Palivové články pro vícerotorové bezpilotní letouny: Srovnávací studie skladování energie a analýzy výkonu

V roce 2019 dosáhly celosvětové emise oxidu uhličitého 920 milionů tun [1]. Emise uhlíku ze všech druhů dopravy se na celkových emisích podílely přibližně 21 %, přičemž významnou měrou se na nich podílel letecký průmysl. V současnosti představují emise z letectví přibližně 12 % všech emisí souvisejících s dopravou-, přičemž spalování leteckého petroleje představuje 79 % emisí leteckého průmyslu. Zatímco celkový podíl emisí z leteckého průmyslu se v současnosti nemusí zdát nijak zvlášť významný, proces dekarbonizace leteckého petroleje je ve srovnání s jinými odvětvími dopravy relativně pomalý. Climate Action Tracker také označil pokrok leteckého průmyslu v uhlíkové neutralitě za „nedostatečný“. Vzhledem k tomu, že ostatní průmyslová odvětví přijmou dekarbonizaci, relativní podíl emisí odvětví, jako je letectví, které je „obtížné snížit“, nevyhnutelně vzroste. Pokud předpokládané roční tempo růstu leteckého průmyslu zůstane v příštích 20 letech nekontrolované, mohou se emise do roku 2040 zvýšit o 11 % [2]. Do roku 2050 je znepokojivá vyhlídka, že 25 % celosvětových emisí uhlíku by mohlo pocházet z leteckého průmyslu. V důsledku toho se alternativní zdroje energie, jako jsou vodíkové palivové články, biopaliva a solární panely, staly významnými výzkumnými tématy v odvětví letectví [3]. Dekarbonizace a elektrifikace letectví, zejména civilního, se staly naléhavými globálními imperativy [4,5].

Vícerotorové bezpilotní letouny (UAV) jsou nedílnou součástí leteckého průmyslu a jsou široce používány v aplikacích, jako je zemědělství, lesnictví, regionální inspekce a rychlá přeprava na krátké{1}}až střední{2}}dopravy [6,7]. Odpovídající výzkum zaměřený na zvýšení výkonu se zaměřením na kontrolu letových parametrů, plánování tras a optimalizaci letových struktur také narůstá [[8], [9], [10]]. Klíčovým omezením většiny v současnosti dostupných komerčních vícerotorových UAV je však jejich závislost na lithiových bateriích. Tyto UAV obvykle vykazují vzletové-masy<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.

V současné době-nejmodernější--lithium-polymerové baterie poskytují specifické energie v rozsahu 130–200 Wh/kg. S ohledem na potenciál budoucích bateriových technologií se předpokládá vypočítaný dojezd s novými technologiemi dosahující 250 Wh/kg [14,15]. Barke a kol. [16] nastínil vyhlídky a technické výzvy, kterým čelí lithium-sirné baterie. Ačkoli by vysoká měrná hustota energie přesahující 400 Wh/kg mohla výrazně snížit hmotnost pohonného systému ve srovnání s konvenčními bateriemi, což by lithium-sirné baterie učinilo konkurenceschopnými, jejich krátká průměrná životnost brání jejich použití. Yap a kol. [17] zkoumali lehké UAV pomocí kombinace aditivní výroby pomocí 3D tisku a optimalizace topologické struktury. Yuan a kol. [18] zkoumali vliv konstrukčních parametrů, jako je poloměr vrtule, rychlost vrtule, počet listů vrtule, šířka tětivy a úhel předtočení na dynamiku letu a výkon letadla. Pomocí metody Adkins{26}}Liebeck design optimalizovali konstrukci lopatky, což vedlo ke snížení spotřeby energie letadla přibližně o 3 %. Huang a kol. [19] navrhli metodu plánování úkolů a{31}}tras pro kombinovanou flotilu UAV a nákladních vozidel založenou na algoritmu mravenčí kolonie, aby se zvýšila efektivita přepravy rojů UAV pro logistiku. Tento přístup výrazně rozšířil operační dosah bateriově napájených UAV{33}.

