distribuer de l'électricité dans toute la cabine et pour faire fonctionner les systèmes de secours. Le système de distribution d'électricité 1 a une pluralité de sources d'électricité différentes, comprenant non seulement les alternateurs 2, 3, 4, 5 entraînés par les moteurs, mais encore des moyens thermiques 22, 27 de production d'électricité et/ou des moyens de stockage 23, 26 d'électricité comprenant des batteries et des piles à combustible 24, 25. Selon un autre aspect, les piles à combustible sont alimentées en hydrogène produit à l'aide d'un catalyseur 28, 29 à l'aluminium qui permet, à bord, de produire de l'hydrogène à partir du kérosène. L'hydrogène est stocké dans des réservoirs de stockage d'hydrogène 30, 31. La capacité de stockage est choisie en fonction de la quantité d'hydrogène produite par le catalyseur du carburant. La source d'électricité comprend une série de thermocouples montés sur la section échappement des moteurs, qui utilisent de la chaleur résiduelle d'échappement qui, sinon, serait rejetée. Comme représenté par les repères 6 et 7, la TAD et l'APU ont été supprimés, puisqu'ils ne sont plus nécessaires. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 2, on s'appuie sur une combinaison de batteries 23, 26 et d'une première et d'une seconde piles à combustible 24, 25, sans les moyens thermiques de production d'électricité. Les piles à combustible 24, 25 conviennent pour un fonctionnement d'environ 3 heures ou pour la durée du vol, suivant la plus longue des deux périodes. Grâce à la présence d'une paire de piles à combustible, une double redondance est assurée, ce qui permet une bonne distribution d'électricité cruciale pour la sûreté et, une fois encore, la TAD et l'APU ne sont pas nécessaires. Les batteries 23, 26 peuvent servir à fournir un complément d'électricité pendant la mise en marche des piles à combustible. La production sélective ou la coordination de l'alimentation depuis une ou plusieurs des sources d'électricité appropriée(s) est commandée par une unité de commande du système de distribution d'électricité. En situation normale, l'électricité est issue des piles à combustible, des batteries et/ou des sources thermoélectriques de courant, combinées de n'importe quelle manière voulue. En situation normale, le choix de la source d'électricité peut se faire de façon à parvenir à une efficacité maximale du système de distribution d'électricité, c'est-à-dire à une utilisation minimale de carburant. Le fonctionnement des piles à combustible produit de l'eau qui, selon une forme de réalisation de l'invention, peut être utilisée dans les sanitaires des aéronefs. Cela permet corrélativement une réduction de la quantité d'eau emportée au décollage. Les piles à combustible et la source thermoélectrique de courant sont donc, en situation normale, les moyens préférés pour obtenir de l'électricité, afin que de l'eau puisse être produite tout en présentant l'avantage du rendement de la source thermoélectrique de courant. Les niveaux relatifs de puissance pouvant être atteints par chacune des sources d'électricité sont d'environ 90 à 120 kW par alternateur entraîné par un moteur, de 15 à 30 kW par pile à combustible, de 15 kW par batterie (autonomie d'environ une demi-heure) et de 70 kW par moteur du fait de la production thermoélectrique de chaleur résiduelle. Dans un contexte d'urgence, de l'électricité est détournée de charges non essentielles pour alimenter des charges essentielles. Le système de distribution d'électricité décrit ici peut être installé pour transformer des aéronefs existants, grâce à quoi la TAD et l'APU peuvent être supprimés. L'invention est également compatible avec des aéronefs dans lesquels la TAD et/ou l'APU est/sont conservé(s), auquel cas le système de distribution d'électricité assurerait de hauts niveaux de redondance et donc de sûreté. REVENDICATIONS1. Procédé pour fournir de l'électricité à un aéronef, comportant la production sélective d'électricité par une pluralité de sources d'électricité, les sources d'électricité comprenant un ou plusieurs alternateurs (2, 3, 4, 5) entraînés par un moteur et au moins une autre source d'électricité choisie parmi un ou plusieurs moyens de stockage d'électricité (23, 26), une ou plusieurs piles à combustible (24, 25) et une ou plusieurs sources thermoélectriques de courant (22, 27). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, dans des contextes d'urgence, de l'électricité est détournée vers des charges essentielles pour ne plus alimenter des charges non essentielles. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les sources d'électricité comprennent en outre un groupe auxiliaire. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, dans des contextes sans urgence, de l'électricité est produite sélectivement par chaque source d'électricité afin de limiter le plus possible une consommation globale de kérosène. 5. Procédé selon la revendication 4, comportant l'utilisation des sources thermoélectriques d'électricité (22, 27) comme principale source d'électricité dans des contextes sans urgence. 6. Procédé selon la revendication 4, comportant l'utilisation des piles à combustible (24, 25) comme principale source d'électricité dans des contextes sans urgence. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, en cas de panne des alternateurs (2, 3, 4, 5) entraînés par une turbine, l'une quelconque ou plusieurs des autres sources d'électricité est/sont utilisée(s). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de stockage d'électricité (23, 26) comprend une batterie. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel de l'électricité est produite simultanément par deux ou plus des sources d'électricité. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel de l'électricité est produite simultanément par toutes les sources d'électricité 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel comportant en outre l'utilisation, dans une cabine de l'aéronef, d'eau produite par les piles à combustible (24, 25). 12. Système de distribution d'électricité (1) pour aéronef, comportant une pluralité de sources d'électricité différentes comprenant un ou plusieurs alternateurs (2, 3, 4, 5) entraînés par des moteurs et au moins une autre source d'électricité choisie parmi un ou plusieurs moyens de stockage d'électricité (23, 26), une ou plusieurs piles à combustible (24, 25) et une ou plusieurs sources thermoélectriques de courant (22, 27), et un rail d'électricité à l'aide duquel les sources d'électricité peuvent se connecter à des charges de l'aéronef, le système ayant une unité de commande servant à produire sélectivement de l'électricité depuis chacune des sources d'électricité. 13. Système de distribution d'électricité (1) selon la revendication 12, dans lequel, dans des contextes d'urgence, l'unité de commande sert à détourner de l'électricité vers des charges essentielles pour ne plus alimenter des charges non essentielles. 14. Système de distribution d'électricité (1) selon la revendication 12 ou 13, dans lequel, dans des contextes sansurgence, l'unité de commande sert à produire sélectivement de l'électricité depuis chaque source d'électricité afin de limiter le plus possible une consommation globale de kérosène. 15. Système de distribution d'électricité (1) selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel, dans des contextes sans urgence, les sources thermoélectriques d'électricité (22, 27) et les piles à combustibles (24, 25) sont les principales sources d'électricité. 16. Système de distribution d'électricité (1) selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, dans lequel l'unité de commande sert à produire de l'électricité simultanément depuis une ou plusieurs des sources d'électricité.