Drivstoffceller for ubemannede luftfartøyer med flere rotorer: En sammenlignende studie av energilagring og ytelsesanalyse

I 2019 nådde globale karbondioksidutslipp 920 millioner tonn [1]. Karbonutslipp fra alle transportformer utgjorde omtrent 21 % av de totale utslippene, med luftfartsindustrien som en betydelig bidragsyter. For øyeblikket representerer luftfartsutslipp omtrent 12 % av alle transportrelaterte-utslipp, med forbrenning av flyparafin som står for 79 % av luftfartsindustriens utslipp. Selv om den totale andelen av utslippene fra luftfartsindustrien kanskje ikke virker særlig betydelig for øyeblikket, er avkarboniseringsprosessen av flyparafin relativt langsom sammenlignet med andre transportsektorer. Climate Action Tracker har også markert luftfartsindustriens fremgang i karbonnøytralitet som «utilstrekkelig». Ettersom andre bransjer omfavner dekarbonisering, vil den relative utslippsandelen til industrier som luftfart, som er "vanskelige å redusere", uunngåelig øke. Hvis den anslåtte årlige vekstraten for luftfartsindustrien forblir ukontrollert de neste 20 årene, kan utslippene øke med 11 % innen 2040 [2]. Innen 2050 er en bekymringsfull utsikter at 25 % av globale karbonutslipp kan stamme fra luftfartsindustrien. Følgelig har alternative energikilder som hydrogenbrenselceller, biodrivstoff og solcellepaneler blitt viktige forskningstemaer i luftfartssektoren [3]. Dekarbonisering og elektrifisering av luftfart, spesielt sivil luftfart, har blitt presserende globale imperativer [4,5].

Multirotor ubemannede luftfartøyer (UAV) er en integrert del av luftfartsindustrien og er mye brukt i applikasjoner som landbruk, skogbruk, regionale inspeksjoner og kort-til middels-hurtig transport [6,7]. Tilsvarende forskning som tar sikte på å forbedre ytelsen ved å fokusere på kontroll av flyparametere, ruteplanlegging og optimalisering av flystrukturer, er også voksende [[8], [9], [10]]. Imidlertid er en viktig begrensning for de fleste tilgjengelige kommersielle multirotor-UAV-er deres avhengighet av litiumbatterier. Disse UAV-ene viser vanligvis take-masser<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.

For tiden gir-moderne--litium-polymerbatterier spesifikke energier i området 130–200 Wh/kg. Med tanke på potensialet til fremtidige batteriteknologier, forventes en beregnet rekkevidde med nye teknologier som når 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] skisserte utsiktene og de tekniske utfordringene litium-svovelbatterier står overfor. Selv om en høy spesifikk energitetthet over 400 Wh/kg kan redusere fremdriftssystemets masse betydelig sammenlignet med konvensjonelle batterier, noe som vil gjøre litium{16}}svovelbatterier konkurransedyktige, hindrer deres korte gjennomsnittlige levetid bruken av dem. Yap et al. [17] utforsket lette UAV-er gjennom en kombinasjon av additiv produksjon ved bruk av 3D-utskrift og topologisk strukturoptimalisering. Yuan et al. [18] undersøkte virkningen av designparametere som propellradius, propellhastighet, antall propellblader, kordebredde og pre{24}}vrivinkel på flydynamikken og ytelsen til et fly. Ved å bruke Adkins-Liebeck-designmetoden optimaliserte de bladdesignet, noe som resulterte i en reduksjon på omtrent 3 % i flyets strømforbruk. Huang et al. [19] foreslo en oppgaveplanlegging og bane{31}}metode for en kombinert flåte av UAV-er og lastebiler basert på en maurkolonialgoritme for å forbedre transporteffektiviteten til UAV-svermer for logistikk. Denne tilnærmingen utvidet den operasjonelle dekningsradiusen til batteridrevne-UAVer betydelig.