Energetická hustota lithiových baterií však znamená, že výše-uvedené metody mají relativně omezený dopad na rozšíření dosahu UAV. Kromě toho, vzhledem ke značné spotřebě energie dodatečné hmoty, pouhé přidání více baterií podstatně neprodlužuje maximální dojezd. V důsledku toho existuje naléhavá potřeba prozkoumat vylepšení hnacího ústrojí pro zvýšení specifické energie.

Vodík se svou trojnásobně-vyšší hustotou energie ve srovnání s tradičním petrolejem je slibným potenciálním-řešením energie pro let s dlouhým dosahem. V současné době běžné hybridní systémy s palivovými články poskytují specifické úrovně energie v rozmezí od 250 do 540 Wh/kg [20]. Aplikace pohonných systémů s palivovými články je populárním výzkumným tématem v letectví [21]. Jedním z příkladů je řada Horizon Energy Systems Aerostack [22]. Vzduchem{12}chlazené palivové články byly úspěšně integrovány do mnoha UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Upřednostňování vzduchového-chlazení v nízkoteplotních soustavách palivových článků s protonovou výměnnou membránou (PEMFC) v UAV vychází z přísných hmotnostních a prostorových omezení [28]. Santos [29] a Boukoberine et al. [30] použili údaje z reálných letových testů k vývoji návrhových a formulačních strategií pro vícerotorové UAV poháněné palivovými články- s požadavky na výkon přibližně 300 W a 1 400 W, v tomto pořadí. Lee a kol. [31] poukázali na to, že pasivní vzduchové chlazení, které se často používá v malých-zařízeních PEMFC s požadavky na výkon od 1 do 2 kW, zahrnuje nasávání a distribuci reaktantu i chladicího vzduchu do komína pomocí stejných ventilátorů. Intelligent Energy Ltd. [32] tvrdí, že poskytuje energetické systémy vzduchem{19}chlazeným palivovým článkům pro UAV s jmenovitým výkonem 4,8 kW. Z výše uvedeného lze demonstrovat, že přijetí volně chlazeného -pasivního{23}}chlazeného zásobníku je proveditelné, protože palivové články s výkonem od 0 do 4,8 kW jsou obvykle vybaveny ventilátory, které zajišťují potřebné proudění vzduchu pro chlazení a reakci.

Přestože palivové články mají výhody z hlediska hustoty energie, jejich manévrovatelnost je omezena jejich relativně nízkou hustotou výkonu, dlouhými časovými prodlevami a pomalými odezvami [33]. Naproti tomu lithiové baterie, které potenciálně postrádají schopnosti dlouhého dosahu, mohou poskytovat vyšší výstupní výkon a poskytovat vylepšené možnosti dynamické odezvy, zejména během přechodných situací s vysokým-výkonem, například když UAV rychle přechází z fáze plavby do fáze visení nebo klesání [34]. Proto je v takových scénářích kombinování lithiových baterií s palivovými články za účelem vytvoření hybridních pohonných systémů proveditelnou strategií k dosažení vysoké hustoty energie a výkonu v UAV [35]. Efektivní strategie řízení energie dále přispívají k rozšíření dosahu a odolnosti vůči životnímu prostředí hybridních bezpilotních letounů-napájených palivovými články [36,37]. Pro nízkoenergetické UAV s palivovými články je proto použití vzduchem chlazených palivových článků smíchaných s lithiovými bateriemi schůdným řešením, které vyvažuje maximální dojezd a dobu odezvy.

Z výše uvedeného je zřejmé, že vodíkové palivové články a ekonomika v-nízké nadmořské výšce se stále více stávají středem celosvětové pozornosti. Vodíkové palivové články se svou vynikající hustotou energie se objevují jako řešení pro řešení nedostatků lithiových baterií-napájených UAV a podporu dekarbonizace v leteckém průmyslu. Navzdory tomu, že bezpilotní letadla napájená lithiovými bateriemi-postrádají v praktických aplikacích dlouhou životnost, což naznačuje, že energetická hustota palivových článků je vyšší než hustota lithiových baterií, současný objem výzkumu se soustředí na strategie řízení energie u bezpilotních letounů napájených palivovými články-. Tyto strategie využívají poptávku po energii v reálném čase{7}} jako vstup k odvození schémat přidělování energie pro různé zdroje energie pomocí algoritmů. To se podstatně neliší od výzkumu strategie energetického managementu, který dříve provedl náš tým na vozidlech poháněných palivovými články- [38,39]. Vzhledem k absenci složitého příslušenství mají lithiové baterie často výhody v menších výkonových rozsazích. V současné době existuje nedostatek literatury o hranici, při které hybridní pohonné systémy s palivovými články překonávají pohonné systémy s lithiovými bateriemi.

