Palivové články pre viacrotorové bezpilotné lietadlá: Porovnávacia štúdia skladovania energie a analýzy výkonu

V roku 2019 dosiahli globálne emisie oxidu uhličitého 920 miliónov ton [1]. Emisie uhlíka zo všetkých druhov dopravy tvorili približne 21 % celkových emisií, pričom významnou mierou sa na nich podieľa letecký priemysel. V súčasnosti predstavujú emisie z leteckej dopravy približne 12 % všetkých emisií súvisiacich s dopravou-, pričom spaľovanie leteckého kerozínu predstavuje 79 % emisií leteckého priemyslu. Zatiaľ čo celkový podiel emisií z leteckého priemyslu sa v súčasnosti nemusí zdať mimoriadne významný, proces dekarbonizácie leteckého kerozínu je v porovnaní s inými odvetviami dopravy relatívne pomalý. Climate Action Tracker tiež označil pokrok leteckého priemyslu v oblasti uhlíkovej neutrality za „nedostatočný“. Keďže ostatné priemyselné odvetvia prijmú dekarbonizáciu, relatívny podiel emisií v odvetviach, ako je letectvo, ktoré je „ťažké znížiť“, sa nevyhnutne zvýši. Ak ostane predpokladaná ročná miera rastu leteckého priemyslu počas nasledujúcich 20 rokov nekontrolovaná, emisie sa môžu do roku 2040 zvýšiť o 11 % [2]. Do roku 2050 je znepokojivá vyhliadka, že 25 % celosvetových emisií uhlíka by mohlo pochádzať z leteckého priemyslu. V dôsledku toho sa alternatívne zdroje energie, ako sú vodíkové palivové články, biopalivá a solárne panely, stali významnými výskumnými témami v odvetví letectva [3]. Dekarbonizácia a elektrifikácia letectva, najmä civilného, ​​sa stali naliehavými globálnymi imperatívmi [4,5].

Viacrotorové bezpilotné lietadlá (UAV) sú neoddeliteľnou súčasťou leteckého priemyslu a sú široko používané v aplikáciách, ako je poľnohospodárstvo, lesníctvo, regionálne inšpekcie a rýchla preprava na krátke{1}}až stredné{2}}dopravy [6,7]. Zodpovedajúci výskum zameraný na zvýšenie výkonu so zameraním na kontrolu parametrov letu, plánovanie dráhy a optimalizáciu letových štruktúr tiež napreduje [[8], [9], [10]]. Avšak kľúčovým obmedzením väčšiny v súčasnosti dostupných komerčných viacrotorových UAV je ich závislosť od lítiových batérií. Tieto UAV zvyčajne vykazujú vzletovú{8}}hmotnosť<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.

Aktuálne-najmodernejšie--lítium-polymérové ​​batérie poskytujú špecifické energie v rozsahu 130 – 200 Wh/kg. Vzhľadom na potenciál budúcich technológií batérií sa predpokladá vypočítaný dojazd s novými technológiami dosahujúci 250 Wh/kg [14,15]. Barke a kol. [16] načrtli vyhliadky a technické výzvy, ktorým čelia lítium-sírové batérie. Hoci vysoká merná hustota energie presahujúca 400 Wh/kg by mohla výrazne znížiť hmotnosť pohonného systému v porovnaní s konvenčnými batériami, vďaka čomu by boli lítium-sírové batérie konkurencieschopné, ich krátka priemerná životnosť bráni ich použitiu. Yap a kol. [17] skúmali ľahké UAV prostredníctvom kombinácie aditívnej výroby pomocou 3D tlače a optimalizácie topologickej štruktúry. Yuan a spol. [18] skúmali vplyv konštrukčných parametrov, ako je polomer vrtule, rýchlosť vrtule, počet listov vrtule, šírka tetivy a uhol predtočenia na letovú dynamiku a výkon lietadla. Pomocou Adkinsovej{26}}metódy dizajnu Liebeck optimalizovali dizajn čepele, čo viedlo k zníženiu spotreby energie lietadla približne o 3 %. Huang a kol. [19] navrhli metódu plánovania úloh a{31}}plánovania trasy pre kombinovanú flotilu UAV a nákladných vozidiel založenú na algoritme kolónie mravcov na zvýšenie efektivity prepravy rojov UAV pre logistiku. Tento prístup výrazne rozšíril rozsah prevádzkového pokrytia batériou napájaných UAV{33}.

