Gorivne celice za večrotorska brezpilotna letala: primerjalna študija shranjevanja energije in analiza učinkovitosti

Leta 2019 so svetovne emisije ogljikovega dioksida dosegle 920 milijonov ton [1]. Emisije ogljika iz vseh načinov prevoza so predstavljale približno 21 % skupnih emisij, k čemur je pomembno prispevala letalska industrija. Emisije iz letalstva trenutno predstavljajo približno 12 % vseh emisij,-povezanih s prometom, pri čemer izgorevanje letalskega kerozina predstavlja 79 % emisij letalske industrije. Medtem ko se skupni delež emisij iz letalske industrije morda trenutno ne zdi posebej pomemben, je proces razogljičenja letalskega kerozina razmeroma počasen v primerjavi s tistimi v drugih prometnih sektorjih. Climate Action Tracker je tudi napredek letalske industrije pri ogljični nevtralnosti označil za "nezadosten". Ko bodo druge industrije sprejele dekarbonizacijo, se bo relativni delež emisij v panogah, kot je letalstvo, ki jih je "težko zmanjšati", neizogibno povečal. Če predvidena letna stopnja rasti letalske industrije v naslednjih 20 letih ne bo nadzorovana, se lahko emisije do leta 2040 povečajo za 11 % [2]. Do leta 2050 je zaskrbljujoča napoved, da bi lahko 25 % svetovnih emisij ogljika izviralo iz letalske industrije. Posledično so alternativni viri energije, kot so vodikove gorivne celice, biogoriva in sončne celice, postali pomembne raziskovalne teme v letalskem sektorju [3]. Dekarbonizacija in elektrifikacija letalstva, zlasti civilnega, sta postali nujni svetovni imperativi [4,5].

Zračna vozila brez posadke z več rotorji (UAV) so sestavni del letalske industrije in se pogosto uporabljajo v aplikacijah, kot so kmetijstvo, gozdarstvo, regionalni inšpekcijski pregledi in hitri prevozi na kratke-do srednje-razdalje [6,7]. Ustrezne raziskave, namenjene izboljšanju zmogljivosti z osredotočanjem na nadzor parametrov leta, načrtovanje poti in optimizacijo struktur leta, prav tako rastejo [[8], [9], [10]]. Vendar pa je ključna omejitev večine trenutno dostopnih komercialnih večrotorskih UAV njihova odvisnost od litijevih baterij. Ti UAV običajno kažejo vzletne-mase<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 najsodobnejše---litij-polimerne baterije zagotavljajo specifično energijo v razponu od 130–200 Wh/kg. Glede na potencial prihodnjih baterijskih tehnologij je predviden izračunan obseg z novimi tehnologijami, ki bo dosegel 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] je orisal obete in tehnične izzive, s katerimi se soočajo litij-žveplove baterije. Čeprav bi visoka specifična energijska gostota, ki presega 400 Wh/kg, lahko znatno zmanjšala maso pogonskega sistema v primerjavi z običajnimi baterijami, zaradi česar bi bile litij-žveplove baterije konkurenčne, njihova kratka povprečna življenjska doba ovira njihovo uporabo. Yap et al. [17] so raziskovali lahke UAV s kombinacijo aditivne proizvodnje z uporabo 3D-tiskanja in optimizacije topološke strukture. Yuan et al. [18] je preiskoval vpliv konstrukcijskih parametrov, kot so polmer propelerja, hitrost propelerja, število lopatic propelerja, širina tetive in kot pred-zasuka, na dinamiko leta in zmogljivost letala. Z uporabo Adkins-Liebeckove metode načrtovanja so optimizirali zasnovo lopatic, kar je povzročilo zmanjšanje porabe energije letala za približno 3 %. Huang et al. [19] je predlagal metodo razporejanja nalog in-načrtovanja poti za kombinirano floto UAV in tovornjakov, ki temelji na algoritmu kolonije mravelj, da bi povečali učinkovitost transporta rojev UAV za logistiko. Ta pristop je znatno razširil operativni polmer pokritosti UAV-na baterijski pogon.

Vendar energijska gostota litijevih baterij pomeni, da imajo zgoraj-omenjene metode razmeroma omejen vpliv na razširitev dosega UAV. Poleg tega zaradi velike porabe energije zaradi dodatne mase samo dodajanje več baterij ne poveča bistveno največjega dosega. Posledično obstaja nujna potreba po raziskovanju izboljšav pogonskega sklopa za povečanje specifične energije.

