Κυψέλες καυσίμου για μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα με πολλαπλούς ρότορες: Συγκριτική μελέτη αποθήκευσης ενέργειας και ανάλυση απόδοσης

Το 2019, οι παγκόσμιες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα έφτασαν τους 920 εκατομμύρια τόνους [1]. Οι εκπομπές άνθρακα από όλους τους τρόπους μεταφοράς αντιπροσώπευαν περίπου το 21 % των συνολικών εκπομπών, με τον κλάδο των αερομεταφορών να συμβάλλει σημαντικά. Επί του παρόντος, οι εκπομπές από τις αερομεταφορές αντιπροσωπεύουν περίπου το 12% όλων των Αν και το συνολικό ποσοστό των εκπομπών από τον κλάδο των αερομεταφορών μπορεί να μην φαίνεται ιδιαίτερα σημαντικό επί του παρόντος, η διαδικασία απαλλαγής από τον άνθρακα της κηροζίνης των αερομεταφορών είναι σχετικά αργή σε σύγκριση με αυτή άλλων τομέων μεταφορών. Το Climate Action Tracker έχει επίσης χαρακτηρίσει την πρόοδο της αεροπορικής βιομηχανίας στην ουδετερότητα των εκπομπών άνθρακα ως «ανεπαρκής». Καθώς άλλοι κλάδοι υιοθετούν την απαλλαγή από τις ανθρακούχες εκπομπές, το σχετικό μερίδιο εκπομπών βιομηχανιών όπως η αεροπορία, που είναι «δύσκολο να μειωθούν», θα αυξηθεί αναπόφευκτα. Εάν ο προβλεπόμενος ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης του κλάδου των αερομεταφορών παραμείνει ανεξέλεγκτος για τα επόμενα 20 χρόνια, οι εκπομπές ενδέχεται να αυξηθούν κατά 11 % έως το 2040 [2]. Μέχρι το 2050, μια ανησυχητική προοπτική είναι ότι το 25 % των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα θα μπορούσε να προέρχεται από την αεροπορική βιομηχανία. Κατά συνέπεια, οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας όπως οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, τα βιοκαύσιμα και οι ηλιακοί συλλέκτες έχουν γίνει σημαντικά ερευνητικά θέματα στον τομέα των αερομεταφορών [3]. Η απαλλαγή από τις ανθρακούχες εκπομπές και ο ηλεκτρισμός της αεροπορίας, ιδίως της πολιτικής αεροπορίας, έχουν καταστεί επείγουσες παγκόσμιες επιταγές [4,5].

Τα πολυστροφικά μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV) αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της αεροπορικής βιομηχανίας και χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές όπως η γεωργία, η δασοκομία, οι περιφερειακές επιθεωρήσεις και οι γρήγορες μεταφορές μικρής έως μεσαίας εμβέλειας [6,7]. Αντίστοιχη έρευνα που στοχεύει στη βελτίωση της απόδοσης εστιάζοντας στον έλεγχο των παραμέτρων πτήσης, στον σχεδιασμό διαδρομής και στη βελτιστοποίηση των δομών πτήσης, αναπτύσσεται επίσης [[8], [9], [10]]. Ωστόσο, ένας βασικός περιορισμός των περισσότερων διαθέσιμων εμπορικών UAV με πολλαπλό ρότορα είναι η εξάρτησή τους από μπαταρίες λιθίου. Αυτά τα UAV συνήθως παρουσιάζουν-μάζα απογείωσης<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.

Επί του παρόντος, οι μπαταρίες πολυμερών-πολυμερών--λιθίου- τελευταίας τεχνολογίας παρέχουν συγκεκριμένες ενέργειες στην περιοχή από 130–200 Wh/kg. Λαμβάνοντας υπόψη τις δυνατότητες των μελλοντικών τεχνολογιών μπαταριών, αναμένεται μια υπολογισμένη εμβέλεια με νέες τεχνολογίες που αγγίζουν τα 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] περιέγραψε τις προοπτικές και τις τεχνικές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες{13}}λιθίου. Αν και μια υψηλή ειδική ενεργειακή πυκνότητα άνω των 400 Wh/kg θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά τη μάζα του συστήματος πρόωσης σε σύγκριση με τις συμβατικές μπαταρίες, γεγονός που θα καθιστούσε τις μπαταρίες λιθίου{16}}θειούχου ανταγωνιστικές, η σύντομη μέση διάρκεια ζωής τους εμποδίζει την εφαρμογή τους. Οι Yap et al. [17] εξερεύνησε ελαφριά UAV μέσω ενός συνδυασμού κατασκευής πρόσθετων με χρήση τρισδιάστατης εκτύπωσης και βελτιστοποίησης τοπολογικής δομής. Yuan et al. [18] διερεύνησε την επίδραση παραμέτρων σχεδιασμού, όπως η ακτίνα της έλικας, η ταχύτητα της έλικας, ο αριθμός των πτερυγίων της έλικας, το πλάτος της χορδής και η γωνία πριν{24}}στρέψης στη δυναμική πτήσης και την απόδοση ενός αεροσκάφους. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο σχεδιασμού Adkins-Liebeck, βελτιστοποίησαν τον σχεδιασμό της λεπίδας, με αποτέλεσμα τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του αεροσκάφους κατά περίπου 3%. Οι Huang et al. [19] πρότεινε μια μέθοδο προγραμματισμού εργασιών και σχεδιασμού διαδρομής-για έναν συνδυασμένο στόλο UAV και φορτηγών που βασίζεται σε έναν αλγόριθμο αποικίας μυρμηγκιών για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας μεταφοράς των σμηνών UAV για την εφοδιαστική. Αυτή η προσέγγιση επέκτεινε σημαντικά την ακτίνα λειτουργικής κάλυψης των UAV-που τροφοδοτούνται από μπαταρία.

