Gorivne ćelije za višerotorne bespilotne letjelice: komparativna studija pohrane energije i analiza performansi

Godine 2019. globalna emisija ugljičnog dioksida dosegla je 920 milijuna tona [1]. Emisije ugljičnog dioksida iz svih načina prijevoza činile su približno 21 % ukupnih emisija, a zrakoplovna industrija imala je značajan doprinos. Trenutno emisije iz zrakoplovstva predstavljaju približno 12 % svih emisija-povezanih s prometom, pri čemu izgaranje kerozina iz zrakoplovstva čini 79 % emisija zrakoplovne industrije. Iako se ukupni udio emisija iz zrakoplovne industrije trenutačno možda ne čini osobito značajnim, proces dekarbonizacije zrakoplovnog kerozina relativno je spor u usporedbi s procesom u drugim prometnim sektorima. Climate Action Tracker također je označio napredak zrakoplovne industrije u ugljičnoj neutralnosti kao "nedovoljan". Kako druge industrije prihvaćaju dekarbonizaciju, relativni udio emisija industrija poput zrakoplovstva, koje je "teško smanjiti", neizbježno će se povećati. Ako projicirana godišnja stopa rasta zrakoplovne industrije ostane neprovjerena sljedećih 20 godina, emisije bi se mogle povećati za 11 % do 2040. [2]. Do 2050. zabrinjavajuća je mogućnost da bi 25 % globalnih emisija ugljika moglo potjecati iz zrakoplovne industrije. Posljedično, alternativni izvori energije kao što su vodikove gorivne ćelije, biogoriva i solarni paneli postali su značajne teme istraživanja u sektoru zrakoplovstva [3]. Dekarbonizacija i elektrifikacija zrakoplovstva, posebice civilnog, postali su hitni globalni imperativ [4,5].

Bespilotne letjelice s više rotora (UAV) sastavni su dio zrakoplovne industrije i naširoko se koriste u aplikacijama kao što su poljoprivreda, šumarstvo, regionalne inspekcije i brzi prijevoz na kratke-do srednje-domete [6,7]. Odgovarajuće istraživanje usmjereno na poboljšanje performansi fokusiranjem na kontrolu parametara leta, planiranje putanje i optimizaciju struktura leta također je u porastu [[8], [9], [10]]. Međutim, ključno ograničenje većine trenutno dostupnih komercijalnih bespilotnih letjelica s više rotora je njihovo oslanjanje na litijske baterije. Ove bespilotne letjelice obično pokazuju masu-polijetanja<25 kg, payload capacities <5 kg, and flight duration times ≤40 min [[11], [12], [13]]. This durability challenge restricts the use of these battery-powered UAVs in different scenarios. To boost the maximum range and operational capabilities, significant research has focused on investigating high-capacity batteries, using lightweight materials in the structure, and optimising path planning.

Trenutno--najsuvremenije-litij-polimer baterije daju specifične energije u rasponu od 130-200 Wh/kg. Uzimajući u obzir potencijal budućih tehnologija baterija, predviđa se izračunati raspon s novim tehnologijama koji će doseći 250 Wh/kg [14,15]. Barke i sur. [16] opisao je izglede i tehničke izazove s kojima se suočavaju litij-sumporne baterije. Iako bi visoka specifična gustoća energije veća od 400 Wh/kg mogla znatno smanjiti masu pogonskog sustava u usporedbi s konvencionalnim baterijama, što bi litij-sumporne baterije učinilo konkurentnima, njihov kratki prosječni životni vijek otežava njihovu primjenu. Yap i sur. [17] istraživali su lagane UAV-ove kombinacijom aditivne proizvodnje pomoću 3D ispisa i optimizacije topološke strukture. Yuan i sur. [18] istraživali su utjecaj konstrukcijskih parametara kao što su radijus propelera, brzina propelera, broj lopatica propelera, širina tetive i pred{24}}kut uvijanja na dinamiku leta i performanse zrakoplova. Koristeći Adkins-Liebeckovu metodu dizajna, optimizirali su dizajn lopatica, što je rezultiralo smanjenjem potrošnje energije zrakoplova od približno 3 %. Huang i sur. [19] predložio je metodu raspoređivanja zadataka i-planiranja puta za kombiniranu flotu bespilotnih letjelica i kamiona na temelju algoritma kolonije mrava kako bi se poboljšala učinkovitost transporta rojeva bespilotnih letjelica za logistiku. Ovaj je pristup značajno proširio radni radijus pokrivenosti bespilotnih letjelica-na baterije.

