Daugialypių nepilotuojamų orlaivių kuro elementai: lyginamasis energijos kaupimo ir našumo analizės tyrimas

2019 m. pasaulinė anglies dioksido emisija siekė 920 mln. tonų [1]. Visų transporto rūšių išmetamas anglies dioksidas sudarė maždaug 21 % visų išmetamų teršalų, o aviacijos pramonė sudarė didelę įtaką. Šiuo metu aviacijos išmetamųjų teršalų kiekis sudaro apie 12 % visų su transportu susijusių teršalų, o deginant aviacijos žibalą – 79 % aviacijos pramonės išmetamų teršalų. Nors bendra aviacijos pramonės išmetamų teršalų dalis šiuo metu gali neatrodyti ypač reikšminga, aviacinio žibalo dekarbonizacijos procesas yra gana lėtas, palyginti su kituose transporto sektoriuose. „Climate Action Tracker“ aviacijos pramonės pažangą anglies neutralumo srityje taip pat pažymėjo kaip „nepakankamą“. Kitoms pramonės šakoms imantis dekarbonizavimo, santykinė išmetamųjų teršalų dalis tokiose pramonės šakose kaip aviacija, kurią „sunku sumažinti“, neišvengiamai didės. Jei prognozuojamas metinis aviacijos pramonės augimo tempas išliks nekontroliuojamas ateinančius 20 metų, iki 2040 m. išmetamųjų teršalų kiekis gali padidėti 11 % [2]. Iki 2050 m. nerimą kelianti perspektyva yra tai, kad 25 % viso pasaulio anglies dvideginio išmetimo gali kilti iš aviacijos pramonės. Todėl alternatyvūs energijos šaltiniai, tokie kaip vandenilio kuro elementai, biokuras ir saulės baterijos, tapo svarbiomis tyrimų temomis aviacijos sektoriuje [3]. Aviacijos, ypač civilinės aviacijos, dekarbonizavimas ir elektrifikavimas tapo neatidėliotinais pasauliniais reikalais [4,5].

Daugialypiai nepilotuojami orlaiviai (UAV) yra neatsiejama aviacijos pramonės dalis ir yra plačiai naudojami tokiose srityse kaip žemės ūkis, miškininkystė, regioninės patikros ir trumpo{1}}vidutinio{2} nuotolio greitasis transportas [6,7]. Atitinkami tyrimai, kuriais siekiama pagerinti našumą, daugiausia dėmesio skiriant skrydžio parametrų valdymui, trajektorijos planavimui ir skrydžio struktūrų optimizavimui, taip pat populiarėja [[8], [9], [10]]. Tačiau pagrindinis daugumos šiuo metu turimų komercinių daugiarotorinių UAV apribojimas yra jų priklausomybė nuo ličio baterijų. Šie UAV paprastai pasižymi kilimo-masėmis<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.

Šiuo metu moderniausi-ličio-polimerų akumuliatoriai-suteikia specifinę energiją nuo 130 iki 200 Wh/kg. Atsižvelgiant į ateities baterijų technologijų potencialą, numatomas skaičiuojamas diapazonas su naujomis technologijomis sieks 250 Wh/kg [14,15]. Barke ir kt. [16] apibūdino perspektyvas ir techninius iššūkius, su kuriais susiduria ličio -sieros baterijos. Nors didelis savitasis energijos tankis, viršijantis 400 Wh/kg, gali žymiai sumažinti varomosios sistemos masę, palyginti su įprastomis baterijomis, todėl ličio{16}sieros akumuliatoriai būtų konkurencingi, jų trumpas vidutinis tarnavimo laikas trukdo jas naudoti. Yap ir kt. [17] tyrinėjo lengvus UAV, derindamas priedų gamybą, naudojant 3D spausdinimą ir topologinės struktūros optimizavimą. Yuan ir kt. [18] tyrė konstrukcijos parametrų, tokių kaip oro sraigto spindulys, sraigto greitis, sraigto menčių skaičius, stygos plotis ir išankstinio posūkio kampas, įtaką skrydžio dinamikai ir orlaivio veikimui. Naudodami Adkins{26}}Liebeck projektavimo metodą, jie optimizavo ašmenų dizainą, todėl orlaivio energijos suvartojimas sumažėjo maždaug 3 %. Huang ir kt. [19] pasiūlė kombinuoto UAV ir sunkvežimių parko užduočių planavimo ir kelio planavimo metodą, pagrįstą skruzdžių kolonijų algoritmu, kad padidintų UAV spiečių transportavimo efektyvumą logistikos tikslais. Šis metodas žymiai padidino baterijomis{33}}varomų UAV veikimo aprėpties spindulį.

