Degvielas elementi bezpilota lidaparātiem ar daudzrotoru: salīdzinošs enerģijas uzglabāšanas un veiktspējas analīzes pētījums

2019. gadā globālās oglekļa dioksīda emisijas sasniedza 920 miljonus tonnu [1]. Visu transporta veidu oglekļa emisijas veidoja aptuveni 21 % no kopējām emisijām, un aviācijas nozarei ir ievērojams ieguldījums. Pašlaik aviācijas emisijas veido aptuveni 12 % no visām ar transportu saistītajām emisijām, un aviācijas petrolejas sadedzināšana rada 79 % no aviācijas nozares emisijām. Lai gan kopējais aviācijas nozares radīto emisiju īpatsvars pašlaik var nešķist īpaši nozīmīgs, aviācijas petrolejas dekarbonizācijas process ir salīdzinoši lēns, salīdzinot ar citām transporta nozarēm. Climate Action Tracker arī ir atzīmējis aviācijas nozares progresu oglekļa neitralitātes jomā kā "nepietiekamu". Tā kā citas nozares aptver dekarbonizāciju, tādās nozarēs kā aviācija, kuras ir "grūti samazināt", relatīvā emisiju daļa neizbēgami palielināsies. Ja prognozētais aviācijas nozares gada pieauguma temps turpmākos 20 gadus netiks kontrolēts, emisijas līdz 2040. gadam var palielināties par 11 % [2]. Satraucoša perspektīva ir tāda, ka līdz 2050. gadam 25 % no pasaules oglekļa emisijām varētu rasties aviācijas nozarē. Līdz ar to alternatīvie enerģijas avoti, piemēram, ūdeņraža kurināmā elementi, biodegviela un saules paneļi, ir kļuvuši par nozīmīgām pētniecības tēmām aviācijas nozarē [3]. Aviācijas, īpaši civilās aviācijas, dekarbonizācija un elektrifikācija ir kļuvušas par neatliekamām globālām prasībām [4,5].

Daudzrotoru bezpilota lidaparāti (UAV) ir aviācijas nozares neatņemama sastāvdaļa, un tos plaši izmanto tādās lietojumprogrammās kā lauksaimniecība, mežsaimniecība, reģionālās inspekcijas un īsa{1}}vidēja{2} attāluma ātra transportēšana [6,7]. Atbilstoši pētījumi, kuru mērķis ir uzlabot veiktspēju, koncentrējoties uz lidojuma parametru kontroli, trajektorijas plānošanu un lidojuma struktūru optimizāciju, arī strauji attīstās [[8], [9], [10]]. Tomēr lielākajai daļai pašlaik pieejamo komerciālo daudzrotoru bezpilota lidaparātu galvenais ierobežojums ir to atkarība no litija baterijām. Šiem bezpilota lidaparātiem parasti ir pacelšanās-masas<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.

Pašlaik jaunākie--modernākie litija-polimēru akumulatori nodrošina īpašu enerģiju diapazonā no 130 līdz 200 Wh/kg. Ņemot vērā nākotnes akumulatoru tehnoloģiju potenciālu, ir paredzams aprēķinātais diapazons ar jaunajām tehnoloģijām, kas sasniedz 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] izklāstīja perspektīvas un tehniskās problēmas, ar kurām jāsaskaras litija -sēra akumulatoriem. Lai gan liels īpatnējais enerģijas blīvums, kas pārsniedz 400 Wh/kg, varētu ievērojami samazināt piedziņas sistēmas masu salīdzinājumā ar parastajiem akumulatoriem, kas padarītu litija{16}sēra akumulatorus konkurētspējīgus, to īsais vidējais kalpošanas laiks kavē to izmantošanu. Yap et al. [17] pētīja vieglos bezpilota lidaparātus, izmantojot piedevu ražošanu, izmantojot 3D drukāšanu un topoloģiskās struktūras optimizāciju. Yuan et al. [18] pētīja konstrukcijas parametru, piemēram, dzenskrūves rādiusa, dzenskrūves ātruma, dzenskrūves lāpstiņu skaita, akordu platuma un pirms{24}}pagrieziena leņķa, ietekmi uz lidmašīnas lidojuma dinamiku un veiktspēju. Izmantojot Adkinsa{26}}Lībeka projektēšanas metodi, viņi optimizēja lāpstiņas dizainu, kā rezultātā lidmašīnas enerģijas patēriņš tika samazināts par aptuveni 3%. Huang et al. [19] ierosināja uzdevumu plānošanas un ceļa{31}plānošanas metodi apvienotai bezpilota lidaparātu un kravas automašīnu parkam, pamatojoties uz skudru kolonijas algoritmu, lai uzlabotu bezpilota lidaparātu baru transportēšanas efektivitāti loģistikas vajadzībām. Šī pieeja ievērojami paplašināja ar akumulatoru darbināmu bezpilota lidaparātu{33}}darbības pārklājuma rādiusu.

