Ogniwa paliwowe do wielowirnikowych bezzałogowych statków powietrznych: badanie porównawcze magazynowania energii i analizy wydajności

W 2019 roku światowa emisja dwutlenku węgla sięgnęła 920 mln ton [1]. Emisje dwutlenku węgla ze wszystkich rodzajów transportu stanowiły około 21% całkowitych emisji, przy czym przemysł lotniczy miał w tym znaczący udział. Obecnie emisje z lotnictwa stanowią około 12% wszystkich-emisji związanych z transportem, przy czym spalanie nafty lotniczej odpowiada za 79% emisji przemysłu lotniczego. Chociaż ogólny udział emisji pochodzących z przemysłu lotniczego może obecnie nie wydawać się szczególnie znaczący, proces dekarbonizacji nafty lotniczej jest stosunkowo powolny w porównaniu z innymi sektorami transportu. W ramach narzędzia Climate Action Tracker postęp przemysłu lotniczego w zakresie neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla uznano również za „niewystarczający”. W miarę jak inne gałęzie przemysłu będą dążyć do dekarbonizacji, względny udział emisji takich gałęzi przemysłu jak lotnictwo, które „trudno jest zmniejszyć”, nieuchronnie wzrośnie. Jeżeli prognozowana roczna stopa wzrostu przemysłu lotniczego pozostanie niekontrolowana przez następne 20 lat, emisje mogą wzrosnąć o 11% do 2040 r. [2]. Niepokojącą perspektywą jest to, że do 2050 r. 25% światowych emisji dwutlenku węgla może pochodzić z przemysłu lotniczego. W rezultacie alternatywne źródła energii, takie jak wodorowe ogniwa paliwowe, biopaliwa i panele słoneczne, stały się istotnymi tematami badawczymi w sektorze lotniczym [3]. Dekarbonizacja i elektryfikacja lotnictwa, zwłaszcza lotnictwa cywilnego, stały się pilnymi imperatywami globalnymi [4,5].

Wielowirnikowe bezzałogowe statki powietrzne (UAV) stanowią integralną część przemysłu lotniczego i są szeroko stosowane w takich zastosowaniach, jak rolnictwo, leśnictwo, inspekcje regionalne oraz szybki transport krótkiego i średniego-zasięgu [6,7]. Rozwijają się również odpowiednie badania mające na celu poprawę wydajności poprzez skupienie się na kontroli parametrów lotu, planowaniu trasy i optymalizacji struktur lotu [[8], [9], [10]]. Jednak kluczowym ograniczeniem większości obecnie dostępnych komercyjnych wielowirnikowych UAV jest ich zależność od akumulatorów litowych. Te UAV zazwyczaj mają-masę startową<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.

Obecnie-najnowocześniejsze--baterie litowo-polimerowe zapewniają określoną energię w zakresie 130–200 Wh/kg. Biorąc pod uwagę potencjał przyszłych technologii akumulatorowych, przewiduje się obliczony zasięg przy nowych technologiach sięgający 250 Wh/kg [14,15]. Barke i in. [16] nakreślili perspektywy i wyzwania techniczne stojące przed akumulatorami litowo--siarkowymi. Choć wysoka gęstość energii właściwa przekraczająca 400 Wh/kg mogłaby znacząco zmniejszyć masę układu napędowego w porównaniu z akumulatorami konwencjonalnymi, co uczyniłoby akumulatory litowo--siarkowe konkurencyjnymi, to ich krótka średnia żywotność utrudnia ich zastosowanie. Tak i in. [17] badali lekkie UAV poprzez połączenie wytwarzania przyrostowego z wykorzystaniem druku 3D i optymalizacji struktury topologicznej. Yuan i in. [18] zbadali wpływ parametrów projektowych, takich jak promień śmigła, prędkość śmigła, liczba łopatek śmigła, szerokość cięciwy i kąt{{24}przed skrętem na dynamikę lotu i osiągi samolotu. Stosując metodę projektowania Adkinsa-Liebecka, zoptymalizowali konstrukcję łopat, co spowodowało zmniejszenie zużycia energii przez samolot o około 3%. Huang i in. [19] zaproponowali metodę harmonogramowania zadań i planowania-ścieżek dla połączonej floty UAV i ciężarówek w oparciu o algorytm kolonii mrówek w celu zwiększenia efektywności transportu rojów UAV na potrzeby logistyki. Takie podejście znacznie zwiększyło zasięg operacyjny UAV-zasilanych akumulatorowo.

Gęstość energii akumulatorów litowych powoduje jednak, że-wymienione powyżej metody mają stosunkowo ograniczony wpływ na zwiększenie zasięgu UAV. Dodatkowo, ze względu na duże zapotrzebowanie mocy dodatkowej masy, samo dodanie większej liczby akumulatorów nie zwiększa znacząco maksymalnego zasięgu. W związku z tym istnieje pilna potrzeba zbadania ulepszeń układu napędowego w celu zwiększenia energii właściwej.