Tačiau ličio baterijų energijos tankis reiškia, kad pirmiau minėti metodai{0}} turi gana ribotą poveikį plečiant UAV diapazoną. Be to, dėl didelio papildomos masės energijos poreikio, vien tik įdėjus daugiau baterijų maksimalus diapazonas iš esmės nepadidina. Todėl reikia skubiai ištirti jėgos pavaros patobulinimus, kad padidėtų specifinė energija.

Vandenilis, kurio energijos tankis yra tris-kart didesnis nei tradicinis žibalas, yra potencialus ilgalaikis skrydžio{2}}galios sprendimas. Šiuo metu įprastos hibridinės kuro elementų sistemos užtikrina specifinį energijos lygį nuo 250 iki 540 Wh/kg [20]. Kuro elementų varomųjų sistemų taikymas yra populiari aviacijos tyrimų tema [21]. Vienas iš pavyzdžių yra Horizon Energy Systems Aerostack serija [22]. Oru-aušinami kuro elementai buvo sėkmingai integruoti į daugybę UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Pirmenybė teikiama oru{0}}aušinimui žemos-temperatūros protonų mainų membranos kuro elementų (PEMFC) kaminuose UAV dėl griežtų svorio ir erdvės apribojimų [28]. Santos [29] ir Boukoberine ir kt. [30] naudojo tikrus skrydžio bandymų duomenis, kad sukurtų kuro elementų -varomų UAV, kurių galia atitinkamai maždaug 300 W ir 1400 W, projektavimo ir formulavimo strategijas. Lee ir kt. [31] atkreipė dėmesį į tai, kad pasyvus oro aušinimas, kuris dažnai naudojamas mažuose -PEMFC įrenginiuose, kurių galios poreikis yra nuo 1 iki 2 kW, apima ir reagento, ir aušinimo skysčio oro įtraukimą ir paskirstymą po kaminą, naudojant tuos pačius ventiliatorius. „Intelligent Energy Ltd.“ [32] teigia, kad tiekia energijos sistemas su oru{19}}aušinami kuro elementais UAV, kurių vardinės galios poreikis yra 4,8 kW. Remiantis tuo, kas išdėstyta pirmiau, galima įrodyti, kad laisvai -kvėpuojantis pasyvus-aušinamas kaminas yra įmanomas, nes kuro elementai, kurių galia svyruoja nuo 0 iki 4,8 kW, paprastai yra su ventiliatoriais, kurie užtikrina reikiamą oro srautą aušinimui ir reakcijai.

Nors kuro elementai turi pranašumų energijos tankio požiūriu, jų manevringumą apsunkina palyginti mažas galios tankis, ilgas uždelsimas ir lėtas atsakas [33]. Priešingai, ličio baterijos, kurioms galbūt trūksta ilgo{2}}atstumo galimybių, gali užtikrinti didesnę galią, suteikdamos geresnes dinaminio atsako galimybes, ypač esant didelės-galios pereinamiesiems veiksniams, pvz., kai UAV greitai persijungia iš plaukiojimo į pakilimo ar nusileidimo fazes [34]. Todėl tokiais scenarijais ličio baterijų derinimas su kuro elementais, kad būtų sudarytos hibridinės varomosios sistemos, yra įmanoma strategija norint pasiekti aukštą energijos ir galios tankį UAV [35]. Veiksmingos energijos valdymo strategijos dar labiau prisideda prie hibridinių kuro elementų{8}}UAV [36, 37] veikimo diapazono ir atsparumo aplinkai. Taigi mažos-galios kuro elementų UAV naudojant oru-aušinamus kuro elementus, sumaišytus su ličio baterijomis, yra perspektyvus sprendimas, subalansuojantis maksimalų atstumą ir reakcijos laiką.

Iš to, kas išdėstyta pirmiau, aišku, kad vandenilio kuro elementai ir mažo{0}}aukščio ekonomika vis dažniau tampa pasaulinio dėmesio centru. Vandenilio kuro elementai, kurių energijos tankis yra didesnis, atsiranda kaip sprendimas, padedantis pašalinti ličio baterijomis{2}}varomų UAV trūkumus ir skatinti dekarbonizaciją aviacijos pramonėje. Tačiau nepaisant to, kad ličio{4}}baterija varomiems UAV praktiškai trūksta patvarumo, o tai rodo, kad kuro elementų energijos tankis yra didesnis nei ličio baterijų, dabar didžioji dalis tyrimų yra sutelkta į kuro elementų{5}}UAV energijos valdymo strategijas. Šios strategijos naudoja realaus laiko-galios poreikį kaip įvestį, kad būtų galima gauti energijos paskirstymo schemas skirtingiems energijos šaltiniams naudojant algoritmus. Tai iš esmės nesiskiria nuo energijos valdymo strategijos tyrimų, anksčiau mūsų komandos atliktų kuro elementų{9}} transporto priemonių [38, 39]. Kadangi nėra sudėtingų priedų, ličio baterijos dažnai turi pranašumų esant mažesniems galios diapazonams. Šiuo metu yra nedaug literatūros apie slenkstį, kurį pasiekus kuro elementų hibridinės varymo sistemos pranoksta ličio baterijų varomąsias sistemas.

