Üzemanyagcellák többrotoros pilóta nélküli légi járművekhez: összehasonlító tanulmány az energiatárolásról és a teljesítményelemzésről

2019-ben a globális szén-dioxid-kibocsátás elérte a 920 millió tonnát [1]. Az összes közlekedési mód szén-dioxid-kibocsátása a teljes kibocsátás körülbelül 21 %-át tette ki, amelyhez a légiközlekedési ágazat jelentős mértékben hozzájárul. Jelenleg a légi közlekedésből származó kibocsátás az összes közlekedéssel összefüggő kibocsátás 12%-át teszi ki, és a repülési kerozin elégetése a repülési ágazat kibocsátásának 79%-át teszi ki. Míg a légiközlekedési ipar összesített kibocsátásának aránya jelenleg nem tűnik különösebben jelentősnek, a légi kerozin szén-dioxid-mentesítési folyamata viszonylag lassú a többi közlekedési ágazathoz képest. A Climate Action Tracker a légi közlekedési ágazat szén-dioxid-semlegesség terén elért előrehaladását is „elégtelennek” minősítette. Ahogy más iparágak is alkalmazzák a szén-dioxid-mentesítést, az olyan iparágak, mint a légi közlekedés, relatív kibocsátási aránya, amelyeket „nehéz csökkenteni”, elkerülhetetlenül növekedni fog. Ha a légiközlekedési ágazat előre jelzett éves növekedési üteme a következő 20 évben ellenőrizetlen marad, a kibocsátás 2040-re 11 %-kal nőhet [2]. Aggodalomra ad okot, hogy 2050-re a globális szén-dioxid-kibocsátás 25 %-a származhat a légi közlekedésből. Következésképpen az alternatív energiaforrások, mint a hidrogén-üzemanyagcellák, a bioüzemanyagok és a napelemek jelentős kutatási témává váltak a légiközlekedési szektorban [3]. A légi közlekedés, különösen a polgári légi közlekedés szén-dioxid-mentesítése és villamosítása sürgető globális kényszerré vált [4,5].

A többrotoros pilóta nélküli légi járművek (UAV) a légiközlekedési ipar szerves részét képezik, és széles körben használják olyan alkalmazásokban, mint a mezőgazdaság, az erdészet, a regionális ellenőrzések, valamint a rövid-{1}}közepes{2}} gyors szállítás [6,7]. A megfelelő kutatások, amelyek a repülési paraméterek szabályozására, az útvonaltervezésre és a repülési struktúrák optimalizálására összpontosítanak a teljesítmény növelésére, szintén feltörekvőben vannak [[8], [9], [10]]. A legtöbb jelenleg kereskedelmi forgalomban kapható többrotoros UAV-nak azonban a lítium akkumulátorokra való támaszkodása a fő korlátja. Ezek az UAV-k általában felszálló{8}}tömegeket mutatnak<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.

Jelenleg a legkorszerűbb--lítium-polimer akkumulátorok 130–200 Wh/kg fajlagos energiát biztosítanak. Figyelembe véve a jövő akkumulátortechnológiáiban rejlő lehetőségeket, az új technológiákkal 250 Wh/kg-ot is elérő számított hatótávolság várható [14,15]. Barke et al. [16] felvázolta a lítium-kén akkumulátorok kilátásait és technikai kihívásait. Bár a 400 Wh/kg-ot meghaladó fajlagos energiasűrűség jelentősen csökkentheti a meghajtórendszer tömegét a hagyományos akkumulátorokhoz képest, ami versenyképessé tenné a lítium{16}kéntartalmú akkumulátorokat, rövid átlagos élettartamuk akadályozza alkalmazásukat. Yap és mtsai. [17] a könnyű UAV-kat kutatta a 3D nyomtatást alkalmazó additív gyártás és a topológiai szerkezet-optimalizálás kombinációjával. Yuan et al. [18] a tervezési paraméterek – például a légcsavar sugara, a légcsavar sebessége, a légcsavarlapátok száma, a húrszélesség és az elfordulási szög – hatását vizsgálta a repülőgép repülési dinamikájára és teljesítményére. Az Adkins-Liebeck tervezési módszerrel optimalizálták a penge kialakítását, ami körülbelül 3%-kal csökkentette a repülőgép energiafogyasztását. Huang et al. [19] egy hangyatelep-algoritmuson alapuló feladatütemezési és útvonaltervezési módszert javasolt UAV-kból és teherautókból álló kombinált flottához, hogy javítsa az UAV-rajok logisztikai célú szállítási hatékonyságát. Ez a megközelítés jelentősen megnövelte az akkumulátoros{33}}UAV-k működési lefedettségi sugarát.

