Паливні елементи для багатороторних безпілотних літальних апаратів: порівняльне дослідження зберігання енергії та аналіз продуктивності

У 2019 році глобальні викиди вуглекислого газу досягли 920 мільйонів тонн [1]. Викиди вуглецю від усіх видів транспорту становлять приблизно 21% від загального обсягу викидів, причому авіаційна промисловість є значним внеском. Наразі авіаційні викиди становлять приблизно 12 % усіх викидів-, пов’язаних із транспортом, при цьому спалювання авіаційного гасу становить 79 % викидів авіаційної промисловості. Хоча загальна частка викидів від авіаційної промисловості на даний момент може здатися не дуже значною, процес декарбонізації авіаційного гасу є відносно повільним порівняно з іншими транспортними секторами. Climate Action Tracker також відзначив прогрес авіаційної галузі у вуглецевій нейтральності як «недостатній». У міру того як інші галузі впроваджують декарбонізацію, відносна частка викидів таких галузей, як авіація, які «важко скоротити», неминуче зростатиме. Якщо прогнозовані щорічні темпи зростання авіаційної промисловості залишаться неконтрольованими протягом наступних 20 років, викиди можуть зрости на 11% до 2040 року [2]. До 2050 року тривожна перспектива полягає в тому, що 25% глобальних викидів вуглецю може походити від авіаційної промисловості. Таким чином, альтернативні джерела енергії, такі як водневі паливні елементи, біопаливо та сонячні панелі, стали важливими темами досліджень в авіаційному секторі [3]. Декарбонізація та електрифікація авіації, особливо цивільної, стали невідкладними глобальними імперативами [4,5].

Багатороторні безпілотні літальні апарати (БПЛА) є невід’ємною частиною авіаційної промисловості та широко використовуються в таких сферах, як сільське господарство, лісове господарство, регіональні інспекції та швидкісні перевезення на короткі- та середні- відстані [6,7]. Відповідні дослідження, спрямовані на підвищення продуктивності шляхом зосередження на контролі параметрів польоту, плануванні траєкторії та оптимізації структур польоту, також розвиваються [[8], [9], [10]]. Однак ключовим обмеженням більшості наявних на даний момент комерційних багатороторних БПЛА є їхня залежність від літієвих батарей. Ці БПЛА зазвичай мають злітну-масу<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.

Наразі сучасні---літій-полімерні батареї забезпечують питому енергію в діапазоні 130–200 Вт·год/кг. Враховуючи потенціал майбутніх технологій акумуляторів, очікується, що розрахунковий діапазон із новими технологіями досягне 250 Вт·год/кг [14,15]. Барке та ін. [16] окреслив перспективи та технічні проблеми, з якими стикаються літій-сірчані батареї. Хоча висока питома щільність енергії, що перевищує 400 Вт·год/кг, може значно зменшити масу силової установки порівняно зі звичайними батареями, що зробить літій-сірчані батареї конкурентоспроможними, їхній короткий середній термін служби перешкоджає їх застосуванню. Яп та ін. [17] досліджували легкі БПЛА за допомогою комбінації адитивного виробництва з використанням 3D-друку та оптимізації топологічної структури. Юань та ін. [18] досліджували вплив конструктивних параметрів, таких як радіус гвинта, швидкість гвинта, кількість лопатей гвинта, ширина хорди та попередній кут закручування на динаміку польоту та характеристики літака. Використовуючи метод проектування Adkins-Liebeck, вони оптимізували конструкцію лопаті, що призвело до зменшення споживання електроенергії літаком приблизно на 3%. Хуан та ін. [19] запропонував планування завдань і-метод планування шляху для комбінованого парку БПЛА та вантажівок на основі алгоритму колонії мурашок для підвищення ефективності транспортування роїв БПЛА для логістики. Цей підхід значно розширив робочий радіус покриття БПЛА-з батарейним живленням.