Energetická hustota lítiových batérií však znamená, že -uvedené metódy majú relatívne obmedzený vplyv na rozšírenie dosahu UAV. Navyše, vzhľadom na značnú spotrebu energie prídavnej hmoty, iba pridanie ďalších batérií podstatne nerozšíri maximálny dosah. V dôsledku toho existuje naliehavá potreba preskúmať vylepšenia hnacieho ústrojenstva na zvýšenie špecifickej energie.

Vodík so svojou troj{1}}násobne vyššou hustotou energie v porovnaní s tradičným petrolejom je sľubným potenciálnym-riešením letu na veľké vzdialenosti. V súčasnosti bežné hybridné systémy s palivovými článkami poskytujú špecifické úrovne energie v rozmedzí od 250 do 540 Wh/kg [20]. Aplikácia pohonných systémov s palivovými článkami je populárnou témou výskumu v letectve [21]. Jedným príkladom je séria Horizon Energy Systems Aerostack [22]. Vzduchom-chladené palivové články boli úspešne integrované do mnohých UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Uprednostňovanie vzduchového-chladenia v nízkoteplotných palivových článkoch s protónovou výmennou membránou (PEMFC) v UAV vyplýva z prísnych hmotnostných a priestorových obmedzení [28]. Santos [29] a Boukoberine a kol. [30] použili údaje zo skutočných letových testov na vývoj stratégií návrhu a formulácie pre viacrotorové UAV poháňané -palivovými článkami s nárokmi na výkon približne 300 W a 1 400 W v uvedenom poradí. Lee a spol. [31] poukázali na to, že pasívne vzduchové chladenie, ktoré sa často používa v malých-zariadeniach PEMFC s požiadavkami na výkon od 1 do 2 kW, zahŕňa nasávanie a distribúciu reaktantu aj chladiaceho vzduchu v komíne pomocou rovnakých ventilátorov. Intelligent Energy Ltd. [32] tvrdí, že poskytuje energetické systémy vzduchom{19}chladeným palivovým článkom pre UAV s menovitým výkonom 4,8 kW. Z vyššie uvedeného je možné demonštrovať, že zavedenie voľnej -pasívneho{23}} chladenia je možné, pretože palivové články s výkonom od 0 do 4,8 kW sú zvyčajne vybavené ventilátormi, ktoré poskytujú potrebný prietok vzduchu na chladenie a reakciu.

Hoci palivové články majú výhody z hľadiska hustoty energie, ich manévrovateľnosť je obmedzená ich relatívne nízkou hustotou výkonu, dlhými časovými oneskoreniami a pomalými odozvami [33]. Naproti tomu lítiové batérie, ktorým potenciálne chýbajú možnosti dlhého dosahu, môžu poskytnúť vyšší výkon a poskytnúť vylepšené možnosti dynamickej odozvy, najmä počas prechodov s vysokým-výkonom, napríklad keď UAV rýchlo prepne z fázy plavby do fázy vznášania alebo klesania [34]. Preto v takýchto scenároch je kombinovanie lítiových batérií s palivovými článkami na vytvorenie hybridných pohonných systémov realizovateľnou stratégiou na dosiahnutie vysokej hustoty energie a výkonu v UAV [35]. Efektívne stratégie energetického manažmentu ďalej prispievajú k rozšíreniu dosahu a environmentálnej odolnosti UAV poháňaných- hybridnými palivovými článkami [36,37]. V prípade nízkoenergetických UAV s palivovými článkami je teda použitie vzduchom{13}}chladených palivových článkov zmiešaných s lítiovými batériami životaschopným riešením, ktoré vyvažuje maximálny dojazd a čas odozvy.

Z vyššie uvedeného je zrejmé, že vodíkové palivové články a ekonomika nízkej{0}}nadmorskej výšky sa čoraz viac stávajú stredobodom globálnej pozornosti. Vodíkové palivové články so svojou vynikajúcou hustotou energie sa objavujú ako riešenie na riešenie nedostatkov UAV napájaných lítiovými batériami-a na podporu dekarbonizácie v leteckom priemysle. Napriek tomu, že UAV napájané lítiovou batériou- nemajú v praktických aplikáciách trvanlivosť, čo naznačuje, že energetická hustota palivových článkov je vyššia ako hustota lítiových batérií, súčasná väčšina výskumu sa sústreďuje na stratégie hospodárenia s energiou UAV-poháňaných palivovými článkami. Tieto stratégie využívajú dopyt po energii v reálnom čase{7}} ako vstup na odvodenie schém prideľovania energie pre rôzne zdroje energie pomocou algoritmov. Toto sa podstatne nelíši od výskumu stratégie energetického manažmentu, ktorý predtým vykonal náš tím na vozidlách poháňaných-palivovými článkami [38,39]. Kvôli absencii zložitého príslušenstva majú lítiové batérie často výhody v rámci menších výkonových rozsahov. V súčasnosti existuje len málo literatúry o hranici, pri ktorej hybridné pohonné systémy s palivovými článkami prekonávajú pohonné systémy s lítiovými batériami.

