Bränsleceller för obemannade luftfarkoster med flera rotorer: en jämförande studie av energilagrings- och prestandaanalys

2019 nådde de globala koldioxidutsläppen 920 miljoner ton [1]. Koldioxidutsläppen från alla transportslag stod för cirka 21 % av de totala utsläppen, med flygindustrin som en betydande bidragsgivare. För närvarande utgör flygutsläppen cirka 12 % av alla transportrelaterade-utsläpp, där förbränning av flygfotogen står för 79 % av flygindustrins utsläpp. Även om den totala andelen utsläpp från flygindustrin kanske inte verkar särskilt betydande för närvarande, är avkolningsprocessen för flygfotogen relativt långsam jämfört med andra transportsektorer. Climate Action Tracker har också markerat flygindustrins framsteg i koldioxidneutralitet som "otillräckliga". När andra branscher anammar avkarbonisering kommer den relativa utsläppsandelen från industrier som flyget, som är "svåra att minska", oundvikligen att öka. Om den beräknade årliga tillväxttakten för flygindustrin förblir okontrollerad under de kommande 20 åren kan utsläppen öka med 11 % till 2040 [2]. År 2050 är en oroande utsikter att 25 % av de globala koldioxidutsläppen kan komma från flygindustrin. Följaktligen har alternativa energikällor som vätebränsleceller, biobränslen och solpaneler blivit viktiga forskningsämnen inom flygsektorn [3]. Dekarbonisering och elektrifiering av luftfarten, särskilt civilflyget, har blivit angelägna globala imperativ [4,5].

Multirotor obemannade flygfarkoster (UAV) är en integrerad del av flygindustrin och används i stor utsträckning i applikationer som jordbruk, skogsbruk, regionala inspektioner och kort-till medelhög-snabb transport [6,7]. Motsvarande forskning som syftar till att förbättra prestandan genom att fokusera på kontroll av flygparametrar, vägplanering och optimering av flygstrukturer växer också fram [[8], [9], [10]]. En viktig begränsning hos de flesta för närvarande tillgängliga kommersiella multirotor-UAV:er är dock deras beroende av litiumbatterier. Dessa UAV:er uppvisar vanligtvis startmassor.-<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.

För närvarande ger-det senaste--teknikens litium-polymerbatterier specifika energier i intervallet 130–200 Wh/kg. Med tanke på potentialen hos framtida batteriteknologier förväntas ett beräknat intervall med ny teknik som når 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] beskrev de framtidsutsikter och tekniska utmaningar som litium-svavelbatterier står inför. Även om en hög specifik energitäthet som överstiger 400 Wh/kg avsevärt skulle kunna minska framdrivningssystemets massa jämfört med konventionella batterier, vilket skulle göra litium{16}}svavelbatterier konkurrenskraftiga, hindrar deras korta medellivslängd deras användning. Yap et al. [17] utforskade lätta UAV:er genom en kombination av additiv tillverkning med 3D-utskrift och topologisk strukturoptimering. Yuan et al. [18] undersökte inverkan av designparametrar som propellerradien, propellerhastighet, antal propellerblad, kordabredd och pre{24}}vridningsvinkel på flygdynamiken och prestandan hos ett flygplan. Med hjälp av Adkins-Liebeck-designmetoden optimerade de bladdesignen, vilket resulterade i en minskning av flygplanets energiförbrukning med cirka 3 %. Huang et al. [19] föreslog en metod för uppgiftsschemaläggning och{31}}planeringsmetod för en kombinerad flotta av UAV:er och lastbilar baserad på en myrkolonialgoritm för att förbättra transporteffektiviteten för UAV-svärmar för logistik. Detta tillvägagångssätt utökade avsevärt den operativa täckningsradien för batteridrivna UAV:er-.