Šiame tyrime daugiausia dėmesio skiriama dviem problemoms, kurios dažnai buvo nepastebėtos ankstesniuose kuro elementų{0}}UAV tyrimuose. Pirma, konkretiems modeliams ir skrydžio profiliams buvo pasiūlytas metodas, skirtas apskaičiuoti ribines ličio akumuliatorių varomųjų sistemų pakeitimo kuro elementų hibridinėmis sistemomis sąlygas, nustatant diapazoną, kuriame kuro elementai yra tinkamesni naudoti UAV. Antra, analizuojami unikalūs kuro elementų UAV taikymo scenarijų aspektai; ypač svarbus jų poveikis energijos paklausai.

Viena iš būtinų sąlygų, norint suformuluoti energijos valdymo strategijas, naudojant energijos poreikį realiuoju laiku{0}}, yra suprasti UAV energijos poreikio ir pasiūlos skirtumus įvairiose aplinkose, o tai yra ribinės strategijos formavimo proceso sąlygos. Praktiškai dideliame aukštyje veikiantys UAV paprastai reikalauja daugiau energijos, kad išlaikytų stabilų skrydį dėl aplinkos temperatūros ir oro tankio pokyčių [40]. Be to, reikia daugiau dėmesio skirti aukščio pokyčių įtakai kuro elementų aušinimui [41]. Ozbekas ir kt. [42] pabrėžė būtinybę vienu metu atsižvelgti į UAV galios reikalavimus ir temperatūros pokyčius, kad būtų užtikrintas jų koordinavimas. Kuro elementų sistema yra UAV fiuzeliažo viduje, tiesiogiai įtraukiant aplinkos orą iš išorės, kurį tiesiogiai veikia išoriniai aplinkos veiksniai. Viena vertus, sumažėjus oro tankiui, didėja UAV energijos poreikis, todėl padidėja šilumos išleidimas iš kuro elementų kamino. Tuo pačiu metu kuro elementų kamino šilumos išsklaidymo greitis gali skirtis priklausomai nuo aplinkos pokyčių, o plonas oras sumažina konvekcinį šilumos perdavimo koeficientą. Tačiau sumažėjus išorinei temperatūrai, didėja temperatūrų skirtumas tarp kamino ir aplinkos, o tai padeda pagerinti šilumos mainus tarp kamino ir aplinkos.

Šiame darbe tyrimo objektas buvo apribotas heksakopteriniais UAV, kurių didžiausias kilimo{0}}svoris (MTOW) yra 25 kg, ir ištirtas aukščio poveikis kuro elementų -varomiems UAV. Formuojant energijos valdymo strategijas buvo siekiama maksimaliai padidinti kuro elementų varomosios sistemos našumą, tuo pačiu leidžiant ličio baterijoms greitai reaguoti į energijos poreikį, o ne kurti strategijas, kaip panaudoti visą turimą energiją arba maksimaliai padidinti atstumą. Literatūros apžvalga, Simulink modeliavimas ir ANSYS modeliavimas šiuo tyrimu siekiama išsiaiškinti, kokioje ribose naudoti kuro elementus UAV yra ekonomiškesnis pasirinkimas, suprasti maksimalias kuro elementais varomų UAV su skirtingos masės skrydžio ribas, suvokti iššūkius, su kuriais susiduria unikalūs pritaikymo scenarijai kuro elementais{6}}varomiems UAV, ir nustatyti galimus sprendimus.

Likusi šio dokumento dalis yra išdėstyta taip. 2 skyriuose UAV galios poreikio modeliavimo metodai, 3 varomosios sistemos projektavimo ir suderinimo metodai, 4 šilumos išsklaidymo oro stechiometrinio santykio skaičiavimo metodai pateikia UAV galios poreikio apskaičiavimo, kuro elementų -varomų UAV varomųjų sistemų suderinimo, reikalingų kuro elementų aušinimo ir oro srauto skaičiavimo metodus. Modeliavimo rezultatai aptariami 5 skyriuje. Galiausiai 6 skirsnyje pateikiamos diskusijos ir išvados.