Gorivne ćelije za bespilotne letjelice s više rotora: komparativna studija skladištenja energije i analize performansi

Godine 2019. globalne emisije ugljičnog dioksida dostigle su 920 miliona tona [1]. Emisije ugljika iz svih vidova transporta činile su približno 21% ukupnih emisija, pri čemu je značajan doprinos avio industrija. Trenutno, emisije iz avijacije predstavljaju približno 12 % svih emisija- povezanih sa transportom, pri čemu sagorijevanje avio kerozina čini 79 % emisija u avio industriji. Iako se ukupan udio emisija iz avio industrije trenutno ne čini posebno značajnim, proces dekarbonizacije avio kerozina je relativno spor u poređenju sa drugim sektorima transporta. Climate Action Tracker je također označio napredak zrakoplovne industrije u neutralnosti ugljika kao "nedovoljan". Kako druge industrije prihvaćaju dekarbonizaciju, relativni udio emisija u industrijama poput avijacije, koje je "teško smanjiti", neizbježno će se povećati. Ako predviđena godišnja stopa rasta zrakoplovne industrije ostane neprovjerena u narednih 20 godina, emisije se mogu povećati za 11 % do 2040. godine [2]. Do 2050. zabrinjavajuća je perspektiva da bi 25% globalnih emisija ugljika moglo poticati iz avio industrije. Kao posljedica toga, alternativni izvori energije kao što su vodonične gorivne ćelije, biogoriva i solarni paneli postali su značajne teme istraživanja u sektoru zrakoplovstva [3]. Dekarbonizacija i elektrifikacija avijacije, posebno civilnog, postali su hitni globalni imperativi [4,5].

Bespilotne letjelice sa više rotora (UAV) sastavni su dio avio industrije i široko se koriste u primjenama kao što su poljoprivreda, šumarstvo, regionalne inspekcije i brzi-do srednji{2}}brzi transport [6,7]. Odgovarajuća istraživanja usmjerena na poboljšanje performansi fokusiranjem na kontrolu parametara leta, planiranje putanje i optimizaciju struktura leta također su u porastu [[8], [9], [10]]. Međutim, ključno ograničenje većine trenutno dostupnih komercijalnih multirotornih bespilotnih letjelica je njihovo oslanjanje na litijumske baterije. Ovi UAV-ovi obično pokazuju poletne-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,-najsavremenije--litijumske-polimerske baterije pružaju specifične energije u rasponu od 130–200 Wh/kg. Uzimajući u obzir potencijal budućih tehnologija baterija, predviđa se izračunati raspon s novim tehnologijama koji će dostići 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] ocrtao je izglede i tehničke izazove s kojima se suočavaju litijum{13}}sumporne baterije. Iako bi visoka specifična gustina energije koja prelazi 400 Wh/kg mogla značajno smanjiti masu pogonskog sistema u poređenju sa konvencionalnim baterijama, što bi litijum{16}}sumporne baterije učinilo konkurentnim, njihov kratak prosječni vijek trajanja otežava njihovu primjenu. Yap et al. [17] istraživali su lake bespilotne letjelice kroz kombinaciju aditivne proizvodnje koristeći 3D štampanje i optimizaciju topološke strukture. Yuan et al. [18] istraživali su utjecaj projektnih parametara kao što su polumjer propelera, brzina propelera, broj lopatica propelera, širina tetive i ugao pred{24}}okreta na dinamiku leta i performanse zrakoplova. Koristeći Adkins-Liebeckovu metodu dizajna, optimizirali su dizajn lopatica, što je rezultiralo smanjenjem potrošnje energije aviona za približno 3%. Huang et al. [19] je predložio metodu planiranja zadataka i putanje{31}}za kombinovanu flotu bespilotnih letjelica i kamiona zasnovanu na algoritmu kolonije mrava kako bi se poboljšala efikasnost transporta UAV rojeva za logistiku. Ovaj pristup značajno je proširio operativni radijus pokrivenosti bespilotnih letjelica na baterije{33}}.

Međutim, gustoća energije litijumskih baterija znači da gore-navedene metode imaju relativno ograničen uticaj na proširenje dometa UAV-a. Uz to, zbog značajne potražnje za snagom dodatne mase, samo dodavanje više baterija ne produžava značajno maksimalni domet. Shodno tome, postoji hitna potreba da se istraže poboljšanja pogonskog sklopa kako bi se povećala specifična energija.

