Kütuseelemendid mitme rootoriga mehitamata õhusõidukitele: energia salvestamise ja jõudluse analüüsi võrdlev uuring

2019. aastal ulatusid ülemaailmsed süsinikdioksiidi heitkogused 920 miljoni tonnini [1]. Kõigi transpordiliikide süsinikdioksiidi heitkogused moodustasid ligikaudu 21% koguheitest, kusjuures lennundustööstus on selle olulise panuse andja. Praegu moodustavad lennunduse heitkogused ligikaudu 12% kõigist transpordiga seotud heitkogustest, kusjuures lennukipetrooleumi põletamine moodustab 79% lennundustööstuse heitkogustest. Kuigi lennundustööstuse heitkoguste üldine osakaal ei pruugi praegu tunduda eriti suur, on lennupetrooleumi dekarboniseerimisprotsess võrreldes teiste transpordisektoritega suhteliselt aeglane. Climate Action Tracker on samuti märkinud lennundustööstuse edusammud süsinikuneutraalsuse osas "ebapiisavaks". Kuna teised tööstusharud võtavad omaks süsinikdioksiidiheite vähendamise, suureneb paratamatult selliste tööstusharude, nagu lennundus, suhteline heitkoguste osakaal, mida on "raske vähendada". Kui lennundustööstuse prognoositud aastane kasvumäär jääb järgmise 20 aasta jooksul kontrollimatuks, võivad heitkogused 2040. aastaks suureneda 11 % [2]. Aastaks 2050 on murettekitav väljavaade, et 25% ülemaailmsetest süsinikdioksiidi heitkogustest võib pärineda lennutööstusest. Sellest tulenevalt on alternatiivsed energiaallikad, nagu vesinikkütuseelemendid, biokütused ja päikesepaneelid, muutunud lennundussektoris olulisteks uurimisteemadeks [3]. Lennunduse, eriti tsiviillennunduse dekarboniseerimine ja elektrifitseerimine on muutunud kiireloomuliseks ülemaailmseks vajaduseks [4,5].

Mitmerootorilised mehitamata õhusõidukid (UAV) on lennundustööstuse lahutamatu osa ja neid kasutatakse laialdaselt sellistes rakendustes nagu põllumajandus, metsandus, piirkondlikud kontrollid ja lühi-{1}}keskmaa{2}}kiirtransport [6,7]. Vastavad uuringud, mille eesmärk on parandada jõudlust, keskendudes lennuparameetrite juhtimisele, trajektoori planeerimisele ja lennustruktuuride optimeerimisele, on samuti vohamas [[8], [9], [10]]. Enamiku praegu saadaolevate kaubanduslike multirootori UAV-de peamine piirang on aga nende sõltuvus liitiumakudest. Nendel mehitamata õhusõidukitel on tavaliselt stardi{8}}mass<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.

Praegu pakuvad nüüdisaegsed--liitium-polümeerakud erienergiat vahemikus 130–200 Wh/kg. Arvestades tulevaste akutehnoloogiate potentsiaali, eeldatakse uute tehnoloogiatega arvestuslikku vahemikku 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] kirjeldas liitium-väävelpatareide väljavaateid ja tehnilisi väljakutseid. Kuigi kõrge energia eritihedus, mis ületab 400 Wh/kg, võib tõukejõusüsteemi massi võrreldes tavaliste akudega oluliselt vähendada, mis muudaks liitium{16}väävelakud konkurentsivõimeliseks, takistab nende lühike keskmine eluiga nende kasutamist. Yap et al. [17] uuris kergeid mehitamata õhusõidukeid, kombineerides 3D-printimist ja topoloogilise struktuuri optimeerimist kasutades lisaainete tootmist. Yuan et al. [18] uuris konstruktsiooniparameetrite, nagu propelleri raadius, propelleri kiirus, sõukruvi labade arv, kõõlu laius ja eel{24}}pöördenurk, mõju õhusõiduki lennudünaamikale ja jõudlusele. Adkins{26}}Liebecki disainimeetodit kasutades optimeerisid nad labade disaini, mille tulemusel vähenes lennuki energiatarbimine ligikaudu 3%. Huang et al. [19] pakkus välja ülesannete ajastamise ja tee{31}planeerimise meetodi UAV-de ja veoautode kombineeritud pargi jaoks, mis põhines sipelgate kolooniaalgoritmil, et parandada logistika jaoks mõeldud UAV-parvede transporditõhusust. See lähenemisviis laiendas märkimisväärselt akutoitega mehitamata õhusõidukite{33}}tööraadiust.

Liitiumakude energiatihedus tähendab aga seda, et ülalnimetatud{0}}meetoditel on UAV leviulatuse laiendamisel suhteliselt piiratud mõju. Lisaks ei pikenda lisamassi märkimisväärse energiavajaduse tõttu ainuüksi akude lisamine maksimaalset ulatust oluliselt. Järelikult on tungiv vajadus uurida jõuülekande täiustusi, et suurendada erienergiat.