Однак щільність енергії літієвих батарей означає, що-наведені вище методи мають відносно обмежений вплив на розширення радіусу дії БПЛА. Крім того, через значну потребу в електроенергії додаткової маси просте додавання додаткових батарей суттєво не розширює максимальний радіус дії. Отже, існує нагальна потреба вивчити вдосконалення трансмісії для збільшення питомої енергії.

Водень із його втричі-вищою щільністю енергії порівняно з традиційним гасом є багатообіцяючим як потенційне-рішення потужності для польотів на великі відстані. В даний час звичайні гібридні системи на паливних елементах забезпечують конкретні рівні енергії в діапазоні від 250 до 540 Вт-год/кг [20]. Застосування силових установок на паливних елементах є популярною темою досліджень в авіації [21]. Одним із прикладів є серія Aerostack Horizon Energy Systems [22]. Паливні елементи з повітряним{12}}охолодженням успішно інтегровано в численні БПЛА [[23], [24], [25], [26], [27]].

Перевага повітряному-охолодженню в низькотемпературних паливних елементах з протонообмінною мембраною (PEMFC) у БПЛА виникає через суворі обмеження ваги та простору [28]. Santos [29] і Boukoberine et al. [30] використовував реальні дані льотних випробувань для розробки стратегій дизайну та формулювання багатороторних БПЛА-на паливних елементах із вимогами до потужності приблизно 300 Вт та 1400 Вт відповідно. Лі та ін. [31] зазначив, що пасивне повітряне охолодження, яке часто використовується в невеликих -пристроях PEMFC з вимогами до потужності від 1 до 2 кВт, передбачає втягування та розподіл як реагенту, так і повітря охолоджувача по всій трубі за допомогою тих самих вентиляторів. Intelligent Energy Ltd. [32] стверджує, що постачає системи живлення з паливними елементами з повітряним-охолодженням для БПЛА з номінальною потребою в потужності 4,8 кВт. Зі сказаного вище можна продемонструвати, що прийняти дихаючу-дихаючу-димову трубу з пасивним охолодженням можливо, оскільки паливні елементи з потужністю від 0 до 4,8 кВт зазвичай оснащені вентиляторами, які забезпечують необхідний потік повітря для охолодження та реакції.

Хоча паливні елементи мають переваги з точки зору щільності енергії, їхня маневреність ускладнюється відносно низькою щільністю потужності, великими часовими затримками та повільними відгуками [33]. На відміну від цього, літієві батареї, яким потенційно не вистачає-дальності дії, можуть забезпечити вищу вихідну потужність, забезпечуючи розширені можливості динамічного реагування, особливо під час перехідних процесів-потужності, таких як коли БПЛА швидко перемикається з крейсерської фази на зависання або зниження [34]. Таким чином, у таких сценаріях поєднання літієвих батарей з паливними елементами для формування гібридних силових систем є можливою стратегією для досягнення високої щільності енергії та потужності в БПЛА [35]. Ефективні стратегії керування енергією ще більше сприяють розширенню радіусу дії та екологічній надійності гібридних БПЛА з-паливними елементами [36,37]. Отже, для БПЛА з паливними елементами малої-потужності використання паливних елементів із повітряним{13}}охолодженням у суміші з літієвими батареями є життєздатним рішенням, яке врівноважує максимальний радіус дії та час відгуку.

Зі сказаного вище стає зрозуміло, що водневі паливні елементи та низька-економіка все більше стають центрами уваги в усьому світі. Водневі паливні елементи з їх чудовою щільністю енергії з’являються як рішення для усунення недоліків БПЛА-з літієвими батареями та сприяння декарбонізації в авіаційній промисловості. Однак, незважаючи на те, що БПЛА з літієвими{4}}батареями недостатньо довговічні в практичних застосуваннях, що вказує на те, що щільність енергії паливних елементів вища, ніж у літієвих батарей, поточна більшість досліджень зосереджена на стратегіях керування енергією БПЛА-на паливних елементах. Ці стратегії використовують-попит на електроенергію в реальному часі як вхідні дані для отримання схем розподілу електроенергії для різних джерел живлення за допомогою алгоритмів. Це суттєво не відрізняється від дослідження стратегії керування енергією, яке раніше проводила наша команда щодо транспортних засобів із-паливними елементами [38,39]. Через відсутність складних аксесуарів літієві батареї часто мають переваги в менших діапазонах потужності. В даний час існує недостатня кількість літератури про поріг, при якому гібридні силові установки на паливних елементах перевершують двигуни з літієвими батареями.