Energitettheten til litiumbatterier betyr imidlertid at de -nevnte metodene har en relativt begrenset innvirkning på utvidelse av UAV-rekkevidden. I tillegg, på grunn av det betydelige kraftbehovet til den ekstra massen, utvider ikke bare å legge til flere batterier den maksimale rekkevidden vesentlig. Følgelig er det et presserende behov for å utforske drivverksforbedringer for å øke spesifikk energi.

Hydrogen, med sin tre-ganger høyere energitetthet sammenlignet med tradisjonell parafin, lover som en potensiell-flykraftløsning med lang rekkevidde. For tiden gir vanlige brenselcellehybridsystemer spesifikke energinivåer fra 250 til 540 Wh/kg [20]. Anvendelsen av brenselcellefremdriftssystemer er et populært forskningstema innen luftfart [21]. Et eksempel er Horizon Energy Systems Aerostack-serien [22]. Luftkjølte-brenselceller har blitt integrert i en rekke UAV-er [[23], [24], [25], [26], [27]].

Preferansen for luft-kjøling i lav-temperatur proton exchange membrane brenselcelle (PEMFC) stabler i UAV-er skyldes strenge vekt- og plassbegrensninger [28]. Santos [29] og Boukoberine et al. [30] brukte ekte flytestdata for å utvikle design- og formuleringsstrategier for brenselcelledrevne multirotor-UAV-er med kraftbehov på henholdsvis ca. 300 W og 1400 W. Lee et al. [31] påpekte at passiv luftkjøling, som ofte brukes i små -PEMFC-enheter med strømkrav fra 1 til 2 kW, innebærer å trekke inn og distribuere både reaktant- og kjølevæskeluft gjennom stabelen ved å bruke de samme viftene. Intelligent Energy Ltd. [32] hevder å tilby kraftsystemer med luft{19}}kjølte brenselceller for UAV-er med et nominelt effektbehov på 4,8 kW. Fra ovenstående kan det demonstreres at bruk av en fri-pustende passiv-avkjølt stabel er mulig fordi brenselceller med effekter fra 0 til 4,8 kW vanligvis er utstyrt med vifter som gir den nødvendige luftstrømmen for kjøling og reaksjon.

Selv om brenselceller har fordeler når det gjelder energitetthet, er deres manøvrerbarhet hemmet av deres relativt lave effekttetthet, lange tidsforsinkelser og langsomme responser [33]. Derimot kan litiumbatterier, som potensielt mangler lang rekkevidde, levere en høyere effekt, og gi forbedrede dynamiske responsegenskaper, spesielt under høye-effekttransienter som når en UAV raskt bytter fra cruise- til sveve- eller nedstigningsfaser [34]. Derfor, i slike scenarier, er det å kombinere litiumbatterier med brenselceller for å danne hybride fremdriftssystemer en gjennomførbar strategi for å oppnå høy energi- og krafttetthet i UAV-er [35]. Effektive energistyringsstrategier bidrar ytterligere til å utvide rekkevidden og den miljømessige robustheten til hybrid brenselcelledrevne-UAV-er [36,37]. Derfor, for lav-effekt brenselcelle-UAV, er bruk av luft-kjølte brenselceller blandet med litiumbatterier en levedyktig løsning som balanserer maksimal rekkevidde og responstid.

Fra ovenstående er det klart at hydrogenbrenselceller og lav-høydeøkonomi i økende grad blir fokuspunkter for global oppmerksomhet. Hydrogenbrenselceller, med sin overlegne energitetthet, dukker opp som en løsning for å løse manglene ved litiumbatteridrevne UAV-er- og fremme avkarbonisering i luftfartsindustrien. Til tross for litiumbatteridrevne-UAV-er som mangler holdbarhet i praktiske applikasjoner, noe som indikerer at energitettheten til brenselceller er høyere enn for litiumbatterier, konsentrerer den nåværende hovedtyngden av forskning seg om energistyringsstrategiene til brenselcelledrevne-UAV-er. Disse strategiene bruker sanntid-kraftbehov som input for å utlede kraftallokeringsskjemaer for forskjellige strømkilder ved hjelp av algoritmer. Dette er ikke vesentlig forskjellig fra forskningen om energistyringsstrategi som tidligere ble utført av teamet vårt på brenselcelledrevne-kjøretøyer [38,39]. På grunn av fraværet av komplekst tilbehør, har litiumbatterier ofte fordeler innenfor mindre effektområder. Foreløpig er det lite litteratur om terskelen der brenselcellehybride fremdriftssystemer utkonkurrerer litiumbatterifremdriftssystemer.

