Pile de combustie pentru vehicule aeriene fără pilot cu mai multe rotoare: un studiu comparativ al stocării energiei și al analizei performanței

În 2019, emisiile globale de dioxid de carbon au ajuns la 920 de milioane de tone [1]. Emisiile de carbon de la toate modurile de transport au reprezentat aproximativ 21 % din totalul emisiilor, industria aviației fiind o contribuție semnificativă. În prezent, emisiile din aviație reprezintă aproximativ 12 % din toate emisiile legate de transport-, arderea kerosenului de aviație reprezentând 79 % din emisiile din industria aviației. Deși proporția globală a emisiilor din industria aviației poate să nu pară deosebit de semnificativă în prezent, procesul de decarbonizare a kerosenului pentru aviație este relativ lent în comparație cu cel al altor sectoare de transport. Climate Action Tracker a marcat, de asemenea, progresul industriei aviatice în neutralitatea carbonului drept „insuficient”. Pe măsură ce alte industrii îmbrățișează decarbonizarea, ponderea relativă a emisiilor din industrii precum aviația, care sunt „dificil de redus”, va crește inevitabil. Dacă rata anuală de creștere estimată a industriei aviației rămâne necontrolată în următorii 20 de ani, emisiile ar putea crește cu 11 % până în 2040 [2]. Până în 2050, o perspectivă îngrijorătoare este că 25 % din emisiile globale de carbon ar putea proveni din industria aviației. În consecință, sursele alternative de energie, cum ar fi pilele de combustibil cu hidrogen, biocombustibilii și panourile solare, au devenit subiecte de cercetare semnificative în sectorul aviației [3]. Decarbonizarea și electrificarea aviației, în special a aviației civile, au devenit imperative globale urgente [4,5].

Vehiculele aeriene fără pilot (UAV) cu mai multe rotoare sunt o parte integrantă a industriei aviației și sunt utilizate pe scară largă în aplicații precum agricultură, silvicultură, inspecții regionale și transport rapid pe distanță scurtă-medie- [6,7]. Cercetările corespunzătoare care vizează îmbunătățirea performanței concentrându-se pe controlul parametrilor de zbor, planificarea traseului și optimizarea structurilor de zbor sunt, de asemenea, în plină dezvoltare [[8], [9], [10]]. Cu toate acestea, o limitare cheie a majorității UAV-urilor comerciale multirotoare disponibile în prezent este dependența lor de bateriile cu litiu. Aceste UAV-uri prezintă de obicei mase-de decolare<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.

În prezent, bateriile--de ultimă generație-litiu-polimer oferă energii specifice în intervalul 130-200 Wh/kg. Având în vedere potențialul tehnologiilor viitoare ale bateriilor, se anticipează o autonomie calculată cu noile tehnologii care ajunge la 250 Wh/kg [14,15]. Barke şi colab. [16] a subliniat perspectivele și provocările tehnice cu care se confruntă bateriile cu litiu-sulf. Deși o densitate de energie specifică ridicată, care depășește 400 Wh/kg, ar putea reduce semnificativ masa sistemului de propulsie în comparație cu bateriile convenționale, ceea ce ar face bateriile cu litiu-competitive, durata de viață medie scurtă a acestora împiedică aplicarea acestora. Yap şi colab. [17] a explorat UAV-urile ușoare printr-o combinație de fabricație aditivă folosind imprimarea 3D și optimizarea structurii topologice. Yuan și colab. [18] a investigat impactul parametrilor de proiectare, cum ar fi raza elicei, viteza elicei, numărul de pale ale elicei, lățimea coardei și unghiul de pre-tortire asupra dinamicii de zbor și a performanței unei aeronave. Folosind metoda de proiectare Adkins-Liebeck, au optimizat designul lamei, rezultând o reducere cu aproximativ 3 % a consumului de energie a aeronavei. Huang şi colab. [19] a propus o metodă de planificare a sarcinilor și de-planificare a traseului pentru o flotă combinată de UAV și camioane bazată pe un algoritm de colonii de furnici pentru a îmbunătăți eficiența transportului roiurilor de UAV pentru logistică. Această abordare a extins semnificativ raza de acoperire operațională a UAV-urilor alimentate cu baterie-.

Cu toate acestea, densitatea de energie a bateriilor cu litiu înseamnă că metodele{0}}menționate mai sus au un impact relativ limitat asupra extinderii gamei UAV. În plus, datorită cererii semnificative de putere a masei suplimentare, simpla adăugare a mai multor baterii nu extinde în mod substanțial intervalul maxim. În consecință, există o nevoie stringentă de a explora îmbunătățirile sistemului de propulsie pentru a crește energia specifică.

