Горивни клетки за многороторни безпилотни летателни апарати: сравнително изследване на съхранението на енергия и анализ на производителността

През 2019 г. глобалните емисии на въглероден диоксид достигнаха 920 милиона тона [1]. Въглеродните емисии от всички видове транспорт представляват приблизително 21 % от общите емисии, като авиационната индустрия има значителен принос. Понастоящем емисиите от авиацията представляват приблизително 12 % от всички емисии,-свързани с транспорта, като изгарянето на авиационен керосин представлява 79 % от емисиите на авиационната индустрия. Докато общият дял на емисиите от авиационната индустрия може да не изглежда особено значителен в момента, процесът на декарбонизация на авиационния керосин е сравнително бавен в сравнение с този в други транспортни сектори. Climate Action Tracker също отбеляза напредъка на авиационната индустрия в въглеродната неутралност като „недостатъчен“. Тъй като други индустрии приемат декарбонизацията, относителният дял на емисиите на индустрии като авиацията, които са „трудни за намаляване“, неизбежно ще се увеличи. Ако прогнозираният годишен темп на растеж на авиационната индустрия остане неконтролиран през следващите 20 години, емисиите може да се увеличат с 11 % до 2040 г. [2]. До 2050 г. обезпокоителна перспектива е, че 25 % от глобалните въглеродни емисии може да произхождат от авиационната индустрия. Следователно, алтернативни източници на енергия като водородни горивни клетки, биогорива и слънчеви панели се превърнаха в значими изследователски теми в авиационния сектор [3]. Декарбонизацията и електрификацията на авиацията, особено на гражданската, се превърнаха в спешни глобални императиви [4,5].

Многороторните безпилотни летателни апарати (UAV) са неразделна част от авиационната индустрия и се използват широко в приложения като селско стопанство, горско стопанство, регионални инспекции и бърз транспорт на къси-до средни-разстояния [6,7]. Съответните изследвания, насочени към подобряване на производителността чрез фокусиране върху контрола на параметрите на полета, планирането на траекторията и оптимизирането на структурите на полета, също се развиват [[8], [9], [10]]. Въпреки това, ключово ограничение на повечето налични в момента комерсиални многороторни UAV е тяхната зависимост от литиеви батерии. Тези UAV обикновено показват излетна-маса<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.

Понастоящем--модерните-литиево-полимерни батерии осигуряват специфични енергии в диапазона от 130–200 Wh/kg. Като се има предвид потенциалът на бъдещите технологии за батерии, се очаква изчислен диапазон с нови технологии, достигащ 250 Wh/kg [14,15]. Barke и др. [16] очерта перспективите и техническите предизвикателства, пред които са изправени литиево-серните батерии. Въпреки че висока специфична енергийна плътност, надвишаваща 400 Wh/kg, може значително да намали масата на задвижващата система в сравнение с конвенционалните батерии, което би направило литиево-серните батерии конкурентоспособни, краткият им среден живот възпрепятства приложението им. Yap и др. [17] изследва леките UAV чрез комбинация от адитивно производство с помощта на 3D печат и оптимизация на топологична структура. Юан и др. [18] изследва влиянието на конструктивните параметри като радиуса на витлото, скоростта на витлото, броя на лопатките на витлото, ширината на хордата и ъгъла на пред{24}}усукване върху динамиката на полета и характеристиките на самолета. Използвайки метода за проектиране на Adkins-Liebeck, те оптимизираха дизайна на лопатките, което доведе до намаление от приблизително 3% в консумацията на енергия на самолета. Хуанг и др. [19] предложи планиране на задачите и метод-за планиране на пътя за комбиниран флот от UAV и камиони, базиран на алгоритъм за колония от мравки, за да се подобри ефективността на транспортиране на рояци UAV за логистика. Този подход значително разшири оперативния радиус на покритие на UAV-захранвани с батерии.