Ωστόσο, η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών λιθίου σημαίνει ότι οι-προαναφερθείσες μέθοδοι έχουν σχετικά περιορισμένο αντίκτυπο στην επέκταση της εμβέλειας των UAV. Επιπλέον, λόγω της σημαντικής ζήτησης ισχύος της πρόσθετης μάζας, η απλή προσθήκη περισσότερων μπαταριών δεν επεκτείνει ουσιαστικά το μέγιστο εύρος. Κατά συνέπεια, υπάρχει επιτακτική ανάγκη να διερευνηθούν βελτιώσεις στο σύστημα μετάδοσης κίνησης για την ενίσχυση της συγκεκριμένης ενέργειας.

Το υδρογόνο, με την τριπλάσια-πυκνότητα ενέργειας του σε σύγκριση με την παραδοσιακή κηροζίνη, υπόσχεται ως πιθανή λύση ισχύος πτήσης μεγάλης-απόστασης. Επί του παρόντος, τα κοινά υβριδικά συστήματα κυψελών καυσίμου παρέχουν συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας που κυμαίνονται από 250 έως 540 Wh/kg [20]. Η εφαρμογή συστημάτων πρόωσης κυψελών καυσίμου είναι ένα δημοφιλές ερευνητικό θέμα στην αεροπορία [21]. Ένα παράδειγμα είναι η σειρά Horizon Energy Systems Aerostack [22]. Οι κυψέλες καυσίμου που ψύχονται με αέρα{12}}έχουν ενσωματωθεί με επιτυχία σε πολλά UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Η προτίμηση για ψύξη αέρα-σε στοίβες κυψελών καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) χαμηλής-θερμοκρασίας στα UAV προκύπτει από τους αυστηρούς περιορισμούς βάρους και χώρου [28]. Santos [29] και Boukoberine et al. Ο [30] χρησιμοποίησε πραγματικά δεδομένα δοκιμών πτήσης για να αναπτύξει στρατηγικές σχεδιασμού και διαμόρφωσης για UAV με κυψέλες καυσίμου-με πολλαπλούς ρότορες με απαιτήσεις ισχύος περίπου 300 W και 1400 W, αντίστοιχα. Οι Lee et al. [31] επεσήμανε ότι η παθητική ψύξη αέρα, η οποία χρησιμοποιείται συχνά σε συσκευές PEMFC μικρής-κλίμακας με απαιτήσεις ισχύος από 1 έως 2 kW, περιλαμβάνει την άντληση και διανομή αέρα αντιδραστηρίου και ψυκτικού σε όλη τη στοίβα, χρησιμοποιώντας τους ίδιους ανεμιστήρες. Η Intelligent Energy Ltd. [32] ισχυρίζεται ότι παρέχει συστήματα ισχύος με κυψέλες καυσίμου που ψύχονται με αέρα για UAV με ονομαστική ζήτηση ισχύος 4,8 kW. Από τα παραπάνω, μπορεί να αποδειχθεί ότι η υιοθέτηση μιας ελεύθερης-παθητικής αναπνοής-στοίβας ψύξης είναι εφικτή επειδή οι κυψέλες καυσίμου με ισχύ από 0 έως 4,8 kW είναι συνήθως εξοπλισμένες με ανεμιστήρες που παρέχουν την απαραίτητη ροή αέρα για ψύξη και αντίδραση.

