Гориве ћелије за беспилотне летелице са више ротора: упоредна студија складиштења енергије и анализе перформанси

У 2019, глобална емисија угљен-диоксида достигла је 920 милиона тона [1]. Емисије угљеника из свих видова транспорта чиниле су приближно 21% укупних емисија, при чему је значајан допринос авио индустрија. Тренутно, емисије из ваздухопловства представљају приближно 12% свих емисија-повезаних са транспортом, при чему сагоревање авио керозина чини 79% емисија у ваздухопловној индустрији. Иако се укупан удео емисија из ваздухопловне индустрије тренутно не чини нарочито значајним, процес декарбонизације авио керозина је релативно спор у поређењу са другим секторима транспорта. Цлимате Ацтион Трацкер је такође означио напредак ваздухопловне индустрије у неутралности угљеника као „недовољан“. Како друге индустрије прихватају декарбонизацију, релативни удео у емисијама у индустријама попут ваздухопловства, које је „тешко смањити“, неизбежно ће порасти. Ако пројектована годишња стопа раста авио индустрије остане неконтролисана у наредних 20 година, емисије могу порасти за 11 % до 2040. године [2]. До 2050. године, забрињавајућа је перспектива да би 25% глобалних емисија угљеника могло потицати из авио индустрије. Сходно томе, алтернативни извори енергије као што су водоничне горивне ћелије, биогорива и соларни панели постали су значајне теме истраживања у сектору ваздухопловства [3]. Декарбонизација и електрификација ваздухопловства, посебно цивилног, постали су хитни глобални императиви [4,5].

Беспилотне летелице са више ротора (УАВ) су саставни део ваздухопловне индустрије и широко се користе у апликацијама као што су пољопривреда, шумарство, регионалне инспекције и брзи-до средњи{2}}превоз [6,7]. Одговарајућа истраживања усмерена на побољшање перформанси фокусирањем на контролу параметара лета, планирање путање и оптимизацију структура лета такође су у порасту [[8], [9], [10]]. Међутим, кључно ограничење већине тренутно доступних комерцијалних мултироторних беспилотних летелица је њихово ослањање на литијумске батерије. Ове беспилотне летелице обично показују-полетне масе<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.

Тренутно,-најсавременије--литијумске{3}}полимерске батерије пружају специфичне енергије у опсегу од 130–200 Вх/кг. Узимајући у обзир потенцијал будућих технологија батерија, предвиђа се израчунати опсег са новим технологијама који ће достићи 250 Вх/кг [14,15]. Барке и др. [16] изнео је изгледе и техничке изазове са којима се суочавају литијум-сумпорне батерије. Иако би висока специфична густина енергије која прелази 400 Вх/кг могла значајно да смањи масу погонског система у поређењу са конвенционалним батеријама, што би литијум{16}}сумпорне батерије учинило конкурентним, њихов кратак просечни век трајања отежава њихову примену. Иап ет ал. [17] истраживали су лаке беспилотне летелице кроз комбинацију адитивне производње користећи 3Д штампање и оптимизацију тополошке структуре. Иуан ет ал. [18] је истраживао утицај пројектних параметара као што су радијус пропелера, брзина пропелера, број лопатица пропелера, ширина тетиве и угао пред{24}}окретања на динамику лета и перформансе авиона. Користећи Адкинс-Лиебецк метод дизајна, оптимизовали су дизајн лопатица, што је резултирало смањењем потрошње енергије авиона за приближно 3%. Хуанг ет ал. [19] је предложио метод планирања задатака и путање{31}}за комбиновану флоту беспилотних летелица и камиона на основу алгоритма колоније мрава да би се побољшала ефикасност транспорта беспилотних летелица за логистику. Овај приступ је значајно проширио оперативни радијус покривености беспилотних летелица на батерије{33}}.

