Brændselsceller til multirotor ubemandede luftfartøjer: En sammenlignende undersøgelse af energilagring og ydeevneanalyse

I 2019 nåede den globale kuldioxidemission op på 920 millioner tons [1]. Kulstofemissioner fra alle transportformer tegnede sig for ca. 21 % af de samlede emissioner, hvor luftfartsindustrien er en væsentlig bidragyder. I øjeblikket udgør emissioner fra luftfart cirka 12 % af alle transportrelaterede emissioner-, hvor forbrændingen af ​​petroleum fra luftfarten tegner sig for 79 % af luftfartsindustriens emissioner. Selvom den overordnede andel af emissioner fra luftfartsindustrien måske ikke synes særlig betydelig på nuværende tidspunkt, er dekarboniseringsprocessen for flypetroleum relativt langsom sammenlignet med andre transportsektorer. Climate Action Tracker har også markeret luftfartsindustriens fremskridt inden for CO2-neutralitet som "utilstrækkelig". Efterhånden som andre industrier omfavner dekarbonisering, vil den relative emissionsandel fra industrier som luftfart, som er "svære at reducere", uundgåeligt stige. Hvis den forventede årlige vækstrate for luftfartsindustrien forbliver ukontrolleret i de næste 20 år, kan emissionerne stige med 11 % i 2040 [2]. I 2050 er det en bekymrende udsigt, at 25 % af de globale kulstofemissioner kan stamme fra luftfartsindustrien. Som følge heraf er alternative energikilder såsom brintbrændselsceller, biobrændstoffer og solpaneler blevet vigtige forskningsemner i luftfartssektoren [3]. Dekarbonisering og elektrificering af luftfart, især civil luftfart, er blevet presserende globale imperativer [4,5].

Multirotor ubemandede luftfartøjer (UAV'er) er en integreret del af luftfartsindustrien og bruges i vid udstrækning i applikationer såsom landbrug, skovbrug, regionale inspektioner og kort-til mellem-hurtig transport [6,7]. Tilsvarende forskning, der sigter mod at forbedre ydeevnen ved at fokusere på styring af flyveparametre, stiplanlægning og optimering af flyvestrukturer, er også spirende [[8], [9], [10]]. En vigtig begrænsning for de fleste i øjeblikket tilgængelige kommercielle multirotor-UAV'er er imidlertid deres afhængighed af lithium-batterier. Disse UAV'er udstiller typisk startmasser-<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.

I øjeblikket leverer-moderne--lithium-polymerbatterier specifikke energier i området 130-200 Wh/kg. I betragtning af potentialet i fremtidige batteriteknologier forventes et beregnet interval med nye teknologier, der når 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] skitserede udsigterne og de tekniske udfordringer, som lithium-svovlbatterier står over for. Selvom en høj specifik energitæthed på over 400 Wh/kg kan reducere fremdrivningssystemets masse betydeligt sammenlignet med konventionelle batterier, hvilket ville gøre lithium{16}}svovlbatterier konkurrencedygtige, hindrer deres korte gennemsnitlige levetid deres anvendelse. Yap et al. [17] udforskede letvægts-UAV'er gennem en kombination af additiv fremstilling ved hjælp af 3D-print og topologisk strukturoptimering. Yuan et al. [18] undersøgte virkningen af ​​designparametre såsom propellerradius, propelhastighed, antal propelblade, kordebredde og pre{24}}vridningsvinkel på et flys flyvedynamik og ydeevne. Ved at bruge Adkins-Liebeck-designmetoden optimerede de vingedesignet, hvilket resulterede i en reduktion på cirka 3 % i flyets strømforbrug. Huang et al. [19] foreslog en opgaveplanlægnings- og stiplanlægningsmetode- for en kombineret flåde af UAV'er og lastbiler baseret på en myrekolonialgoritme for at forbedre transporteffektiviteten af ​​UAV-sværme til logistik. Denne tilgang udvidede den operationelle dækningsradius markant for batteridrevne-UAV'er.