Енергийната плътност на литиевите батерии обаче означава, че гореспоменатите-методи имат относително ограничено въздействие върху разширяването на обхвата на UAV. Освен това, поради значителното потребление на енергия от допълнителната маса, простото добавяне на повече батерии не разширява съществено максималния обхват. Следователно има належаща нужда да се проучат подобренията на задвижването, за да се увеличи специфичната енергия.

Водородът, със своята три-кратно по-висока енергийна плътност в сравнение с традиционния керосин, е обещаващ като потенциално-решение за мощност при полети на дълги разстояния. Понастоящем обикновените хибридни системи с горивни клетки осигуряват специфични нива на енергия, вариращи от 250 до 540 Wh/kg [20]. Прилагането на задвижващи системи с горивни клетки е популярна изследователска тема в авиацията [21]. Един пример е серията Aerostack на Horizon Energy Systems [22]. Въздушно{12}}охлажданите горивни клетки са интегрирани успешно в множество UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Предпочитанието за въздушно -охлаждане в купчини с горивни клетки с протонна обменна мембрана (PEMFC) с ниска- температура в UAV произтича от строги ограничения на теглото и пространството [28]. Santos [29] и Boukoberine et al. [30] използва реални данни от полетни тестове, за да разработи стратегии за проектиране и формулиране на-захранвани с горивни клетки многороторни UAV с изисквания за мощност от приблизително 300 W и 1400 W, съответно. Лий и др. [31] посочи, че пасивното въздушно охлаждане, което често се използва в малки -устройства PEMFC с изисквания за мощност от 1 до 2 kW, включва всмукване и разпределяне както на реагента, така и на охлаждащия въздух в комина, като се използват едни и същи вентилатори. Intelligent Energy Ltd. [32] твърди, че предоставя енергийни системи с въздушно{19}}охлаждани горивни клетки за UAV с номинална мощност от 4,8 kW. От горното може да се докаже, че приемането на свободно{22}}дишаща пасивна-охлаждаема комина е осъществимо, тъй като горивните клетки с мощности в диапазона от 0 до 4,8 kW обикновено са оборудвани с вентилатори, които осигуряват необходимия въздушен поток за охлаждане и реакция.

Въпреки че горивните клетки имат предимства по отношение на енергийната плътност, тяхната маневреност е възпрепятствана от относително ниската им плътност на мощността, дългите закъснения във времето и бавните реакции [33]. За разлика от това, литиевите батерии, които потенциално нямат възможности за дълъг-обхват, могат да осигурят по-висока изходна мощност, осигурявайки подобрени възможности за динамичен отговор, особено по време на преходни процеси с висока-мощност, като например когато UAV бързо превключва от крейсерска към фаза на зависване или спускане [34]. Следователно при такива сценарии комбинирането на литиеви батерии с горивни клетки за формиране на хибридни системи за задвижване е осъществима стратегия за постигане на висока плътност на енергия и мощност в UAV [35]. Ефективните стратегии за управление на енергията допълнително допринасят за разширяване на обхвата и устойчивостта на околната среда на БЛА, задвижвани с-хибридни горивни клетки [36,37]. Следователно, за UAV с ниска{12}}мощност горивни клетки, използването на горивни клетки с въздушно{13}}охлаждане, смесени с литиеви батерии, е жизнеспособно решение, което балансира максималния обхват и времето за реакция.

От горното става ясно, че водородните горивни клетки и икономиката на ниската{0}}надморска височина все повече се превръщат във фокус на глобалното внимание. Водородните горивни клетки с тяхната превъзходна енергийна плътност се очертават като решение за справяне с недостатъците на-захранваните с литиеви батерии UAV и насърчаване на декарбонизацията в авиационната индустрия. Въпреки това, въпреки че БПЛА,-захранвани с литиеви батерии, нямат издръжливост при практически приложения, което показва, че енергийната плътност на горивните клетки е по-висока от тази на литиевите батерии, текущата по-голямата част от изследванията се концентрират върху стратегиите за управление на енергията на БЛА,-захранвани с горивни клетки. Тези стратегии използват-потреблението на енергия в реално време като вход за извличане на схеми за разпределение на енергия за различни източници на енергия с помощта на алгоритми. Това не се различава съществено от изследването на стратегията за управление на енергията, проведено преди това от нашия екип върху превозни средства,-задвижвани с горивни клетки [38,39]. Поради липсата на сложни аксесоари, литиевите батерии често имат предимства в рамките на по-малки диапазони на мощност. Понастоящем има малко литература за прага, при който хибридните задвижващи системи с горивни клетки превъзхождат задвижващите системи с литиева батерия.