Αν και οι κυψέλες καυσίμου έχουν πλεονεκτήματα όσον αφορά την ενεργειακή πυκνότητα, η ικανότητα ελιγμών τους παρεμποδίζεται από τη σχετικά χαμηλή πυκνότητα ισχύος, τις μεγάλες χρονικές καθυστερήσεις και τις αργές αποκρίσεις τους [33]. Αντίθετα, οι μπαταρίες λιθίου, οι οποίες δυνητικά στερούνται δυνατοτήτων μεγάλης-εμβέλειας, μπορούν να παρέχουν υψηλότερη ισχύ εξόδου, παρέχοντας βελτιωμένες δυνατότητες δυναμικής απόκρισης, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια μεταβατικών μεταβατικών περιόδων υψηλής ισχύος, όπως όταν ένα UAV μεταβαίνει γρήγορα από τις φάσεις κρουαζιέρας σε φάσεις αιώρησης ή κατάβασης [34]. Επομένως, σε τέτοια σενάρια, ο συνδυασμός μπαταριών λιθίου με κυψέλες καυσίμου για τη δημιουργία υβριδικών συστημάτων πρόωσης είναι μια εφικτή στρατηγική για την επίτευξη υψηλών πυκνοτήτων ενέργειας και ισχύος στα UAV [35]. Οι αποτελεσματικές στρατηγικές διαχείρισης ενέργειας συμβάλλουν περαιτέρω στην επέκταση της εμβέλειας και της περιβαλλοντικής ευρωστίας των υβριδικών UAV με κυψέλες καυσίμου- [36,37]. Ως εκ τούτου, για τα UAV κυψελών καυσίμου χαμηλής ισχύος{12}, η χρήση κυψελών καυσίμου που ψύχονται με αέρα αναμεμειγμένα με μπαταρίες λιθίου είναι μια βιώσιμη λύση που εξισορροπεί τη μέγιστη εμβέλεια και τον χρόνο απόκρισης.

Από τα παραπάνω, είναι σαφές ότι οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου και τα οικονομικά χαμηλού υψομέτρου γίνονται ολοένα και περισσότερο τα σημεία εστίασης του παγκόσμιου ενδιαφέροντος. Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, με την ανώτερη ενεργειακή τους πυκνότητα, αναδεικνύονται ως λύση για την αντιμετώπιση των ελλείψεων των UAV με μπαταρίες λιθίου-και την προώθηση της απαλλαγής από τον άνθρακα στην αεροπορική βιομηχανία. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι τα UAV που τροφοδοτούνται από μπαταρίες λιθίου-στερούνται ανθεκτικότητας σε πρακτικές εφαρμογές, γεγονός που υποδηλώνει ότι η ενεργειακή πυκνότητα των κυψελών καυσίμου είναι υψηλότερη από αυτή των μπαταριών λιθίου, ο τρέχων όγκος της έρευνας επικεντρώνεται στις στρατηγικές διαχείρισης ενέργειας των UAV με κυψέλες καυσίμου-. Αυτές οι στρατηγικές χρησιμοποιούν τη ζήτηση ενέργειας σε πραγματικό χρόνο ως είσοδο για την εξαγωγή σχημάτων κατανομής ισχύος για διαφορετικές πηγές ενέργειας χρησιμοποιώντας αλγόριθμους. Αυτό δεν διαφέρει ουσιαστικά από την έρευνα στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας που είχε πραγματοποιήσει προηγουμένως η ομάδα μας για οχήματα που κινούνται με κυψέλες καυσίμου [38,39]. Λόγω της απουσίας πολύπλοκων εξαρτημάτων, οι μπαταρίες λιθίου έχουν συχνά πλεονεκτήματα σε μικρότερα εύρη ισχύος. Επί του παρόντος, υπάρχει έλλειψη βιβλιογραφίας σχετικά με το όριο στο οποίο τα υβριδικά συστήματα πρόωσης κυψελών καυσίμου υπερτερούν των συστημάτων πρόωσης μπαταριών λιθίου.

Σε αυτήν τη μελέτη, επικεντρώνονται σε δύο ζητήματα που έχουν συχνά παραβλεφθεί σε προηγούμενες μελέτες σχετικά με τα UAV που κινούνται με κυψέλες καυσίμου{{0}. Πρώτον, για συγκεκριμένα μοντέλα και προφίλ πτήσης, προτάθηκε μια μέθοδος υπολογισμού των οριακών συνθηκών για την αντικατάσταση συστημάτων πρόωσης μπαταριών λιθίου με υβριδικά συστήματα πρόωσης κυψελών καυσίμου, προσδιορίζοντας το εύρος εντός του οποίου οι κυψέλες καυσίμου είναι καταλληλότερες για εφαρμογές UAV. Δεύτερον, αναλύονται οι μοναδικές πτυχές των σεναρίων εφαρμογής UAV κυψελών καυσίμου. Ιδιαίτερα σημαντική είναι η επίδρασή τους στην πλευρά της ζήτησης ενέργειας.