Wodór, charakteryzujący się-3-krotnie większą gęstością energii w porównaniu z tradycyjną naftą, jest obiecującym rozwiązaniem jako potencjalne rozwiązanie w zakresie zasilania lotami-na duże odległości. Obecnie popularne systemy hybrydowe ogniw paliwowych zapewniają określone poziomy energii w zakresie od 250 do 540 Wh/kg [20]. Zastosowanie układów napędowych z ogniwami paliwowymi jest popularnym tematem badań w lotnictwie [21]. Jednym z przykładów jest seria Aerostack firmy Horizon Energy Systems [22]. Chłodzone powietrzem-ogniwa paliwowe z powodzeniem zintegrowano w wielu UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Preferencja dla chłodzenia-powietrzem w niskotemperaturowych-komórkach paliwowych z membraną do wymiany protonów (PEMFC) w UAV wynika z rygorystycznych ograniczeń dotyczących masy i przestrzeni [28]. Santos [29] oraz Boukoberine i in. [30] wykorzystali dane z rzeczywistych testów w locie, aby opracować strategie projektowania i formułowania wielowirnikowych UAV napędzanych ogniwami paliwowymi-o zapotrzebowaniu na moc odpowiednio około 300 W i 1400 W. Lee i in. [31] zauważyli, że pasywne chłodzenie powietrzem, które jest często stosowane w-małych urządzeniach PEMFC o zapotrzebowaniu na moc od 1 do 2 kW, polega na zasysaniu i rozprowadzaniu w kominie zarówno powietrza reagenta, jak i chłodziwa, przy użyciu tych samych wentylatorów. Firma Intelligent Energy Ltd. [32] twierdzi, że dostarcza systemy zasilania z ogniwami paliwowymi-chłodzonymi powietrzem dla UAV o znamionowym zapotrzebowaniu na moc 4,8 kW. Z powyższego można wykazać, że zastosowanie chłodzonego komina-oddychającego, pasywnego-jest wykonalne, ponieważ ogniwa paliwowe o mocy od 0 do 4,8 kW są zwykle wyposażone w wentylatory zapewniające przepływ powietrza niezbędny do chłodzenia i reakcji.

Chociaż ogniwa paliwowe mają zalety pod względem gęstości energii, ich zwrotność jest utrudniona przez ich stosunkowo niską gęstość mocy, duże opóźnienia czasowe i powolne reakcje [33]. Z kolei akumulatory litowe, którym potencjalnie brakuje-długiego zasięgu, mogą zapewniać wyższą moc wyjściową, zapewniając lepsze możliwości dynamicznej reakcji, szczególnie podczas stanów nieustalonych-dużej mocy, np. gdy UAV szybko przełącza się z fazy przelotu do fazy zawisu lub opadania [34]. Dlatego w takich scenariuszach łączenie akumulatorów litowych z ogniwami paliwowymi w celu utworzenia hybrydowych układów napędowych jest wykonalną strategią pozwalającą na osiągnięcie dużej gęstości energii i mocy w UAV [35]. Skuteczne strategie zarządzania energią dodatkowo przyczyniają się do zwiększenia zasięgu i odporności na środowisko bezzałogowych statków powietrznych napędzanych-hybrydowymi ogniwami paliwowymi [36,37]. Dlatego w przypadku UAV z ogniwami paliwowymi o małej mocy-stosowanie ogniw paliwowych chłodzonych powietrzem zmieszanych z akumulatorami litowymi jest realnym rozwiązaniem, które równoważy maksymalny zasięg i czas reakcji.

Z powyższego jasno wynika, że ​​wodorowe ogniwa paliwowe i ekonomia-niskich wysokości w coraz większym stopniu stają się centralnymi punktami światowej uwagi. Wodorowe ogniwa paliwowe charakteryzujące się wyjątkową gęstością energii stają się rozwiązaniem pozwalającym wyeliminować niedociągnięcia UAV-zasilanych baterią litową i promować dekarbonizację w przemyśle lotniczym. Jednakże pomimo tego, że UAV-zasilane bateriami litowymi nie są wystarczająco trwałe w praktycznych zastosowaniach, co wskazuje, że gęstość energii ogniw paliwowych jest wyższa niż w przypadku baterii litowych, obecna większość badań koncentruje się na strategiach zarządzania energią w UAV-zasilanych ogniwami paliwowymi. Strategie te wykorzystują-zapotrzebowanie na moc w czasie rzeczywistym jako dane wejściowe do opracowania schematów alokacji mocy dla różnych źródeł energii za pomocą algorytmów. Nie różni się to zasadniczo od badań nad strategią zarządzania energią przeprowadzonych wcześniej przez nasz zespół na temat pojazdów-napędzanych ogniwami paliwowymi [38,39]. Ze względu na brak skomplikowanych akcesoriów baterie litowe często mają zalety w mniejszych zakresach mocy. Obecnie brakuje literatury na temat progu, przy którym hybrydowe systemy napędowe z ogniwami paliwowymi przewyższają systemy napędowe z akumulatorów litowych.