В това проучване се фокусира върху два въпроса, които често са били пренебрегвани в предишни проучвания за UAV-задвижвани с горивни клетки. Първо, за специфични модели и профили на полета беше предложен метод за изчисляване на граничните условия за замяна на задвижващи системи с литиева батерия с хибридни задвижващи системи с горивни клетки, чрез определяне на диапазона, в който горивните клетки са по-подходящи за приложения на UAV. Второ, анализират се уникалните аспекти на сценариите за приложение на UAV с горивни клетки; особено важно е тяхното въздействие върху потреблението на енергия.

Една от предпоставките за формулиране на стратегии за управление на енергията, като се използва -потреблението на енергия в реално време като вход, е да се разберат вариациите в търсенето и предлагането на енергия за UAV в различни среди, които са гранични условия за процеса на формулиране на стратегия. При практически приложения UAV, работещи на големи височини, обикновено изискват повече енергия, за да поддържат стабилен полет поради промени в температурата на околната среда и плътността на въздуха [40]. В допълнение, влиянието на промените в надморската височина върху охлаждането на горивните клетки изисква допълнително внимание [41]. Озбек и др. [42] подчерта необходимостта от едновременно разглеждане на изискванията за мощност на UAV и температурни промени, за да се осигури тяхната координация. Системата с горивни клетки е разположена вътре в фюзелажа на UAV, като директно засмуква околния въздух отвън, който е пряко повлиян от външни фактори на околната среда. От една страна, намаляването на плътността на въздуха води до увеличаване на потреблението на мощност на UAV, което води до повишено отделяне на топлина от стека на горивните клетки. В същото време скоростта на разсейване на топлината от стека на горивните клетки може да варира в зависимост от промените в околната среда, а разреденият въздух намалява коефициента на конвективен топлопренос. Намаляването на външната температура обаче увеличава температурната разлика между комина и околната среда, което спомага за подобряване на топлообмена между комина и околната среда.

Тази статия ограничи изследователския си обект до хексакоптери UAV с максимално-излетно тегло (MTOW) от 25 kg и изследва влиянието на надморската височина върху-захранваните с горивни клетки UAV. При формулирането на стратегии за управление на енергията възприетият подход беше да се увеличи максимално мощността на системата за задвижване с горивни клетки, като същевременно се позволи на литиевите батерии да реагират бързо на изискванията за мощност, вместо да се проектират стратегии за използване на цялата налична енергия или за максимизиране на обхвата. Чрез преглед на литературата, моделиране на Simulink и симулация на ANSYS, това проучване има за цел да изясни диапазона, в който използването на горивни клетки в UAVs е по-икономичен избор, да разбере максималните граници на полета на UAV-захранвани с горивни клетки с различни маси, да разбере предизвикателствата, които уникалните сценарии на приложение поставят за UAV-задвижвани с горивни клетки, и да идентифицира възможните решения.

Останалата част от този документ е организирана по следния начин. Раздели 2 Методи за моделиране на потреблението на мощност на UAV, 3 Методи за проектиране и съгласуване на задвижващата система, 4 Метод за изчисляване на стехиометричното съотношение на въздуха за разсейване на топлина представят методи за изчисляване на потреблението на мощност на UAV, съпоставяне на системи за задвижване на UAV, задвижвани от горивни клетки, и изчисляване на необходимия въздушен поток за охлаждане на горивни клетки. Резултатите от симулацията са обсъдени в раздел 5. Накрая в раздел 6 са представени дискусия и заключения.