Energitätheten hos litiumbatterier betyder dock att de ovannämnda-metoderna har en relativt begränsad inverkan på att utöka UAV-räckvidden. Dessutom, på grund av det betydande effektbehovet för den extra massan, utökar inte det maximala räckvidden avsevärt att bara lägga till fler batterier. Följaktligen finns det ett trängande behov av att utforska drivlinaförbättringar för att öka specifik energi.

Väte, med sin tre-faldigt högre energitäthet jämfört med traditionell fotogen, lovar som en potentiell-flygkraftslösning för långa avstånd. För närvarande tillhandahåller vanliga bränslecellshybridsystem specifika energinivåer som sträcker sig från 250 till 540 Wh/kg [20]. Tillämpningen av bränslecellsframdrivningssystem är ett populärt forskningsämne inom flyget [21]. Ett exempel är Horizon Energy Systems Aerostack-serien [22]. Luftkylda-bränsleceller har framgångsrikt integrerats i många UAV:er [[23], [24], [25], [26], [27]].

Preferensen för luft-kylning i låg-temperaturprotonutbytesmembranbränslecellsstaplar (PEMFC) i UAV beror på stränga vikt- och utrymmesbegränsningar [28]. Santos [29] och Boukoberine et al. [30] använde riktiga flygtestdata för att utveckla design- och formuleringsstrategier för bränslecells-drivna multirotor-UAV:er med effektbehov på cirka 300 W respektive 1400 W. Lee et al. [31] påpekade att passiv luftkylning, som ofta används i små-PEMFC-enheter med effektkrav från 1 till 2 kW, innebär att man drar in och distribuerar både reaktant- och kylmedelsluft i hela stapeln med samma fläktar. Intelligent Energy Ltd. [32] hävdar att de tillhandahåller kraftsystem med luft-kylda bränsleceller för UAV:er med ett nominellt effektbehov på 4,8 kW. Av ovanstående kan det visas att det är möjligt att använda en fri-andande passiv-kyld stack eftersom bränsleceller med effekter från 0 till 4,8 kW vanligtvis är utrustade med fläktar som ger det nödvändiga luftflödet för kylning och reaktion.

Även om bränsleceller har fördelar när det gäller energitäthet, hämmas deras manövrerbarhet av deras relativt låga effekttäthet, långa tidsfördröjningar och långsamma svar [33]. Däremot kan litiumbatterier, som potentiellt saknar kapacitet på långa-räckvidd, leverera en högre effekt, vilket ger förbättrad dynamisk respons, särskilt under hög-effekttransienter som när en UAV snabbt växlar från kryssnings- till svävnings- eller nedstigningsfaser [34]. Därför, i sådana scenarier, är kombinationen av litiumbatterier med bränsleceller för att bilda hybridframdrivningssystem en genomförbar strategi för att uppnå höga energi- och effekttätheter i UAV [35]. Effektiva energihanteringsstrategier bidrar ytterligare till att utöka räckvidden och miljömässig robusthet för hybridbränslecellsdrivna UAV:er [36,37]. För bränslecells-UAV:er med låg-effekt är det därför en användbar lösning att använda-luftkylda bränsleceller blandade med litiumbatterier som balanserar maximal räckvidd och svarstid.

Av ovanstående är det tydligt att vätebränsleceller och låg-höjdsekonomi i allt högre grad blir fokuspunkter för global uppmärksamhet. Vätgasbränsleceller, med sin överlägsna energitäthet, dyker upp som en lösning för att åtgärda bristerna hos litiumbatteridrivna UAV:er- och främja koldioxidutsläpp inom flygindustrin. Men trots att litiumbatteridrivna UAV:er- saknar hållbarhet i praktiska tillämpningar, vilket indikerar att energitätheten hos bränsleceller är högre än för litiumbatterier, koncentreras den nuvarande huvuddelen av forskningen på energihanteringsstrategierna för bränslecellsdrivna-UAV. Dessa strategier använder effektbehov i realtid som en input för att härleda effektallokeringsscheman för olika kraftkällor med hjälp av algoritmer. Detta skiljer sig inte väsentligt från forskningen om energihanteringsstrategier som tidigare utförts av vårt team om bränslecellsdrivna-fordon [38,39]. På grund av frånvaron av komplexa tillbehör har litiumbatterier ofta fördelar inom mindre effektområden. För närvarande finns det en brist på litteratur om tröskeln vid vilken bränslecellshybridframdrivningssystem överträffar framdrivningssystem för litiumbatterier.