Vodik s svojo tri-krat večjo energijsko gostoto v primerjavi s tradicionalnim kerozinom obeta kot potencialna-rešitev za moč letenja na dolge razdalje. Trenutno običajni hibridni sistemi z gorivnimi celicami zagotavljajo specifične ravni energije v razponu od 250 do 540 Wh/kg [20]. Uporaba pogonskih sistemov z gorivnimi celicami je priljubljena raziskovalna tema v letalstvu [21]. En primer je serija Aerostack Horizon Energy Systems [22]. Zračno{12}}hlajene gorivne celice so bile uspešno integrirane v številne UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Prednost zračnemu-hlajenju v nizko-temperaturnih sklopih gorivnih celic z membrano za izmenjavo protonov (PEMFC) v UAV izhaja iz strogih omejitev teže in prostora [28]. Santos [29] in Boukoberine et al. [30] je uporabil dejanske podatke o preskusih letenja za razvoj strategij zasnove in oblikovanja večrotorskih UAV-na gorivne celice z zahtevano močjo približno 300 W oziroma 1400 W. Lee et al. [31] je poudaril, da pasivno zračno hlajenje, ki se pogosto uporablja v majhnih-napravah PEMFC z zahtevami po moči od 1 do 2 kW, vključuje vsrkavanje in distribucijo reaktanta in hladilnega zraka po dimniku z uporabo istih ventilatorjev. Intelligent Energy Ltd. [32] trdi, da zagotavlja napajalne sisteme z zračno-hlajenimi gorivnimi celicami za UAV z nazivno porabo energije 4,8 kW. Iz zgoraj navedenega je mogoče dokazati, da je sprejetje prosto{22}}dihajočega pasivno{23}}hlajenega dimnika izvedljivo, ker so gorivne celice z močjo od 0 do 4,8 kW običajno opremljene z ventilatorji, ki zagotavljajo potreben pretok zraka za hlajenje in reakcijo.

Čeprav imajo gorivne celice prednosti glede energijske gostote, njihovo manevriranje ovirajo relativno nizka gostota moči, dolge časovne zakasnitve in počasni odzivi [33]. Nasprotno pa lahko litijeve baterije, ki potencialno nimajo zmožnosti dolgega-dometa, zagotavljajo večjo izhodno moč, kar zagotavlja izboljšane zmogljivosti dinamičnega odziva, zlasti med prehodnimi pojavi-moči, kot je, ko UAV hitro preklopi iz faze križarjenja v fazo lebdenja ali spuščanja [34]. Zato je v takih scenarijih združevanje litijevih baterij z gorivnimi celicami za oblikovanje hibridnih pogonskih sistemov izvedljiva strategija za doseganje visoke gostote energije in moči v UAV [35]. Učinkovite strategije upravljanja z energijo dodatno prispevajo k razširitvi dosega in okoljski odpornosti hibridnih UAV-poganjanih z gorivnimi celicami [36,37]. Zato je za UAV z nizko{12}}močjo gorivnih celic uporaba zračno{13}}hlajenih gorivnih celic v mešanici z litijevimi baterijami izvedljiva rešitev, ki uravnoteži največji doseg in odzivni čas.

Iz zgoraj navedenega je jasno, da vodikove gorivne celice in ekonomija nizkih-nadmorske višine vse bolj postajata središči svetovne pozornosti. Vodikove gorivne celice s svojo vrhunsko energijsko gostoto se pojavljajo kot rešitev za odpravljanje pomanjkljivosti UAV-poganjanih z litijevimi baterijami in spodbujanje dekarbonizacije v letalski industriji. Kljub temu, da UAV-napajani z litijevimi baterijami nimajo vzdržljivosti v praktičnih aplikacijah, kar kaže, da je gostota energije gorivnih celic višja od gostote energije litijevih baterij, se trenutna večina raziskav osredotoča na strategije upravljanja z energijo UAV-na pogon na gorivne celice. Te strategije uporabljajo-potrebo po energiji v realnem času kot vhod za izpeljavo shem dodeljevanja moči za različne vire energije z uporabo algoritmov. To se bistveno ne razlikuje od raziskave strategije upravljanja z energijo, ki jo je predhodno izvedla naša ekipa o vozilih s pogonom-na gorivne celice [38,39]. Zaradi odsotnosti zapletenih dodatkov imajo litijeve baterije pogosto prednosti v manjših močeh. Trenutno je malo literature o pragu, pri katerem hibridni pogonski sistemi na gorivne celice prekašajo pogonske sisteme z litijevimi baterijami.