Hidrogenul, cu densitatea sa de energie de trei-ori mai mare în comparație cu kerosenul tradițional, este promițător ca o potențială soluție de putere de zbor cu rază lungă-. În prezent, sistemele hibride cu celule de combustie obișnuite furnizează niveluri specifice de energie cuprinse între 250 și 540 Wh/kg [20]. Aplicarea sistemelor de propulsie cu celule de combustibil este un subiect de cercetare popular în aviație [21]. Un exemplu este seria Horizon Energy Systems Aerostack [22]. Pile de combustibil răcite cu aer-au fost integrate cu succes în numeroase UAV-uri [[23], [24], [25], [26], [27]].

Preferința pentru răcirea-aerului în stivele de celule de combustibil cu membrană cu schimb de protoni (PEMFC) cu temperatură joasă{-în UAV-uri rezultă din constrângerile stricte de greutate și spațiu [28]. Santos [29] și Boukoberine și colab. [30] au folosit date reale ale testelor de zbor pentru a dezvolta strategii de proiectare și formulare pentru UAV-uri multirotoare alimentate cu celule de combustibil-cu cerințe de putere de aproximativ 300 W și, respectiv, 1400 W. Lee şi colab. [31] a subliniat că răcirea pasivă cu aer, care este utilizată frecvent în dispozitivele PEMFC la scară mică-cu cerințe de putere de la 1 la 2 kW, implică aspirarea și distribuirea atât a aerului reactant, cât și a lichidului de răcire în întreaga stivă, folosind aceleași ventilatoare. Intelligent Energy Ltd. [32] susține că furnizează sisteme de alimentare cu celule de combustibil răcite cu aer-pentru UAV-uri cu o putere nominală necesară de 4,8 kW. Din cele de mai sus, se poate demonstra că adoptarea unei stive cu răcire pasivă-respirație liberă-este fezabilă, deoarece pilele de combustibil cu puteri cuprinse între 0 și 4,8 kW sunt de obicei echipate cu ventilatoare care asigură fluxul de aer necesar pentru răcire și reacție.

Deși pilele de combustie au avantaje în ceea ce privește densitatea energiei, manevrabilitatea lor este îngreunată de densitatea de putere relativ scăzută, întârzierile mari și răspunsurile lente [33]. În schimb, bateriile cu litiu, cărora le lipsesc posibilitățile cu rază lungă de acțiune-, pot furniza o putere de ieșire mai mare, oferind capacități de răspuns dinamic îmbunătățite, în special în timpul tranzitorii cu putere mare-, cum ar fi atunci când un UAV trece rapid de la fazele de croazieră la fazele de hover sau de coborâre [34]. Prin urmare, în astfel de scenarii, combinarea bateriilor cu litiu cu celule de combustibil pentru a forma sisteme de propulsie hibride este o strategie fezabilă pentru a obține densități mari de energie și putere în UAV-uri [35]. Strategiile eficiente de gestionare a energiei contribuie și mai mult la extinderea autonomiei și a robusteței mediului a UAV-urilor alimentate cu celule de combustibil hibride-[36,37]. Prin urmare, pentru UAV-urile cu celule de combustibil cu putere redusă-, utilizarea pilelor de combustibil răcite cu aer-amestecate cu baterii cu litiu este o soluție viabilă care echilibrează intervalul maxim și timpul de răspuns.

Din cele de mai sus, este clar că pilele de combustie cu hidrogen și economia la altitudine joasă-devin din ce în ce mai mult puncte focale ale atenției globale. Pilele de combustie cu hidrogen, cu densitatea lor superioară de energie, apar ca o soluție pentru a rezolva deficiențele UAV-urilor alimentate cu baterii cu litiu- și pentru a promova decarbonizarea în industria aviației. Cu toate acestea, în ciuda faptului că UAV-urile alimentate cu baterii cu litiu-le lipsesc durabilitatea în aplicațiile practice, ceea ce indică faptul că densitatea de energie a pilelor de combustie este mai mare decât cea a bateriilor cu litiu, cea mai mare parte a cercetărilor se concentrează pe strategiile de gestionare a energiei a UAV-urilor alimentate cu celule de combustibil-. Aceste strategii utilizează cererea de putere-în timp real ca intrare pentru a deriva scheme de alocare a energiei pentru diferite surse de energie folosind algoritmi. Acest lucru nu este substanțial diferit de cercetarea strategiei de management al energiei efectuată anterior de echipa noastră privind vehiculele alimentate cu celule de combustibil-[38,39]. Din cauza absenței accesoriilor complexe, bateriile cu litiu au adesea avantaje în intervale de putere mai mici. În prezent, există o lipsă de literatură cu privire la pragul la care sistemele de propulsie hibridă cu celule de combustibil depășesc sistemele de propulsie cu baterii cu litiu.