Међутим, густина енергије литијумских батерија значи да горе-поменуте методе имају релативно ограничен утицај на проширење домета УАВ-а. Поред тога, због значајне потражње за снагом додатне масе, само додавање више батерија не продужава значајно максимални домет. Сходно томе, постоји хитна потреба да се истраже побољшања погонског склопа како би се повећала специфична енергија.

Водоник, са својом-троструко већом густином енергије у поређењу са традиционалним керозином, обећава као потенцијално-решење за снагу лета дугог домета. Тренутно, уобичајени хибридни системи горивних ћелија обезбеђују специфичне нивое енергије у распону од 250 до 540 Вх/кг [20]. Примена погонских система горивих ћелија је популарна тема истраживања у ваздухопловству [21]. Један пример је серија Хоризон Енерги Системс Аеростацк [22]. Ваздушно хлађене{12}}гориве ћелије су успешно интегрисане у бројне беспилотне летелице [[23], [24], [25], [26], [27]].

Предност за ваздушно{0}}хлађење у нискотемпературним-горивим ћелијама са мембраном за размену протона (ПЕМФЦ) у беспилотним летелицама произилази из строгих ограничења тежине и простора [28]. Сантос [29] и Боукоберине ет ал. [30] је користио податке о стварним тестовима лета да би развио стратегије дизајна и формулације за вишероторне беспилотне летелице са погоном на горивне ћелије{7}} са захтевима за снагом од приближно 300 В односно 1400 В. Лее ет ал. [31] је истакао да пасивно ваздушно хлађење, које се често користи у малим-ПЕМФЦ уређајима са захтевима за снагом од 1 до 2 кВ, укључује увлачење и дистрибуцију и реактантног и расхладног ваздуха кроз димњак, користећи исте вентилаторе. Интеллигент Енерги Лтд. [32] тврди да обезбеђује енергетске системе са горивим ћелијама{19}}хлађеним ваздухом за беспилотне летелице са номиналном снагом од 4,8 кВ. Из горе наведеног, може се показати да је усвајање слободно-пасивног-хлађеног система за дисање изводљиво јер су горивне ћелије снаге у распону од 0 до 4,8 кВ обично опремљене вентилаторима који обезбеђују неопходан проток ваздуха за хлађење и реакцију.

Иако горивне ћелије имају предности у погледу густине енергије, њихова маневарска способност је отежана релативно ниском густином снаге, дугим временским кашњењима и спорим одговорима [33]. Насупрот томе, литијумске батерије, којима потенцијално недостају-могућности дугог домета, могу да испоруче већу излазну снагу, обезбеђујући побољшане могућности динамичког одговора, посебно током великих-прелазних процеса, као што је када УАВ брзо прелази са крстарења на фазу лебдења или спуштања [34]. Стога, у таквим сценаријима, комбиновање литијумских батерија са горивним ћелијама за формирање хибридних погонских система је изводљива стратегија за постизање високе густине енергије и снаге у беспилотним летелицама [35]. Ефикасне стратегије управљања енергијом додатно доприносе проширењу домета и отпорности на животну средину беспилотних летелица са погоном на хибридне горивне ћелије- [36,37]. Стога, за беспилотне летелице са горивним ћелијама мале снаге{12}, коришћење горивих ћелија{13}}хлађених ваздухом помешаних са литијумским батеријама представља одрживо решење које балансира максимални домет и време одзива.

Из горенаведеног је јасно да водоничне горивне ћелије и економија малих{0}}висина све више постају жаришта глобалне пажње. Водоничке горивне ћелије, са својом супериорном густином енергије, појављују се као решење за решавање недостатака беспилотних летелица на литијумске батерије-и промовишу декарбонизацију у ваздухопловној индустрији. Међутим, упркос томе што беспилотне летелице напајане литијумским{4}}батеријама немају издржљивост у практичним применама, што указује да је густина енергије горивих ћелија већа од оне у литијумским батеријама, тренутна већина истраживања се концентрише на стратегије управљања енергијом беспилотних летелица са погоном на горивне ћелије-. Ове стратегије користе-потребу за струјом у реалном времену као улаз за извођење шема алокације енергије за различите изворе енергије помоћу алгоритама. Ово се суштински не разликује од истраживања стратегије управљања енергијом које је претходно спровео наш тим о возилима на погон горивних ћелија- [38,39]. Због одсуства сложених додатака, литијумске батерије често имају предности у мањим опсезима снаге. Тренутно постоји мало литературе о прагу на којем хибридни погонски системи са горивним ћелијама надмашују погонске системе са литијумским батеријама.