Tomēr litija bateriju enerģijas blīvums nozīmē, ka iepriekš{0}}minētajām metodēm ir salīdzinoši ierobežota ietekme uz UAV diapazona paplašināšanu. Turklāt, ņemot vērā ievērojamo papildu masas jaudas pieprasījumu, tikai vairāku akumulatoru pievienošana nepalielina maksimālo diapazonu. Līdz ar to ir steidzami jāizpēta spēka piedziņas uzlabojumi, lai palielinātu specifisko enerģiju.

Ūdeņradis ar trīs-reiz lielāku enerģijas blīvumu salīdzinājumā ar tradicionālo petroleju ir daudzsološs kā potenciāls liela attāluma{2}}lidojuma jaudas risinājums. Pašlaik parastās degvielas šūnu hibrīdsistēmas nodrošina īpašus enerģijas līmeņus no 250 līdz 540 Wh/kg [20]. Kurināmā elementu piedziņas sistēmu pielietošana ir populāra pētniecības tēma aviācijā [21]. Viens piemērs ir Horizon Energy Systems Aerostack sērija [22]. Ar gaisu -dzesējamās degvielas šūnas ir veiksmīgi integrētas daudzos bezpilota lidaparātos [[23], [24], [25], [26], [27]].

Priekšroka gaisa -dzesēšanai zemas-temperatūras protonu apmaiņas membrānas kurināmā elementu (PEMFC) skursteņos bezpilota lidaparātos rodas stingru svara un telpas ierobežojumu dēļ [28]. Santos [29] un Boukoberine et al. [30] izmantoja reālus lidojuma testa datus, lai izstrādātu dizaina un formulēšanas stratēģijas ar degvielas elementu -barojamiem daudzrotoru bezpilota lidaparātiem, kuru jauda ir attiecīgi aptuveni 300 W un 1400 W. Lī et al. [31] norādīja, ka pasīvā gaisa dzesēšana, ko bieži izmanto maza mēroga -PEMFC ierīcēs ar jaudu no 1 līdz 2 kW, ietver gan reaģenta, gan dzesēšanas šķidruma ievilkšanu un sadali pa visu skursteni, izmantojot vienus un tos pašus ventilatorus. Intelligent Energy Ltd. [32] apgalvo, ka nodrošina energosistēmas ar gaisu{19}}dzesējamiem degvielas elementiem bezpilota lidaparātiem ar nominālo jaudu 4,8 kW. No iepriekš minētā var pierādīt, ka brīvi-elpojoša pasīva-dzesēta skursteņa izmantošana ir iespējama, jo kurināmā elementi ar jaudu no 0 līdz 4,8 kW parasti ir aprīkoti ar ventilatoriem, kas nodrošina dzesēšanai un reakcijai nepieciešamo gaisa plūsmu.

Lai gan kurināmā elementiem ir priekšrocības enerģijas blīvuma ziņā, to manevrētspēju apgrūtina salīdzinoši zemais jaudas blīvums, ilgā laika aizkave un lēnā reakcija [33]. Turpretim litija baterijas, kurām, iespējams, nav liela{2}}darbības diapazona, var nodrošināt lielāku jaudu, nodrošinot uzlabotas dinamiskās reakcijas spējas, jo īpaši lielas-jaudas pārejas laikā, piemēram, kad UAV ātri pārslēdzas no kruīza uz lidojuma vai nolaišanās fāzi [34]. Tāpēc šādos scenārijos litija bateriju apvienošana ar kurināmā elementiem, veidojot hibrīdas vilces sistēmas, ir iespējama stratēģija, lai sasniegtu augstu enerģijas un jaudas blīvumu bezpilota lidaparātos [35]. Efektīvas enerģijas pārvaldības stratēģijas vēl vairāk palīdz paplašināt hibrīda degvielas elementu -bezpilota lidaparātu darbības rādiusu un vides noturību [36,37]. Tādējādi zemas{12}}jaudas degvielas elementu bezpilota lidaparātiem ar gaisu{13}}dzesētu degvielas elementu izmantošana kopā ar litija baterijām ir dzīvotspējīgs risinājums, kas līdzsvaro maksimālo diapazonu un reakcijas laiku.

No iepriekš minētā ir skaidrs, ka ūdeņraža kurināmā elementi un zema{0}}augstuma ekonomika arvien vairāk kļūst par globālās uzmanības centrā. Ūdeņraža kurināmā elementi ar to izcilo enerģijas blīvumu tiek izmantoti kā risinājums, lai novērstu ar litija baterijām darbināmu -bezpilota lidaparātu nepilnības un veicinātu dekarbonizāciju aviācijas nozarē. Tomēr, neskatoties uz to, ka ar litija{4}}akumulatoriem darbināmiem bezpilota lidaparātiem praktiski pielietojumam trūkst izturības, kas liecina, ka kurināmā elementu enerģijas blīvums ir lielāks nekā litija akumulatoriem, pašlaik lielākā daļa pētījumu koncentrējas uz degvielas elementu -barojamo UAV enerģijas pārvaldības stratēģijām. Šīs stratēģijas izmanto reāllaika enerģijas pieprasījumu{7}}kā ievadi, lai, izmantojot algoritmus, iegūtu enerģijas sadales shēmas dažādiem enerģijas avotiem. Tas būtiski neatšķiras no enerģijas pārvaldības stratēģijas pētījuma, ko mūsu komanda iepriekš veica par transportlīdzekļiem ar degvielas elementu{9}} [38, 39]. Tā kā nav sarežģītu piederumu, litija akumulatoriem bieži ir priekšrocības mazākos jaudas diapazonos. Pašlaik ir maz literatūras par slieksni, kurā kurināmā elementu hibrīda piedziņas sistēmas pārspēj litija akumulatoru piedziņas sistēmas.