Lithiumbatteriers energitæthed betyder dog, at de ovennævnte-metoder har en relativt begrænset indflydelse på at udvide UAV-området. På grund af den ekstra masses betydelige effektbehov forlænger blot tilføjelse af flere batterier ikke det maksimale område væsentligt. Derfor er der et presserende behov for at udforske forbedringer af drivaggregatet for at øge specifik energi.

Brint lover med sin tre-gange højere energitæthed sammenlignet med traditionel petroleum som en potentiel flyvekraftløsning med lang rækkevidde. I øjeblikket giver almindelige brændselscellehybridsystemer specifikke energiniveauer i området fra 250 til 540 Wh/kg [20]. Anvendelsen af ​​brændselscellefremdrivningssystemer er et populært forskningsemne inden for luftfart [21]. Et eksempel er Horizon Energy Systems Aerostack-serien [22]. Luftkølede-brændselsceller er blevet integreret med succes i adskillige UAV'er [[23], [24], [25], [26], [27]].

Præferencen for luft-køling i lav-temperatur proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stakke i UAV'er skyldes strenge vægt- og pladsbegrænsninger [28]. Santos [29] og Boukoberine et al. [30] brugte rigtige flytestdata til at udvikle design- og formuleringsstrategier for brændselscelle-drevne multirotor-UAV'er med effektbehov på henholdsvis ca. 300 W og 1400 W. Lee et al. [31] påpegede, at passiv luftkøling, som ofte bruges i små -PEMFC-enheder med effektkrav fra 1 til 2 kW, involverer at trække ind og fordele både reaktant- og kølevæskeluft i hele stakken ved hjælp af de samme blæsere. Intelligent Energy Ltd. [32] hævder at levere strømsystemer med luft-kølede brændselsceller til UAV'er med et nominelt effektbehov på 4,8 kW. Ud fra ovenstående kan det påvises, at det er muligt at anvende en fri-åndende passiv-afkølet stak, fordi brændselsceller med ydelser fra 0 til 4,8 kW typisk er udstyret med ventilatorer, der giver den nødvendige luftstrøm til afkøling og reaktion.

Selvom brændselsceller har fordele med hensyn til energitæthed, er deres manøvredygtighed hæmmet af deres relativt lave effekttæthed, lange tidsforsinkelser og langsomme reaktioner [33]. I modsætning hertil kan lithiumbatterier, som potentielt mangler lang rækkevidde, levere en højere effekt, hvilket giver forbedrede dynamiske responsegenskaber, især under høje-effekttransienter, såsom når en UAV hurtigt skifter fra kryds- til hover- eller nedstigningsfaser [34]. Derfor, i sådanne scenarier, er kombination af lithiumbatterier med brændselsceller for at danne hybride fremdrivningssystemer en mulig strategi for at opnå høje energi- og effekttætheder i UAV'er [35]. Effektive energistyringsstrategier bidrager yderligere til at udvide rækkevidden og den miljømæssige robusthed af hybridbrændselscelledrevne UAV'er [36,37]. Derfor er brugen af ​​luftkølede-brændselsceller blandet med lithiumbatterier for lav-brændselscelle-UAV'er en levedygtig løsning, der balancerer maksimal rækkevidde og responstid.

Ud fra ovenstående er det klart, at brintbrændselsceller og lav-højdeøkonomi i stigende grad bliver fokuspunkter for global opmærksomhed. Brintbrændselsceller med deres overlegne energitæthed dukker op som en løsning til at afhjælpe manglerne ved lithiumbatteridrevne UAV'er- og fremme dekarbonisering i luftfartsindustrien. Men på trods af lithiumbatteridrevne-UAV'er, der mangler holdbarhed i praktiske applikationer, hvilket indikerer, at brændselscellernes energitæthed er højere end lithiumbatterier, koncentrerer den nuværende største del af forskningen sig om energistyringsstrategierne for brændselscelledrevne-UAV'er. Disse strategier bruger strømefterspørgsel i realtid som input til at udlede effektallokeringsskemaer for forskellige strømkilder ved hjælp af algoritmer. Dette er ikke væsentligt forskelligt fra forskningen i energistyringsstrategi, som vores team tidligere har udført om brændselscelledrevne køretøjer [38,39]. På grund af fraværet af komplekst tilbehør har lithiumbatterier ofte fordele inden for mindre effektområder. I øjeblikket er der mangel på litteratur om den tærskel, ved hvilken brændselscelle hybrid fremdriftssystemer udkonkurrerer lithium batteri fremdriftssystemer.