V tej študiji sta osredotočeni na dve vprašanji, ki sta bili v prejšnjih študijah-UAV-ov s pogonom na gorivne celice pogosto spregledani. Prvič, za posebne modele in profile letenja je bila predlagana metoda za izračun mejnih pogojev za zamenjavo pogonskih sistemov z litijevimi baterijami s hibridnimi pogonskimi sistemi z gorivnimi celicami, z določitvijo območja, znotraj katerega so gorivne celice primernejše za aplikacije UAV. Drugič, analizirani so edinstveni vidiki scenarijev uporabe UAV z gorivnimi celicami; zlasti pomemben je njihov vpliv na povpraševanje po moči.

Eden od predpogojev za oblikovanje strategij upravljanja z energijo z uporabo realno{0}}asovnega povpraševanja po energiji kot vložka je razumevanje variacij v povpraševanju in ponudbi energije za UAV v različnih okoljih, ki so mejni pogoji za postopek oblikovanja strategije. V praktičnih aplikacijah UAV, ki delujejo na velikih nadmorskih višinah, običajno potrebujejo več energije za vzdrževanje stabilnega leta zaradi sprememb okoljske temperature in gostote zraka [40]. Poleg tega je treba dodatno pozornost posvetiti vplivu sprememb nadmorske višine na hlajenje gorivnih celic [41]. Ozbek idr. [42] je poudaril nujnost sočasnega upoštevanja zahtev glede moči UAV in temperaturnih sprememb, da se zagotovi njihova koordinacija. Sistem gorivnih celic je nameščen znotraj trupa UAV in neposredno črpa zrak iz okolja od zunaj, na katerega neposredno vplivajo zunanji okoljski dejavniki. Po eni strani zmanjšanje gostote zraka vodi do povečanja povpraševanja po moči UAV, kar ima za posledico povečano odvajanje toplote iz sklada gorivnih celic. Hkrati se lahko stopnja odvajanja toplote sklada gorivnih celic spreminja glede na okoljske spremembe, redek zrak pa zmanjša konvekcijski koeficient prenosa toplote. Vendar znižanje zunanje temperature poveča temperaturno razliko med dimnikom in okoljem, kar pomaga izboljšati izmenjavo toplote med dimnikom in okoljem.

Ta članek je omejil svoj predmet raziskave na heksakopter UAV z največjo vzletno-težo (MTOW) 25 kg in raziskal vpliv nadmorske višine na UAV-na gorivne celice. Pri oblikovanju strategij upravljanja z energijo je bil uporabljen pristop maksimiranje izhodne moči pogonskega sistema gorivnih celic, hkrati pa dovoljenje litijevim baterijam, da se hitro odzovejo na zahteve po energiji, namesto oblikovanja strategij za uporabo vse razpoložljive energije ali maksimiranje dosega. Namen te študije je s pregledom literature, modeliranjem Simulink in simulacijo ANSYS razjasniti obseg, v katerem je uporaba gorivnih celic v UAV-jih bolj ekonomična izbira, razumeti največje meje letenja UAV-na gorivne celice z različnimi masami, razumeti izzive, ki jih edinstveni scenariji uporabe predstavljajo za UAV-na gorivne celice, in prepoznati možne rešitve.

Preostanek tega dokumenta je organiziran na naslednji način. Razdelki 2: Metode za modeliranje povpraševanja po moči UAV, 3 Metode za načrtovanje in ujemanje pogonskega sistema, 4 Metoda za izračun stehiometričnega razmerja zraka za odvajanje toplote predstavljajo metode za izračun povpraševanja po moči UAV, ujemanje pogonskih sistemov UAV s pogonom na gorivne celice in izračun potrebnega pretoka zraka za hlajenje gorivnih celic. Rezultati simulacije so obravnavani v razdelku 5. Končno so razprava in zaključki predstavljeni v razdelku 6.