У овој студији фокусирана су два питања која су често била занемарена у претходним студијама о беспилотним летелицама на{0}}горивим ћелијама. Прво, за специфичне моделе и профиле лета, предложен је метод за израчунавање граничних услова за замену погонских система са литијумским батеријама хибридним погонским системима са горивним ћелијама, одређивањем опсега унутар којег су гориве ћелије прикладније за апликације УАВ. Друго, анализирани су јединствени аспекти сценарија примене УАВ на горивне ћелије; посебно важан је њихов утицај на страну потражње за електричном енергијом.

Један од предуслова за формулисање стратегија управљања енергијом користећи-потребу за енергијом у реалном времену као улаз је разумевање варијација у потражњи за енергијом и снабдевању беспилотних летелица у различитим окружењима, што су гранични услови за процес формулисања стратегије. У практичним применама, беспилотне летелице које раде на великим висинама обично захтевају више енергије за одржавање стабилног лета због промена у температури околине и густини ваздуха [40]. Поред тога, утицај промена надморске висине на хлађење горивних ћелија захтева даљу пажњу [41]. Озбек и др. [42] је нагласио неопходност истовременог разматрања захтева за снагом беспилотних летелица и промена температуре како би се обезбедила њихова координација. Систем горивих ћелија се налази унутар трупа УАВ-а, директно увлачи ваздух из околине споља, на који директно утичу спољни фактори околине. С једне стране, смањење густине ваздуха доводи до повећања потражње за снагом беспилотних летелица, што резултира повећаним испуштањем топлоте из димњака горивних ћелија. Истовремено, брзина дисипације топлоте у димњаку горивих ћелија може да варира са променама околине, а разређени ваздух смањује коефицијент конвективног преноса топлоте. Међутим, смањење спољне температуре повећава температурну разлику између димњака и околине, што помаже у побољшању размене топлоте између димњака и околине.

Овај рад је ограничио свој циљ истраживања на беспилотне летелице са хексакоптерима са максималном-полетном тежином (МТОВ) од 25 кг и истраживао утицај висине на беспилотне летелице са погоном на горивне ћелије-. У формулисању стратегија управљања енергијом, приступ који је узет је био да се максимизира излаз погонског система горивих ћелија, док се литијумским батеријама омогућава да брзо реагују на захтеве за снагом, уместо да се дизајнирају стратегије за коришћење све расположиве енергије или максимизирање домета. Кроз преглед литературе, Симулинк моделовање и АНСИС симулацију, ова студија има за циљ да разјасни опсег у оквиру којег је коришћење горивних ћелија у беспилотним летелицама економичнији избор, разуме границе максималног лета беспилотних летелица са погоном на горивне ћелије-различите масе, схвати изазове које јединствени сценарији примене постављају за могућа решења на горивим ћелијама{6}} и могућа решења УАВ са горивим ћелијама.

Остатак овог рада организован је на следећи начин. Одељци 2 Методе за моделирање потражње за снагом УАВ-а, 3 Методе за пројектовање и усклађивање погонског система, 4 Методе за израчунавање стехиометријског односа ваздуха за дисипацију топлоте представљају методе за израчунавање потражње за снагом УАВ-а, усклађивање погонских система УАВ са погоном на горивне ћелије- и израчунавање потребних горивих ћелија за хлађење протока ваздуха. Резултати симулације су разматрани у одељку 5. Коначно, дискусија и закључци су представљени у одељку 6.