Šajā pētījumā galvenā uzmanība ir pievērsta diviem jautājumiem, kas bieži tika ignorēti iepriekšējos pētījumos par degvielas elementiem{0}}darbināmiem bezpilota lidaparātiem. Pirmkārt, konkrētiem modeļiem un lidojuma profiliem tika piedāvāta metode, lai aprēķinātu robežnosacījumus litija akumulatoru vilces sistēmu aizstāšanai ar kurināmā elementu hibrīda vilces sistēmām, nosakot diapazonu, kurā kurināmā elementi ir piemērotāki UAV lietojumiem. Otrkārt, tiek analizēti kurināmā elementu UAV pielietojuma scenāriju unikālie aspekti; īpaši svarīga ir to ietekme uz elektroenerģijas pieprasījuma pusi.

Viens no priekšnoteikumiem, lai formulētu enerģijas pārvaldības stratēģijas, izmantojot reāllaika jaudas pieprasījumu kā ievadi, ir saprast bezpilota lidaparātu enerģijas pieprasījuma un piedāvājuma atšķirības dažādās vidēs, kas ir stratēģijas formulēšanas procesa robežnosacījumi. Praktiskā pielietojumā bezpilota lidaparātiem, kas darbojas lielā augstumā, parasti ir nepieciešams vairāk enerģijas, lai uzturētu stabilu lidojumu vides temperatūras un gaisa blīvuma izmaiņu dēļ [40]. Turklāt papildu uzmanība jāpievērš augstuma izmaiņu ietekmei uz kurināmā elementu dzesēšanu [41]. Ozbeks et al. [42] uzsvēra nepieciešamību vienlaikus ņemt vērā UAV jaudas prasības un temperatūras izmaiņas, lai nodrošinātu to koordināciju. Degvielas šūnu sistēma atrodas UAV fizelāžas iekšpusē, tieši ievelkot apkārtējo gaisu no ārpuses, ko tieši ietekmē ārējie vides faktori. No vienas puses, gaisa blīvuma samazināšanās palielina bezpilota lidaparātu jaudas pieprasījumu, kā rezultātā palielinās siltuma izlāde no kurināmā elementu kaudzes. Vienlaikus kurināmā elementu kaudzes siltuma izkliedes ātrums var mainīties atkarībā no vides izmaiņām, un rets gaiss samazina konvekcijas siltuma pārneses koeficientu. Tomēr ārējās temperatūras pazemināšanās palielina temperatūras starpību starp skursteni un vidi, kas palīdz uzlabot siltuma apmaiņu starp skursteni un vidi.

Šajā rakstā tika pētīts tikai heksakopteru bezpilota lidaparāti, kuru maksimālais pacelšanās svars (MTOW) ir 25 kg, un tika pētīta augstuma ietekme uz bezpilota lidaparātiem ar degvielas elementu{2}}. Formulējot enerģijas pārvaldības stratēģijas, tika izmantota pieeja, lai maksimāli palielinātu kurināmā elementu piedziņas sistēmas jaudu, vienlaikus ļaujot litija akumulatoriem ātri reaģēt uz enerģijas prasībām, nevis izstrādāt stratēģijas, lai izmantotu visu pieejamo enerģiju vai palielinātu diapazonu. Izmantojot literatūras apskatu, Simulink modelēšanu un ANSYS simulāciju, šī pētījuma mērķis ir noskaidrot diapazonu, kurā degvielas elementu izmantošana bezpilota lidaparātos ir ekonomiskāka izvēle, izprast dažādas masas ar degvielas elementu darbināmu bezpilota lidaparātu maksimālās lidojuma robežas, izprast izaicinājumus, ko rada unikāli lietojumprogrammu scenāriji degvielas elementiem{6}} un identificēt iespējamos risinājumus.

Pārējā šī raksta daļa ir sakārtota šādi. 2. nodaļās UAV jaudas pieprasījuma modelēšanas metodes, 3. piedziņas sistēmas projektēšanas un pielāgošanas metodes, 4. metodes gaisa stehiometriskās attiecības aprēķināšanai siltuma izkliedei ir aprakstītas metodes UAV jaudas pieprasījuma aprēķināšanai, kurināmā elementu -motorizētu UAV vilces sistēmu saskaņošanai nepieciešamo degvielas elementu dzesēšanai un gaisa plūsmas aprēķināšanai. Simulācijas rezultāti ir apskatīti 5. sadaļā. Visbeidzot, diskusija un secinājumi ir sniegti 6. sadaļā.