Vodonik, sa svojom tri-većom gustinom energije u poređenju sa tradicionalnim kerozinom, obećava kao potencijalno-rješenje za snagu leta dugog dometa. Trenutno, uobičajeni hibridni sistemi gorivnih ćelija pružaju specifične nivoe energije u rasponu od 250 do 540 Wh/kg [20]. Primjena pogonskih sistema gorivnih ćelija je popularna tema istraživanja u zrakoplovstvu [21]. Jedan primjer je Horizon Energy Systems Aerostack serija [22]. Gorive ćelije{12}}hlađene zrakom uspješno su integrirane u brojne bespilotne letjelice [[23], [24], [25], [26], [27]].

Prednost za zračno{0}}hlađenje u niskotemperaturnim-gorivim ćelijama s protonskom izmjenom membrane (PEMFC) u bespilotnim letjelicama proizilazi iz strogih ograničenja težine i prostora [28]. Santos [29] i Boukoberine et al. [30] koristili su podatke o stvarnim testovima leta da razviju strategije dizajna i formulacije za višerotorne bespilotne letjelice sa pogonom na gorivne ćelije{7}} sa zahtjevima za snagom od približno 300 W odnosno 1400 W. Lee et al. [31] je istakao da pasivno hlađenje zrakom, koje se često koristi u malim-PEMFC uređajima sa zahtjevima za snagom od 1 do 2 kW, uključuje uvlačenje i distribuciju zraka reaktanta i rashladnog sredstva kroz dimnjak, koristeći iste ventilatore. Intelligent Energy Ltd. [32] tvrdi da obezbjeđuje energetske sisteme sa gorivnim ćelijama{19}}hlađenim zrakom za UAV-ove sa nominalnom snagom od 4,8 kW. Iz gore navedenog, može se pokazati da je usvajanje slobodno-pasivnog-hlađenog sistema za disanje izvodljivo jer su gorive ćelije snage u rasponu od 0 do 4,8 kW obično opremljene ventilatorima koji obezbjeđuju neophodan protok zraka za hlađenje i reakciju.

Iako gorivne ćelije imaju prednosti u smislu gustine energije, njihova manevarska sposobnost je otežana relativno niskom gustinom snage, dugim vremenskim kašnjenjima i sporim odgovorima [33]. Suprotno tome, litijumske baterije, kojima potencijalno nedostaju-mogućnosti dugog dometa, mogu isporučiti veću izlaznu snagu, pružajući poboljšane mogućnosti dinamičkog odgovora, posebno tokom velikih-prelaznih pojava kao što je kada se UAV brzo prebacuje iz faze krstarenja u fazu lebdenja ili spuštanja [34]. Stoga, u takvim scenarijima, kombinacija litijumskih baterija sa gorivnim ćelijama za formiranje hibridnih pogonskih sistema je izvodljiva strategija za postizanje visoke gustine energije i snage u bespilotnim letelicama [35]. Učinkovite strategije upravljanja energijom dodatno doprinose proširenju dometa i otpornosti na okoliš hibridnih bespilotnih letjelica na pogon{8}} [36,37]. Stoga, za bespilotne letjelice male{12}}gorive ćelije, korištenje gorivnih ćelija{13}}hlađenih zrakom pomiješanih s litijumskim baterijama je održivo rješenje koje balansira maksimalni domet i vrijeme odziva.

Iz navedenog je jasno da vodonične gorivne ćelije i ekonomija malih{0}}visina sve više postaju žarište globalne pažnje. Vodikove gorive ćelije, sa svojom superiornom gustinom energije, pojavljuju se kao rješenje za rješavanje nedostataka bespilotnih letjelica na litijumske baterije-i promoviraju dekarbonizaciju u avio industriji. Međutim, uprkos tome što UAV-ovima na litijumske baterije- nedostaje izdržljivost u praktičnim primjenama, što ukazuje na to da je gustoća energije gorivnih ćelija veća od one u litijumskim baterijama, trenutna većina istraživanja koncentriše se na strategije upravljanja energijom bespilotnih letjelica na pogon gorivnih ćelija{5}}. Ove strategije koriste-potražnju energije u realnom vremenu kao ulaz za izvođenje šema alokacije energije za različite izvore energije koristeći algoritame. Ovo se bitno ne razlikuje od istraživanja strategije upravljanja energijom koje je prethodno proveo naš tim na vozilima na pogon gorivnih ćelija- [38,39]. Zbog odsustva složenih dodataka, litijumske baterije često imaju prednosti u manjim rasponima snage. Trenutno postoji malo literature o pragu na kojem hibridni pogonski sistemi sa gorivnim ćelijama nadmašuju pogonske sisteme sa litijumskim baterijama.