I denne studien fokuseres det på to problemer som ofte har blitt oversett i tidligere studier av brenselcelledrevne-UAV-er. For det første, for spesifikke modeller og flyprofiler, ble det foreslått en metode for å beregne grensebetingelsene for å erstatte litiumbatterifremdriftssystemer med brenselcelle hybrid fremdriftssystemer, ved å bestemme området innenfor hvilket brenselceller er mer passende for UAV-applikasjoner. For det andre analyseres de unike aspektene ved bruksscenarier for brenselcelle-UAV; spesielt viktig er deres innvirkning på kraftbehovssiden.

En forutsetning for å formulere energistyringsstrategier ved å bruke sann-tidskraftetterspørsel som input, er å forstå variasjonene i kraftbehov og -forsyning for UAV-er i forskjellige miljøer, som er grensebetingelser for strategiformuleringsprosessen. I praktiske applikasjoner krever UAV-er som opererer i store høyder vanligvis mer energi for å opprettholde en stabil flyging på grunn av endringer i miljøtemperatur og lufttetthet [40]. I tillegg krever virkningen av høydeendringer på brenselcellekjøling ytterligere oppmerksomhet [41]. Ozbek et al. [42] understreket nødvendigheten av samtidig å vurdere UAV-kraftkravene og temperaturendringer for å sikre koordinering. Brenselcellesystemet er plassert inne i flykroppen til UAV-en, og trekker direkte inn luft fra utsiden, som er direkte påvirket av eksterne miljøfaktorer. På den ene siden fører en reduksjon i lufttetthet til en økning i kraftbehovet til UAV, noe som resulterer i økt varmeutslipp fra brenselcellestabelen. Samtidig kan varmespredningshastigheten til brenselcellestabelen variere med miljøendringer, og tynn luft reduserer den konvektive varmeoverføringskoeffisienten. En reduksjon i den ytre temperaturen øker imidlertid temperaturforskjellen mellom stabelen og miljøet, noe som bidrar til å forbedre varmevekslingen mellom stabelen og miljøet.

Denne artikkelen begrenset forskningsobjektet til heksakopter-UAV-er med en maksimal-startvekt (MTOW) på 25 kg, og utforsket virkningen av høyde på brenselcelledrevne UAV-er.- Ved å formulere energistyringsstrategier var tilnærmingen som ble tatt, å maksimere ytelsen til brenselcellefremdriftssystemet samtidig som litiumbatterier kunne reagere raskt på strømbehov i stedet for å designe strategier for å bruke all tilgjengelig energi eller maksimere rekkevidden. Gjennom en litteraturgjennomgang, Simulink-modellering og ANSYS-simulering, har denne studien som mål å klargjøre rekkevidden som bruk av brenselceller i UAV er et mer økonomisk valg innenfor, forstå de maksimale flygrensene for brenselcelledrevne UAVer med ulike masser, forstå utfordringene som unike applikasjonsscenarier utgjør for brenselcelledrevne UAVer, og identifisere mulige løsninger.

Resten av denne artikkelen er organisert som følger. Avsnitt 2 Metoder for modellering av UAV-effektbehov, 3 Metoder for å designe og matche fremdriftssystemet, 4 Metode for beregning av luftstøkiometrisk forhold for varmespredning presenterer metoder for beregning av UAV-effektbehov, matching av brenselcelledrevne UAV-fremdriftssystemer og beregning av nødvendig luftstrøm for kjøling av brenselceller. Simuleringsresultatene er omtalt i kapittel 5. Til slutt presenteres en diskusjon og konklusjoner i kapittel 6.