Μια προϋπόθεση για τη διαμόρφωση στρατηγικών διαχείρισης ενέργειας με χρήση της ζήτησης ενέργειας σε πραγματικό-χρόνο ως εισροή είναι η κατανόηση των διακυμάνσεων στη ζήτηση και την προσφορά ισχύος για UAV σε διαφορετικά περιβάλλοντα, τα οποία αποτελούν οριακές συνθήκες για τη διαδικασία διαμόρφωσης στρατηγικής. Σε πρακτικές εφαρμογές, τα UAV που λειτουργούν σε μεγάλα ύψη απαιτούν συνήθως περισσότερη ενέργεια για να διατηρήσουν μια σταθερή πτήση λόγω των αλλαγών στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και την πυκνότητα του αέρα [40]. Επιπλέον, ο αντίκτυπος των αλλαγών του υψομέτρου στην ψύξη των κυψελών καυσίμου απαιτεί περαιτέρω προσοχή [41]. Ozbek et al. [42] τόνισε την ανάγκη ταυτόχρονης εξέτασης των απαιτήσεων ισχύος UAV και των αλλαγών θερμοκρασίας για να εξασφαλιστεί ο συντονισμός τους. Το σύστημα κυψελών καυσίμου βρίσκεται μέσα στην άτρακτο του UAV, αντλώντας απευθείας τον αέρα του περιβάλλοντος από το εξωτερικό, ο οποίος επηρεάζεται άμεσα από εξωτερικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες. Από τη μία πλευρά, η μείωση της πυκνότητας του αέρα οδηγεί σε αύξηση της ζήτησης ισχύος των UAV, με αποτέλεσμα την αυξημένη εκκένωση θερμότητας από τη στοίβα κυψελών καυσίμου. Ταυτόχρονα, ο ρυθμός απαγωγής θερμότητας της στοίβας κυψελών καυσίμου μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με τις περιβαλλοντικές αλλαγές, και ο λεπτός αέρας μειώνει τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή. Ωστόσο, μια μείωση της εξωτερικής θερμοκρασίας αυξάνει τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της στοίβας και του περιβάλλοντος, γεγονός που βοηθά στην ενίσχυση της ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ της στοίβας και του περιβάλλοντος.

Αυτή η εργασία περιόρισε το ερευνητικό της αντικείμενο στα UAV εξακοπτέρων με μέγιστο βάρος απογείωσης-(MTOW) 25 kg και διερεύνησε την επίδραση του υψομέτρου στα UAV που τροφοδοτούνται με κυψέλες καυσίμου-. Κατά τη διαμόρφωση στρατηγικών διαχείρισης ενέργειας, η προσέγγιση που ακολουθήθηκε ήταν να μεγιστοποιηθεί η απόδοση του συστήματος πρόωσης κυψελών καυσίμου επιτρέποντας ταυτόχρονα στις μπαταρίες λιθίου να ανταποκρίνονται γρήγορα στις απαιτήσεις ισχύος αντί να σχεδιάζουν στρατηγικές για τη χρήση όλης της διαθέσιμης ενέργειας ή τη μεγιστοποίηση της εμβέλειας. Μέσω βιβλιογραφικής ανασκόπησης, μοντελοποίησης Simulink και προσομοίωσης ANSYS, αυτή η μελέτη στοχεύει να διευκρινίσει το εύρος εντός του οποίου η χρήση κυψελών καυσίμου σε UAV είναι μια πιο οικονομική επιλογή, να κατανοήσει τα μέγιστα όρια πτήσης των UAV με κυψέλες καυσίμου{{5}με διαφορετικές μάζες, να κατανοήσει τις προκλήσεις που θέτουν τα μοναδικά σενάρια εφαρμογών για τις πιθανές λύσεις κυψελών καυσίμου{6}.

Το υπόλοιπο αυτής της εργασίας οργανώνεται ως εξής. Ενότητες 2 Μέθοδοι για τη μοντελοποίηση της ζήτησης ισχύος UAV, 3 Μέθοδοι σχεδιασμού και αντιστοίχισης του συστήματος πρόωσης, 4 Μέθοδος υπολογισμού του στοιχειομετρικού λόγου αέρα για απαγωγή θερμότητας, υπάρχουν μέθοδοι υπολογισμού της ζήτησης ισχύος UAV, αντιστοίχιση κυψελών καυσίμου-τροφοδοτούμενα με τα συστήματα πρόωσης καυσίμου ψύξης UAV που απαιτούνται για τη ροή αέρα. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συζητούνται στην Ενότητα 5. Τέλος, μια συζήτηση και τα συμπεράσματα παρουσιάζονται στην Ενότητα 6.