У цьому дослідженні зосереджено дві проблеми, які часто ігнорувались у попередніх дослідженнях БПЛА-на паливних елементах. По-перше, для конкретних моделей і профілів польоту було запропоновано метод розрахунку граничних умов для заміни силових установок на літієвих батареях гібридними силовими установками на паливних елементах шляхом визначення діапазону, в якому паливні елементи більш підходять для застосувань БПЛА. По-друге, аналізуються унікальні аспекти сценаріїв застосування БПЛА на паливних елементах; особливо важливим є їхній вплив на попит на електроенергію.

Однією з передумов для формулювання стратегій управління енергією з використанням-попиту на електроенергію в реальному часі як вхідних даних є розуміння варіацій у попиті та пропозиції електроенергії для БПЛА в різних середовищах, які є граничними умовами для процесу формулювання стратегії. У практичних застосуваннях БПЛА, що працюють на великих висотах, як правило, потребують більше енергії для підтримки стабільного польоту через зміни температури навколишнього середовища та щільності повітря [40]. Крім того, слід звернути увагу на вплив зміни висоти на охолодження паливних елементів [41]. Озбек та ін. [42] наголосили на необхідності одночасного врахування вимог до потужності БПЛА та зміни температури для забезпечення їх координації. Система паливних елементів розташована всередині фюзеляжу БПЛА, безпосередньо втягуючи навколишнє повітря ззовні, на яке безпосередньо впливають зовнішні фактори навколишнього середовища. З одного боку, зменшення щільності повітря призводить до збільшення потреби в потужності БПЛА, що призводить до збільшення тепловиділення від паливних елементів. Водночас швидкість розсіювання тепла паливними елементами може змінюватися залежно від змін навколишнього середовища, а розріджене повітря зменшує коефіцієнт конвективної теплопередачі. Однак зниження зовнішньої температури збільшує різницю температур між стеком і навколишнім середовищем, що сприяє посиленню теплообміну між стеком і навколишнім середовищем.

Ця стаття обмежила об’єкт дослідження гексакоптерними БПЛА з максимальною-злітною вагою (MTOW) 25 кг і досліджувала вплив висоти на-БПЛА з паливними елементами. При розробці стратегій управління енергією, застосований підхід полягав у тому, щоб максимізувати продуктивність силової системи на паливних елементах, дозволяючи літієвим батареям швидко реагувати на потреби в електроенергії, а не розробляти стратегії використання всієї доступної енергії або максимізації запасу ходу. Завдяки огляду літератури, моделюванню Simulink і моделюванню ANSYS це дослідження має на меті з’ясувати діапазон, у якому використання паливних елементів у БПЛА є більш економічним вибором, зрозуміти максимальні межі польоту БПЛА з паливними елементами-різної маси, зрозуміти проблеми, які створюють унікальні сценарії застосування для БПЛА-на паливних елементах, і визначити можливі рішення.

Решта цього документа організована таким чином. У розділах 2: Методи моделювання потреби в потужності БПЛА, 3 Методи проектування та узгодження силової системи, 4 Методи розрахунку стехіометричного співвідношення повітря для розсіювання тепла, представлені методи розрахунку потреби в потужності БПЛА, узгодження силових систем БПЛА, що працюють на паливних елементах, і розрахунку необхідного потоку повітря для охолодження паливних елементів. Результати моделювання обговорюються в розділі 5. Нарешті, обговорення та висновки представлені в розділі 6.