Međutim, gustoća energije litijevih baterija znači da gore-spomenute metode imaju relativno ograničen utjecaj na proširenje dometa UAV-a. Dodatno, zbog značajne potrebe za snagom dodatne mase, samo dodavanje više baterija ne povećava značajno maksimalni domet. Posljedično, postoji hitna potreba za istraživanjem poboljšanja pogonskog sklopa za povećanje specifične energije.

Vodik, sa svojom tri-puta većom gustoćom energije u usporedbi s tradicionalnim kerozinom, obećava kao potencijalno-rješenje za dugotrajno napajanje. Trenutačno uobičajeni hibridni sustavi gorivih ćelija daju specifične razine energije u rasponu od 250 do 540 Wh/kg [20]. Primjena propulzijskih sustava s gorivim ćelijama popularna je istraživačka tema u zrakoplovstvu [21]. Jedan primjer je Horizon Energy Systems Aerostack serija [22]. Zračno{12}}gorive ćelije uspješno su integrirane u brojne UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Preferencija za-zračno hlađenje u -niskotemperaturnim nizovima gorivih ćelija s membranom za izmjenu protona (PEMFC) u UAV-ovima proizlazi iz strogih ograničenja težine i prostora [28]. Santos [29] i Boukoberine et al. [30] upotrijebio je stvarne podatke o ispitivanju leta kako bi razvio strategije dizajna i formulacije za-multirotorne UAV-ove s pogonom na gorive ćelije sa zahtjevima za snagom od približno 300 W, odnosno 1400 W. Lee i sur. [31] istaknuo je da pasivno hlađenje zrakom, koje se često koristi u malim -uređajima PEMFC sa zahtjevima za snagom od 1 do 2 kW, uključuje uvlačenje i distribuciju i reaktanta i rashladnog zraka kroz dimnjak, koristeći iste ventilatore. Intelligent Energy Ltd. [32] tvrdi da osigurava sustave napajanja sa zrakom-gorivim ćelijama za bespilotne letjelice s nazivnom snagom od 4,8 kW. Iz gore navedenog može se pokazati da je usvajanje pasivno-dišućeg-hlađenog dimnjaka izvedivo jer su gorivne ćelije sa snagom u rasponu od 0 do 4,8 kW obično opremljene ventilatorima koji osiguravaju potreban protok zraka za hlađenje i reakciju.

Iako gorivne ćelije imaju prednosti u pogledu gustoće energije, njihova manevarska sposobnost je ometena relativno niskom gustoćom snage, dugim vremenskim kašnjenjima i sporim odzivom [33]. Nasuprot tome, litijeve baterije, kojima potencijalno nedostaju mogućnosti dugog-dometa, mogu isporučiti veću izlaznu snagu, pružajući poboljšane mogućnosti dinamičkog odgovora, posebno tijekom prijelaznih pojava velike-napone, kao što je kada se UAV brzo prebacuje s krstarenja na lebdenje ili faze spuštanja [34]. Stoga je u takvim scenarijima kombiniranje litijevih baterija s gorivim ćelijama u hibridne pogonske sustave izvediva strategija za postizanje visoke gustoće energije i snage u UAV-ovima [35]. Učinkovite strategije upravljanja energijom dodatno pridonose proširenju dometa i otpornosti na okoliš bespilotnih letjelica s- pogonom na hibridne gorive ćelije [36,37]. Stoga, za bespilotne letjelice s gorivnim ćelijama male{12}}snage, korištenje-zračno hlađenih gorivih ćelija pomiješanih s litijevim baterijama predstavlja održivo rješenje koje uravnotežuje maksimalni domet i vrijeme odziva.

Iz gore navedenog jasno je da vodikove gorivne ćelije i ekonomija niske-visine sve više postaju žarišta globalne pozornosti. Vodikove gorivne ćelije, sa svojom superiornom gustoćom energije, pojavljuju se kao rješenje za rješavanje nedostataka bespilotnih letjelica-napajanih litijevim baterijama i promicanje dekarbonizacije u zrakoplovnoj industriji. Međutim, unatoč tome što bespilotnim letjelicama-napajanim litijevim baterijama nedostaje izdržljivost u praktičnim primjenama, što ukazuje na to da je gustoća energije gorivih ćelija veća od gustoće energije litijevih baterija, trenutna većina istraživanja usredotočena je na strategije upravljanja energijom bespilotnih letjelica-napajanih gorivnim ćelijama. Ove strategije koriste-potrebu energije u stvarnom vremenu kao ulaz za izvođenje shema raspodjele energije za različite izvore energije pomoću algoritama. Ovo se bitno ne razlikuje od istraživanja strategije upravljanja energijom koje je prethodno proveo naš tim o vozilima s-gorivim ćelijama [38,39]. Zbog nepostojanja složenih dodataka, litijeve baterije često imaju prednosti unutar manjih raspona snage. Trenutačno postoji malo literature o pragu na kojem hibridni pogonski sustavi s gorivim ćelijama nadmašuju pogonske sustave s litijevim baterijama.