Táto štúdia sa zameriava na dva problémy, ktoré boli v predchádzajúcich štúdiách o UAV-poháňaných palivovými článkami často prehliadané. Po prvé, pre konkrétne modely a letové profily bola navrhnutá metóda na výpočet okrajových podmienok nahradenia pohonných systémov lítiových batérií hybridnými pohonnými systémami s palivovými článkami, a to určením rozsahu, v ktorom sú palivové články vhodnejšie pre aplikácie UAV. Po druhé, analyzujú sa jedinečné aspekty aplikačných scenárov palivových článkov UAV; obzvlášť dôležitý je ich vplyv na stranu dopytu po energii.

Jedným z predpokladov na formulovanie stratégií energetického manažmentu pomocou dopytu po energii v reálnom čase{0} ako vstupu je porozumieť zmenám v dopyte po energii a ponuke pre UAV v rôznych prostrediach, čo sú hraničné podmienky pre proces formulovania stratégie. V praktických aplikáciách UAV pracujúce vo vysokých nadmorských výškach zvyčajne vyžadujú viac energie na udržanie stabilného letu v dôsledku zmien teploty prostredia a hustoty vzduchu [40]. Okrem toho si ďalšiu pozornosť vyžaduje vplyv zmien nadmorskej výšky na chladenie palivových článkov [41]. Ozbek a spol. [42] zdôraznil potrebu súčasného zvažovania požiadaviek na výkon UAV a teplotných zmien, aby sa zabezpečila ich koordinácia. Systém palivových článkov je umiestnený vo vnútri trupu UAV a priamo nasáva okolitý vzduch zvonku, čo je priamo ovplyvnené vonkajšími faktormi prostredia. Na jednej strane zníženie hustoty vzduchu vedie k zvýšeniu spotreby energie UAV, čo vedie k zvýšenému odvodu tepla zo zásobníka palivových článkov. Súčasne sa rýchlosť rozptylu tepla zo sady palivových článkov môže meniť so zmenami prostredia a riedky vzduch znižuje koeficient prenosu tepla konvekciou. Pokles vonkajšej teploty však zvyšuje teplotný rozdiel medzi komínom a prostredím, čo pomáha zlepšiť výmenu tepla medzi komínom a prostredím.

Tento dokument obmedzil svoj výskumný objekt na hexakoptéry UAV s maximálnou vzletovou hmotnosťou (MTOW) 25 kg a skúmal vplyv nadmorskej výšky na UAV poháňané palivovými článkami-. Pri formulovaní stratégií energetického manažmentu bol zvolený prístup maximalizovať výkon pohonného systému palivových článkov a zároveň umožniť lítiovým batériám rýchlo reagovať na požiadavky na energiu, a nie navrhovať stratégie na využitie všetkej dostupnej energie alebo maximalizáciu dojazdu. Prostredníctvom prehľadu literatúry, modelovania Simulink a simulácie ANSYS je cieľom tejto štúdie objasniť rozsah, v ktorom je použitie palivových článkov v UAV ekonomickejšou voľbou, pochopiť hranice maximálneho letu -UAV poháňaných palivovými článkami s rôznou hmotnosťou, pochopiť výzvy, ktoré predstavujú jedinečné aplikačné scenáre pre UAV-poháňané palivovými článkami, a identifikovať možné riešenia.

Zvyšok tohto dokumentu je usporiadaný nasledovne. Časti 2 Metódy na modelovanie spotreby energie UAV, 3 Metódy navrhovania a prispôsobenia pohonného systému, 4 Metóda výpočtu stechiometrického pomeru vzduchu na rozptyl tepla predstavujú metódy na výpočet spotreby energie UAV, prispôsobenie pohonných systémov UAV poháňaných palivovými článkami a výpočet požadovaného prietoku vzduchu na chladenie palivových článkov. Výsledky simulácie sú diskutované v časti 5. Nakoniec diskusia a závery sú uvedené v časti 6.