U ovoj studiji fokusirana su dva pitanja koja su često bila zanemarena u prethodnim studijama o bespilotnim letjelima{0}}pokrenutim gorivnim ćelijama. Prvo, za specifične modele i profile leta, predložena je metoda za izračunavanje graničnih uslova za zamjenu pogonskih sistema litijumskih baterija hibridnim pogonskim sistemima na gorivne ćelije, određivanjem raspona unutar kojeg su gorive ćelije prikladnije za primjenu UAV. Drugo, analiziraju se jedinstveni aspekti scenarija primjene UAV na gorive ćelije; posebno je važan njihov uticaj na potražnju za električnom energijom.

Jedan od preduvjeta za formulisanje strategija upravljanja energijom koristeći zahtjeve za energijom u stvarnom vremenu-kao ulaz je razumijevanje varijacija u potražnji za energijom i opskrbi UAV-ova u različitim okruženjima, što su granični uvjeti za proces formulacije strategije. U praktičnim primjenama, UAV-i koji rade na velikim visinama obično zahtijevaju više energije za održavanje stabilnog leta zbog promjena u temperaturi okoline i gustoći zraka [40]. Osim toga, utjecaj promjena nadmorske visine na hlađenje gorivnih ćelija zahtijeva dodatnu pažnju [41]. Ozbek i dr. [42] naglasio je neophodnost istovremenog razmatranja zahtjeva za snagom UAV-a i promjena temperature kako bi se osigurala njihova koordinacija. Sistem gorivnih ćelija nalazi se unutar trupa bespilotnog letelice, direktno uvlači vazduh iz okoline izvana, na koji direktno utiču spoljni faktori okoline. S jedne strane, smanjenje gustine zraka dovodi do povećanja potražnje za snagom bespilotnih letjelica, što rezultira povećanim ispuštanjem topline iz gorive ćelije. Istovremeno, brzina disipacije topline iz gorive ćelije može varirati s promjenama okoline, a razrijeđen zrak smanjuje koeficijent konvektivnog prijenosa topline. Međutim, smanjenje vanjske temperature povećava temperaturnu razliku između dimnjaka i okoline, što pomaže poboljšanju razmjene topline između dimnjaka i okoline.

Ovaj rad je ograničio svoj cilj istraživanja na heksakopterske bespilotne letjelice sa maksimalnom-poletnom težinom (MTOW) od 25 kg i istraživao je uticaj visine na bespilotne letjelice na pogon gorivnih ćelija{2}}. U formulisanju strategija upravljanja energijom, pristup koji je zauzet je bio da se maksimizira izlaz pogonskog sistema gorivnih ćelija, dok se litijumskim baterijama omogućava da brzo reaguju na potrebe za energijom, a ne da se dizajniraju strategije za korišćenje sve raspoložive energije ili maksimiziranje dometa. Kroz pregled literature, Simulink modeliranje i ANSYS simulaciju, ova studija ima za cilj pojasniti opseg unutar kojeg je korištenje gorivnih ćelija u bespilotnim letjelicama ekonomičniji izbor, razumjeti granice maksimalnog leta bespilotnih letjelica s pogonom na gorivne ćelije-različite mase, shvatiti izazove koje postavljaju jedinstveni scenariji primjene za moguća rješenja na gorivne ćelije- i identificirati moguća rješenja UAV na gorivne ćelije.

Ostatak ovog rada organiziran je na sljedeći način. Odjeljci 2 Metode za modeliranje potražnje za snagom UAV-a, 3 Metode za projektovanje i usklađivanje pogonskog sistema, 4 Metode za izračunavanje stehiometrijskog omjera zraka za disipaciju topline predstavljaju metode za izračunavanje potražnje za snagom UAV-a, usklađivanje pogonskih sistema UAV-a na pogon gorivnih ćelija{4}} i izračunavanje potrebnih gorivnih ćelija za hlađenje protoka zraka. Rezultati simulacije su razmatrani u Odjeljku 5. Konačno, diskusija i zaključci su predstavljeni u Odjeljku 6.