A lítium akkumulátorok energiasűrűsége azonban azt jelenti, hogy a fent említett{0}}módszerek viszonylag korlátozott hatással vannak az UAV hatótávolságának kiterjesztésére. Ezen túlmenően, a többlettömeg jelentős energiaigénye miatt, pusztán több akkumulátor hozzáadása nem növeli meg lényegesen a maximális hatótávolságot. Következésképpen sürgető szükség van az erőátviteli fejlesztések feltárására a fajlagos energia növelése érdekében.

A hidrogén a hagyományos kerozinhoz képest háromszor- nagyobb energiasűrűségével potenciális nagy-távú repülési energiamegoldás ígéretes. Jelenleg az elterjedt üzemanyagcellás hibrid rendszerek 250 és 540 Wh/kg közötti specifikus energiaszintet biztosítanak [20]. Az üzemanyagcellás meghajtási rendszerek alkalmazása népszerű kutatási téma a repülésben [21]. Ilyen például a Horizon Energy Systems Aerostack sorozat [22]. A léghűtéses üzemanyagcellákat számos UAV-ba sikeresen integrálták [[23], [24], [25], [26], [27]].

Az alacsony hőmérsékletű protoncserélő membrán üzemanyagcellás (PEMFC) kötegekben az UAV-k esetében a léghűtést preferálják Santos [29] és Boukoberine et al. [30] valós repülési tesztadatokat használt fel a hozzávetőlegesen 300 W, illetve 1400 W teljesítményigényű, üzemanyagcellás -meghajtású többrotoros UAV-k tervezésére és kialakítására. Lee et al. [31] rámutatott arra, hogy a passzív léghűtés, amelyet gyakran használnak a kisméretű, 1-2 kW teljesítményigényű PEMFC-eszközökben, magában foglalja a reaktáns és a hűtőközeg levegő beszívását és elosztását a kötegben, ugyanazon ventilátorok használatával. Az Intelligent Energy Ltd. [32] azt állítja, hogy 4,8 kW névleges teljesítményigényű UAV-okhoz léghűtéses tüzelőanyagcellákkal ellátott energiarendszereket biztosít. A fentiek alapján kimutatható, hogy a szabadon -lélegző passzív-hűtött köteg alkalmazása megvalósítható, mivel a 0 és 4,8 kW közötti teljesítményű üzemanyagcellák jellemzően ventilátorokkal vannak felszerelve, amelyek biztosítják a hűtéshez és reakcióhoz szükséges légáramlást.

Bár az üzemanyagcelláknak előnyei vannak az energiasűrűség tekintetében, manőverezhetőségüket nehezíti a viszonylag alacsony teljesítménysűrűség, a hosszú késleltetés és a lassú reakciók [33]. Ezzel szemben a lítium akkumulátorok, amelyek potenciálisan nem rendelkeznek nagy hatótávolságú-képességekkel, nagyobb teljesítményt biztosítanak, és fokozott dinamikus válaszképességet biztosítanak, különösen nagy-teljesítményű tranziensek esetén, például amikor az UAV gyorsan átvált az utazásról lebegési vagy leszállási fázisra [34]. Ezért az ilyen forgatókönyvekben a lítium akkumulátorok és az üzemanyagcellák kombinálása hibrid meghajtórendszerek kialakítására megvalósítható stratégia az UAV-k magas energia- és teljesítménysűrűségének eléréséhez [35]. A hatékony energiagazdálkodási stratégiák tovább járulnak a hibrid üzemanyagcellás -UAV-k hatótávolságának és környezeti robusztusságának növeléséhez [36,37]. Ennélfogva az alacsony{12}}teljesítményű üzemanyagcellás UAV-k esetében a léghűtéses, lítium akkumulátorokkal kevert üzemanyagcellák használata életképes megoldás, amely egyensúlyban tartja a maximális hatótávolságot és a válaszidőt.

A fentiekből kitűnik, hogy a hidrogén üzemanyagcellák és az alacsony{0}}magassági gazdaságosság egyre inkább a globális figyelem középpontjába kerül. A kiváló energiasűrűségükkel rendelkező hidrogén-üzemanyagcellák megoldást jelentenek a lítiumelemes -UAV-k hiányosságaira, és elősegítik a szén-dioxid-mentesítést a légi közlekedésben. Annak ellenére azonban, hogy a lítiumelemes{4}}UAV-k nem tartósak a gyakorlati alkalmazásokban, ami azt jelzi, hogy az üzemanyagcellák energiasűrűsége nagyobb, mint a lítium akkumulátoroké, a jelenlegi kutatások nagy része az üzemanyagcellás-UAV-k energiagazdálkodási stratégiáira összpontosít. Ezek a stratégiák a valós idejű energiaigényt használják bemenetként a különböző energiaforrásokhoz tartozó energiaelosztási sémák levezetéséhez algoritmusok segítségével. Ez nem különbözik lényegesen attól az energiagazdálkodási stratégiai kutatástól, amelyet csapatunk korábban az üzemanyagcellás{9}}járműveken végzett [38,39]. Az összetett tartozékok hiánya miatt a lítium akkumulátorok gyakran előnyt jelentenek a kisebb teljesítménytartományokon belül. Jelenleg kevés irodalom áll rendelkezésre arról, hogy az üzemanyagcellás hibrid meghajtórendszerek milyen küszöbértéknél teljesítik felülmúlják a lítium akkumulátoros meghajtórendszereket.