Tato studie se zaměřuje na dva problémy, které byly v předchozích studiích o UAV-napájených palivovými články často přehlíženy. Za prvé, pro konkrétní modely a letové profily byla navržena metoda pro výpočet okrajových podmínek pro nahrazení lithiových bateriových pohonných systémů hybridními pohonnými systémy s palivovými články, a to určením rozsahu, ve kterém jsou palivové články vhodnější pro aplikace UAV. Za druhé, jsou analyzovány jedinečné aspekty scénářů použití UAV s palivovými články; zvláště důležitý je jejich dopad na stranu poptávky po energii.

Jedním z nezbytných předpokladů pro formulování strategií energetického managementu využívajících poptávku po energii v reálném čase jako vstup je porozumět změnám poptávky a nabídky energie pro UAV v různých prostředích, což jsou okrajové podmínky pro proces formulace strategie. V praktických aplikacích UAV pracující ve vysokých nadmořských výškách obvykle vyžadují více energie k udržení stabilního letu v důsledku změn okolní teploty a hustoty vzduchu [40]. Další pozornost navíc vyžaduje vliv změn nadmořské výšky na chlazení palivových článků [41]. Ozbek a kol. [42] zdůraznili nutnost současného zohlednění požadavků na výkon UAV a teplotních změn, aby byla zajištěna jejich koordinace. Systém palivových článků je umístěn uvnitř trupu UAV a přímo nasává okolní vzduch zvenčí, což je přímo ovlivněno vnějšími faktory prostředí. Na jedné straně vede snížení hustoty vzduchu ke zvýšení spotřeby energie UAV, což má za následek zvýšený odvod tepla ze sady palivových článků. Současně se rychlost rozptylu tepla sady palivových článků může měnit se změnami prostředí a řídký vzduch snižuje koeficient přenosu tepla konvekcí. Snížení vnější teploty však zvyšuje teplotní rozdíl mezi komínem a prostředím, což pomáhá zlepšit výměnu tepla mezi komínem a prostředím.

Tento dokument omezil svůj výzkumný objekt na hexakoptéry UAV s maximální vzletovou hmotností (MTOW) 25 kg a zkoumal vliv nadmořské výšky na bezpilotní letouny poháněné palivovými články-. Při formulování strategií energetického managementu byl zvolen přístup maximalizovat výkon pohonného systému s palivovými články a zároveň umožnit lithiovým bateriím rychle reagovat na požadavky na energii spíše než navrhovat strategie pro využití veškeré dostupné energie nebo maximalizaci dojezdu. Prostřednictvím přehledu literatury, modelování Simulink a simulace ANSYS si tato studie klade za cíl objasnit rozsah, ve kterém je použití palivových článků v UAV ekonomičtější volbou, porozumět maximálním letovým hranicím -UAV poháněných palivovými články s různou hmotností, pochopit výzvy, které představují jedinečné aplikační scénáře pro UAV-na palivové články, a identifikovat možná řešení.

Zbytek tohoto dokumentu je uspořádán následovně. Části 2 Metody pro modelování energetické náročnosti UAV, 3 Metody pro návrh a přizpůsobení pohonného systému, 4 Metoda pro výpočet stechiometrického poměru vzduchu pro odvod tepla představují metody pro výpočet energetické potřeby UAV, přizpůsobení pohonných systémů UAV napájených palivovými články a výpočet požadovaného průtoku vzduchu pro chlazení palivových článků. Výsledky simulace jsou diskutovány v části 5. Nakonec je v části 6 uvedena diskuse a závěry.