În acest studiu, se concentrează pe două probleme care au fost adesea trecute cu vederea în studiile anterioare privind UAV-urile alimentate cu celule de combustibil-. În primul rând, pentru modele și profiluri de zbor specifice, a fost propusă o metodă de calcul a condițiilor limită pentru înlocuirea sistemelor de propulsie cu baterii cu litiu cu sisteme de propulsie hibride cu celule de combustie, prin determinarea intervalului în care pilele de combustibil sunt mai potrivite pentru aplicațiile UAV. În al doilea rând, sunt analizate aspectele unice ale scenariilor de aplicare a UAV cu celule de combustibil; deosebit de important este impactul lor asupra cererii de energie.

O condiție prealabilă pentru formularea strategiilor de gestionare a energiei folosind cererea de energie în timp real-ca intrare este înțelegerea variațiilor cererii și ofertei de energie pentru UAV-uri în diferite medii, care sunt condiții limită pentru procesul de formulare a strategiei. În aplicațiile practice, UAV-urile care funcționează la altitudini mari necesită de obicei mai multă energie pentru a menține un zbor stabil datorită modificărilor temperaturii mediului și densității aerului [40]. În plus, impactul schimbărilor de altitudine asupra răcirii celulelor de combustibil necesită o atenție suplimentară [41]. Ozbek și colab. [42] a subliniat necesitatea de a lua în considerare simultan cerințele de putere a UAV și schimbările de temperatură pentru a asigura coordonarea acestora. Sistemul de celule de combustibil este situat în interiorul fuzelajului UAV-ului, atrăgând direct aerul ambiental din exterior, care este influențat direct de factorii externi de mediu. Pe de o parte, o scădere a densității aerului duce la o creștere a cererii de putere a UAV-urilor, rezultând o descărcare de căldură crescută din stiva de celule de combustibil. Simultan, rata de disipare a căldurii a stivei de celule de combustibil poate varia în funcție de schimbările de mediu, iar aerul subțire reduce coeficientul de transfer de căldură convectiv. Cu toate acestea, o scădere a temperaturii exterioare crește diferența de temperatură dintre stivă și mediu, ceea ce ajută la îmbunătățirea schimbului de căldură între stivă și mediu.

Această lucrare și-a limitat obiectul de cercetare la UAV-urile hexacopter cu o greutate maximă la decolare-de decolare (MTOW) de 25 kg și a explorat impactul altitudinii asupra UAV-urilor alimentate cu celule de combustibil-. În formularea strategiilor de management al energiei, abordarea adoptată a fost de a maximiza randamentul sistemului de propulsie cu celule de combustie, permițând în același timp bateriilor cu litiu să răspundă rapid la cerințele de energie, mai degrabă decât să proiecteze strategii pentru a utiliza toată energia disponibilă sau a maximiza intervalul. Printr-o analiză a literaturii, modelarea Simulink și simularea ANSYS, acest studiu își propune să clarifice intervalul în care utilizarea pilelor de combustie în UAV-uri este o alegere mai economică, să înțeleagă limitele maxime de zbor ale UAV-urilor alimentate cu celule de combustie-cu mase diferite, să înțeleagă provocările pe care scenariile unice de aplicare le prezintă pentru UAV-urile cu celule de combustibil-și identificarea posibilelor soluții.

Restul acestei lucrări este organizat după cum urmează. Secțiunile 2 Metode de modelare a cererii de putere pentru UAV, 3 Metode de proiectare și potrivire a sistemului de propulsie, 4 Metode de calcul al raportului stoechiometric al aerului pentru disiparea căldurii prezintă metode pentru calcularea cererii de putere pentru UAV, potrivirea sistemelor de propulsie UAV alimentate cu celule de combustie-și calcularea fluxului de aer necesar pentru răcirea celulelor de combustibil. Rezultatele simulării sunt discutate în Secțiunea 5. În final, o discuție și concluziile sunt prezentate în Secțiunea 6.