W tym badaniu skupiono się na dwóch kwestiach, które często były pomijane we wcześniejszych badaniach nad UAV-napędzanymi ogniwami paliwowymi. Po pierwsze, dla konkretnych modeli i profili lotu zaproponowano metodę obliczania warunków brzegowych wymiany układów napędowych z baterii litowych na hybrydowe układy napędowe z ogniwami paliwowymi, poprzez określenie zakresu, w którym ogniwa paliwowe są bardziej odpowiednie do zastosowań UAV. Po drugie, analizowane są unikalne aspekty scenariuszy zastosowań UAV z ogniwami paliwowymi; szczególnie istotne jest ich oddziaływanie na stronę zapotrzebowania na moc.

Jednym z warunków wstępnych formułowania strategii zarządzania energią z wykorzystaniem-zapotrzebowania na moc w czasie rzeczywistym jako danych wejściowych jest zrozumienie zmian w zapotrzebowaniu i podaży mocy dla UAV w różnych środowiskach, które stanowią warunki brzegowe procesu formułowania strategii. W zastosowaniach praktycznych UAV działające na dużych wysokościach zazwyczaj wymagają więcej energii do utrzymania stabilnego lotu ze względu na zmiany temperatury otoczenia i gęstości powietrza [40]. Ponadto dalszej uwagi wymaga wpływ zmian wysokości na chłodzenie ogniw paliwowych [41]. Ozbek i in. [42] podkreślili konieczność jednoczesnego uwzględnienia wymagań mocy UAV i zmian temperatury, aby zapewnić ich koordynację. System ogniw paliwowych znajduje się wewnątrz kadłuba UAV i bezpośrednio zasysa powietrze z zewnątrz, na które bezpośrednio wpływają zewnętrzne czynniki środowiskowe. Z jednej strony spadek gęstości powietrza prowadzi do wzrostu zapotrzebowania mocy UAV, co skutkuje zwiększonym odprowadzaniem ciepła ze stosu ogniw paliwowych. Jednocześnie szybkość rozpraszania ciepła przez stos ogniw paliwowych może się zmieniać w zależności od zmian środowiskowych, a rozrzedzone powietrze zmniejsza współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła. Jednakże spadek temperatury zewnętrznej zwiększa różnicę temperatur pomiędzy kominem a otoczeniem, co pomaga poprawić wymianę ciepła pomiędzy kominem a otoczeniem.

W artykule ograniczono przedmiot badań do heksakopterowych UAV o maksymalnej-masie startowej (MTOW) wynoszącej 25 kg i zbadano wpływ wysokości na UAV-napędzane ogniwami paliwowymi. Formułując strategie zarządzania energią, przyjęto podejście polegające na maksymalizacji mocy wyjściowej układu napędowego z ogniwami paliwowymi, przy jednoczesnym umożliwieniu akumulatorom litowym szybkiego reagowania na zapotrzebowanie na moc, zamiast projektowania strategii wykorzystujących całą dostępną energię lub maksymalizujących zasięg. Poprzez przegląd literatury, modelowanie Simulink i symulację ANSYS, niniejsze badanie ma na celu wyjaśnienie zakresu, w jakim wykorzystanie ogniw paliwowych w UAV jest bardziej ekonomicznym wyborem, zrozumienie maksymalnych ograniczeń lotu UAV napędzanych ogniwami paliwowymi-o różnych masach, zrozumienie wyzwań, jakie stwarzają unikalne scenariusze zastosowań dla UAV napędzanych ogniwami paliwowymi-, a także zidentyfikowanie możliwych rozwiązań.

Pozostała część tego artykułu jest zorganizowana w następujący sposób. Rozdziały 2 Metody modelowania zapotrzebowania na moc UAV, 3 Metody projektowania i dopasowywania układu napędowego, 4 Metoda obliczania współczynnika stechiometrycznego powietrza do rozpraszania ciepła przedstawiają metody obliczania zapotrzebowania na moc UAV, dopasowywania systemów napędowych UAV zasilanych ogniwami paliwowymi- oraz obliczania przepływu powietrza wymaganego do chłodzenia ogniw paliwowych. Wyniki symulacji omówiono w rozdziale 5. Na koniec dyskusję i wnioski przedstawiono w rozdziale 6.