I denne undersøgelse fokuseres der på to problemer, som ofte er blevet overset i tidligere undersøgelser af-brændselscelledrevne UAV'er. For det første blev der for specifikke modeller og flyveprofiler foreslået en metode til at beregne grænsebetingelserne for udskiftning af lithiumbatterifremdrivningssystemer med hybride brændselscellefremdrivningssystemer ved at bestemme det område, inden for hvilket brændselsceller er mere passende til UAV-anvendelser. For det andet analyseres de unikke aspekter af brændselscelle-UAV-anvendelsesscenarier; særligt vigtigt er deres indvirkning på strømbehovssiden.

En forudsætning for at formulere energistyringsstrategier ved at bruge strømefterspørgsel i realtid som input er at forstå variationerne i strømefterspørgsel og -forsyning for UAV'er i forskellige miljøer, som er grænsebetingelser for strategiformuleringsprocessen. I praktiske applikationer kræver UAV'er, der opererer i store højder, typisk mere energi for at opretholde en stabil flyvning på grund af ændringer i miljøtemperatur og lufttæthed [40]. Derudover kræver højdeændringernes indvirkning på brændselscellekøling yderligere opmærksomhed [41]. Ozbek et al. [42] understregede nødvendigheden af ​​samtidig at overveje UAV-effektkravene og temperaturændringerne for at sikre deres koordinering. Brændselscellesystemet er placeret inde i UAV'ens skrog, og trækker den omgivende luft direkte ind udefra, som er direkte påvirket af eksterne miljøfaktorer. På den ene side fører et fald i lufttætheden til en stigning i kraftbehovet for UAV'er, hvilket resulterer i øget varmeudledning fra brændselscellestablen. Samtidig kan brændselscellestablens varmeafledningshastighed variere med miljøændringer, og tynd luft reducerer den konvektive varmeoverførselskoefficient. Et fald i den ydre temperatur øger dog temperaturforskellen mellem stakken og miljøet, hvilket hjælper med at forbedre varmeudvekslingen mellem stakken og miljøet.

Dette papir begrænsede sit forskningsobjekt til hexacopter-UAV'er med en maksimal-startvægt (MTOW) på 25 kg og undersøgte højdens indvirkning på brændselscelledrevne UAV'er-. Ved at formulere energistyringsstrategier var den anvendte tilgang at maksimere outputtet af brændselscellefremdrivningssystemet, samtidig med at lithium-batterier kunne reagere hurtigt på strømbehov i stedet for at designe strategier til at bruge al tilgængelig energi eller maksimere rækkevidden. Gennem en litteraturgennemgang, Simulink-modellering og ANSYS-simulering har denne undersøgelse til formål at klarlægge det område, inden for hvilket brug af brændselsceller i UAV'er er et mere økonomisk valg, forstå de maksimale flyvegrænser for brændselscelledrevne UAV'er med forskellige masser, forstå de udfordringer, som unikke applikationsscenarier udgør for brændselscelledrevne UAV'er, og identificere mulige løsninger.

Resten af ​​denne artikel er organiseret som følger. Afsnit 2 Metoder til modellering af UAV-effektbehov, 3 Metoder til at designe og matche fremdriftssystemet, 4 Metode til beregning af luftstøkiometrisk forhold til varmeafledning viser metoder til beregning af UAV-effektbehovet, matchning af brændselscelledrevne UAV-fremdrivningssystemer og beregning af den nødvendige luftstrøm til køling af brændselsceller. Simuleringsresultaterne diskuteres i afsnit 5. Til sidst præsenteres en diskussion og konklusioner i afsnit 6.