I den här studien fokuseras två frågor som ofta har förbisetts i tidigare studier av bränslecellsdrivna UAV:er-. Först, för specifika modeller och flygprofiler, föreslogs en metod för att beräkna gränsvillkoren för att ersätta framdrivningssystem för litiumbatterier med bränslecellshybridframdrivningssystem, genom att bestämma det område inom vilket bränsleceller är mer lämpliga för UAV-tillämpningar. För det andra analyseras de unika aspekterna av bränslecells-UAV-applikationsscenarier; särskilt viktigt är deras inverkan på effektbehovssidan.

En förutsättning för att formulera energihanteringsstrategier med användning av energibehov i realtid som indata är att förstå variationerna i effektbehov och utbud för UAV:er i olika miljöer, vilket är gränsvillkor för strategiformuleringsprocessen. I praktiska tillämpningar kräver UAV som arbetar på höga höjder vanligtvis mer energi för att upprätthålla en stabil flygning på grund av förändringar i miljötemperatur och luftdensitet [40]. Dessutom kräver inverkan av höjdförändringar på bränslecells kylning ytterligare uppmärksamhet [41]. Ozbek et al. [42] betonade nödvändigheten av att samtidigt överväga UAV-effektkraven och temperaturförändringar för att säkerställa deras samordning. Bränslecellsystemet är placerat inuti flygkroppen på UAV:en och drar direkt in omgivande luft från utsidan, som är direkt påverkad av yttre miljöfaktorer. Å ena sidan leder en minskning av luftdensiteten till ett ökat effektbehov för UAV, vilket resulterar i ökad värmeutsläpp från bränslecellstapeln. Samtidigt kan värmeavledningshastigheten för bränslecellstapeln variera med miljöförändringar, och tunn luft minskar den konvektiva värmeöverföringskoefficienten. En minskning av den yttre temperaturen ökar dock temperaturskillnaden mellan stapeln och miljön, vilket hjälper till att förbättra värmeväxlingen mellan skorsten och miljön.

Denna artikel begränsade sitt forskningsobjekt till hexacopter-UAV:er med en maximal startvikt (MTOW) på 25 kg och undersökte höjdens inverkan på bränslecellsdrivna UAV:er-. När man formulerade strategier för energihantering var tillvägagångssättet att maximera effekten av bränslecellsframdrivningssystemet samtidigt som litiumbatterier kunde reagera snabbt på effektbehov snarare än att utforma strategier för att använda all tillgänglig energi eller maximera räckvidden. Genom en litteraturgenomgång, Simulink-modellering och ANSYS-simulering syftar denna studie till att klargöra intervallet inom vilket användning av bränsleceller i UAV:er är ett mer ekonomiskt val, förstå de maximala flyggränserna för bränslecellsdrivna UAV:er med olika massor, förstå de utmaningar som unika tillämpningsscenarier innebär för bränslecellsdrivna UAV:er, och identifiera möjliga lösningar.

Resten av denna artikel är organiserad enligt följande. Avsnitt 2 Metoder för att modellera UAV-effektbehov, 3 Metoder för att designa och matcha framdrivningssystemet, 4 Metod för att beräkna luftstökiometriska förhållandet för värmeavledning presenterar metoder för att beräkna UAV-effektbehovet, matcha bränslecellsdrivna UAV-framdrivningssystem och beräkning av det luftflöde som krävs för kylning av bränsleceller. Simuleringsresultaten diskuteras i avsnitt 5. Slutligen presenteras en diskussion och slutsatser i avsnitt 6.