Ebben a tanulmányban két olyan probléma áll a középpontban, amelyeket gyakran figyelmen kívül hagytak az üzemanyagcellás{0}}UAV-kkal kapcsolatos korábbi tanulmányok során. Először is, konkrét modellek és repülési profilok esetében javasoltak egy módszert a lítium akkumulátoros meghajtórendszerek tüzelőanyagcellás hibrid meghajtási rendszerekkel történő cseréjéhez szükséges peremfeltételek kiszámítására oly módon, hogy meghatározzák azt a tartományt, amelyen belül az üzemanyagcellák alkalmasabbak az UAV alkalmazásokhoz. Másodszor, az üzemanyagcellás UAV alkalmazási forgatókönyvek egyedi szempontjait elemezzük; különösen fontos az energiaigényi oldalra gyakorolt ​​hatásuk.

A valós idejű energiaigényt használó energiagazdálkodási stratégiák kialakításának egyik előfeltétele{0}}, hogy megértsük az UAV-k energiaigényének és kínálatának változásait a különböző környezetekben, amelyek a stratégiaalkotási folyamat peremfeltételei. A gyakorlati alkalmazásokban a nagy magasságban működő UAV-k általában több energiát igényelnek a stabil repülés fenntartásához a környezeti hőmérséklet és a levegő sűrűsége változásai miatt [40]. Ezenkívül további figyelmet igényel a magasságváltozások hatása az üzemanyagcellák hűtésére [41]. Ozbek et al. [42] hangsúlyozta, hogy az UAV teljesítményigényét és hőmérséklet-változásait egyszerre kell figyelembe venni, hogy biztosítsák ezek összehangolását. Az üzemanyagcellás rendszer az UAV törzsében található, és közvetlenül kívülről szívja be a környezeti levegőt, amelyet közvetlenül befolyásolnak a külső környezeti tényezők. Egyrészt a levegő sűrűségének csökkenése az UAV-k energiaigényének növekedéséhez vezet, ami fokozott hőkibocsátást eredményez az üzemanyagcella-kötegből. Ezzel egyidejűleg az üzemanyagcella-köteg hőleadási sebessége a környezeti változásokkal változhat, a híg levegő pedig csökkenti a konvektív hőátbocsátási tényezőt. A külső hőmérséklet csökkenése azonban növeli a hőmérséklet-különbséget a köteg és a környezet között, ami elősegíti a hőcsere fokozását a köteg és a környezet között.

Ez a tanulmány a 25 kg maximális felszállótömegű (MTOW) hexakopter UAV-kra korlátozta a kutatási tárgyát, és feltárta a magasság hatását az üzemanyagcellás -UAV-kra. Az energiagazdálkodási stratégiák kidolgozásakor az volt a megközelítés, hogy maximalizálják az üzemanyagcellás meghajtórendszer teljesítményét, miközben lehetővé tették a lítium akkumulátorok számára, hogy gyorsan reagáljanak az energiaigényekre, ahelyett, hogy olyan stratégiákat terveztek volna, amelyek az összes rendelkezésre álló energiát felhasználják vagy a hatótávolságot maximalizálják. Egy irodalmi áttekintésen, a Simulink modellezésen és az ANSYS szimuláción keresztül ennek a tanulmánynak az a célja, hogy tisztázza azt a tartományt, amelyen belül gazdaságosabb választás az üzemanyagcellák használata UAV-kban, megértse a különböző tömegű üzemanyagcellás UAV-k maximális repülési határait, megértse az egyedi alkalmazási forgatókönyvek által az üzemanyagcellás{6}}repülőgépek számára jelentett kihívásokat, és azonosítsa a lehetséges megoldásokat.

A cikk további része a következőképpen van felszerelve. A 2. szakaszban az UAV teljesítményigényének modellezési módszerei, 3. A meghajtórendszer tervezési és összehangolási módszerei, 4. A hőelvezetési levegő sztöchiometrikus arányának kiszámítási módszerei az UAV teljesítményigényének kiszámítására, az üzemanyagcellás -meghajtású UAV meghajtórendszerek hűtésére és a légáramlás kiszámítására szolgáló módszereket mutatnak be. A szimuláció eredményeit az 5. szakasz tárgyalja. Végül a 6. részben egy megbeszélést és a következtetéseket mutatjuk be.