U ovoj studiji fokusirana su dva pitanja koja su često bila zanemarena u prethodnim studijama o-bespilotnim letjelicama s gorivnim ćelijama. Prvo, za specifične modele i profile leta, predložena je metoda za izračun graničnih uvjeta za zamjenu pogonskih sustava s litijevim baterijama hibridnim pogonskim sustavima s gorivim ćelijama, određivanjem raspona unutar kojeg su gorivne ćelije prikladnije za primjene UAV-a. Drugo, analiziraju se jedinstveni aspekti scenarija primjene UAV-a s gorivnim ćelijama; posebno je važan njihov utjecaj na stranu potražnje za električnom energijom.

Jedan od preduvjeta za formuliranje strategija upravljanja energijom koristeći-tražnju energije u stvarnom vremenu kao ulaz je razumijevanje varijacija u potražnji i opskrbi energijom za UAV-ove u različitim okruženjima, što su granični uvjeti za proces formuliranja strategije. U praktičnim primjenama, bespilotne letjelice koje rade na velikim visinama obično zahtijevaju više energije za održavanje stabilnog leta zbog promjena temperature okoline i gustoće zraka [40]. Nadalje, utjecaj promjena nadmorske visine na hlađenje gorivih ćelija zahtijeva dodatnu pozornost [41]. Ozbek i sur. [42] naglasio je nužnost istovremenog razmatranja zahtjeva za snagom UAV-a i promjena temperature kako bi se osigurala njihova koordinacija. Sustav gorivih ćelija nalazi se unutar trupa bespilotne letjelice, izravno uvlačeći okolni zrak izvana, na koji izravno utječu vanjski čimbenici okoline. S jedne strane, smanjenje gustoće zraka dovodi do povećanja potrebe za snagom UAV-ova, što rezultira povećanim ispuštanjem topline iz sklopa gorivih ćelija. Istodobno, brzina rasipanja topline niza gorivih ćelija može varirati s promjenama u okolišu, a razrijeđeni zrak smanjuje koeficijent konvektivnog prijenosa topline. Međutim, smanjenje vanjske temperature povećava temperaturnu razliku između dimnjaka i okoline, što pomaže u poboljšanju izmjene topline između dimnjaka i okoliša.

Ovaj je rad ograničio svoj predmet istraživanja na bespilotne letjelice heksakoptera s maksimalnom težinom pri polijetanju (MTOW) od 25 kg i istraživao je utjecaj visine na bespilotne letjelice-pogonjene gorivnim ćelijama. U formuliranju strategija upravljanja energijom, poduzeti pristup bio je maksimiziranje izlaza pogonskog sustava gorivih ćelija, dok se litijskim baterijama omogućuje brzi odgovor na zahtjeve za napajanjem, umjesto dizajniranja strategija za korištenje sve dostupne energije ili maksimiziranje dometa. Pregledom literature, Simulink modeliranjem i ANSYS simulacijom, ova studija ima za cilj razjasniti raspon unutar kojeg je upotreba gorivih ćelija u bespilotnim letjelicama ekonomičniji izbor, razumjeti maksimalne granice leta bespilotnih letjelica-pokretanih gorivnim ćelijama s različitim masama, shvatiti izazove koje jedinstveni scenariji primjene postavljaju za bespilotne letjelice pogonjene-gorivim ćelijama i identificirati moguća rješenja.

Ostatak ovog rada organiziran je na sljedeći način. Odjeljci 2. Metode za modeliranje potrebe za snagom UAV-a, 3. Metode za projektiranje i usklađivanje pogonskog sustava, 4. Metoda za izračunavanje stehiometrijskog omjera zraka za rasipanje topline predstavljaju metode za izračunavanje potrebe za snagom UAV-a, usklađivanje pogonskih sustava-pogonskih UAV-a pogonjenih gorivnim ćelijama i izračunavanje potrebnog protoka zraka za hlađenje gorivih ćelija. O rezultatima simulacije raspravlja se u odjeljku 5. Na kraju, rasprava i zaključci prikazani su u odjeljku 6.