Vesinik, mille energiatihedus on kolm- korda suurem kui traditsioonilisel petrooleumil, on potentsiaalne pikamaa{2}}lennuenergia lahendus. Praegu pakuvad tavalised kütuseelementide hübriidsüsteemid spetsiifilisi energiatasemeid vahemikus 250–540 Wh/kg [20]. Kütuseelementide tõukejõusüsteemide rakendamine on lennunduses populaarne uurimisteema [21]. Üks näide on Horizon Energy Systems Aerostack seeria [22]. Õhkjahutusega kütuseelemendid on edukalt integreeritud paljudesse UAV-desse [[23], [24], [25], [26], [27]].

Õhkjahutuse eelistamine-madalatemperatuurilise-prootonvahetusmembraani kütuseelemendi (PEMFC) korstnates UAV-des tuleneb rangetest kaalu- ja ruumipiirangutest [28]. Santos [29] ja Boukoberine jt. [30] kasutas reaalseid lennukatsete andmeid, et töötada välja kütuseelemendiga -mootoriga mitme rootoriga UAV-de konstruktsiooni- ja koostisstrateegiad, mille võimsusvajadus on vastavalt ligikaudu 300 W ja 1400 W. Lee et al. [31] tõi välja, et passiivne õhkjahutus, mida sageli kasutatakse väikesemahulistes PEMFC-seadmetes, mille võimsus on 1–2 kW, hõlmab nii reaktiivi kui ka jahutusvedeliku õhu sissevõtmist ja jaotamist kogu korstnasse, kasutades samu ventilaatoreid. Intelligent Energy Ltd. [32] väidab, et pakub 4,8 kW nimivõimsusega UAV-de jaoks õhkjahutusega kütuseelementidega toitesüsteeme. Ülaltoodu põhjal võib näidata, et vabalt-hingava passiivse-jahutusega korstna kasutuselevõtt on teostatav, kuna 0–4,8 kW võimsusega kütuseelemendid on tavaliselt varustatud ventilaatoritega, mis tagavad jahutamiseks ja reageerimiseks vajaliku õhuvoolu.

Kuigi kütuseelementidel on eelised energiatiheduse osas, takistavad nende manööverdusvõimet nende suhteliselt madal võimsustihedus, pikad viivitused ja aeglased reaktsioonid [33]. Seevastu liitiumakud, millel võib puududa pika-vahemaa võimekus, suudavad pakkuda suuremat väljundvõimsust, pakkudes paremat dünaamilist reageerimisvõimet, eriti suure võimsusega-transientide ajal, näiteks kui UAV lülitub kiiresti reisilennult hõljumise või laskumise faasi [34]. Seetõttu on sellistes stsenaariumides liitiumpatareide kombineerimine kütuseelementidega hübriidajamisüsteemide moodustamiseks teostatav strateegia UAV-de suure energia- ja võimsustiheduse saavutamiseks [35]. Tõhusad energiahaldusstrateegiad aitavad veelgi kaasa hübriidkütuseelemendiga -mehitamata õhusõidukite leviala ja keskkonnakindluse suurendamisele [36,37]. Seega on madala võimsusega kütuseelementidega UAV-de puhul kasutada õhkjahutusega kütuseelementide{13}}kasutamist liitiumakudega kombineerituna elujõuline lahendus, mis tasakaalustab maksimaalse tööulatuse ja reageerimisaja.

Ülaltoodu põhjal on selge, et vesinikkütuseelemendid ja madala{0}}kõrguse ökonoomika muutuvad üha enam ülemaailmse tähelepanu keskpunktiks. Suurema energiatihedusega vesinikkütuseelemendid on esile kerkimas lahendusena liitiumpatarei{2}}toitega mehitamata õhusõidukite puuduste kõrvaldamiseks ja õhusõidukitööstuse dekarboniseerimise edendamiseks. Vaatamata sellele, et liitiumpatarei{4}}toitel mehitamata õhusõidukid ei ole praktilistes rakendustes vastupidavad, mis näitab, et kütuseelementide energiatihedus on suurem kui liitiumakudel, keskendub praegune suurem osa uuringutest kütuseelementidega -toitega UAV-de energiahaldusstrateegiatele. Need strateegiad kasutavad reaalajas-toitevajadust sisendina, et tuletada erinevate toiteallikate jaoks võimsuse jaotamise skeeme, kasutades algoritme. See ei erine oluliselt meie meeskonna poolt varem läbi viidud energiahaldusstrateegia uuringust kütuseelemendiga{9}}mootoriga sõidukite kohta [38,39]. Keeruliste tarvikute puudumise tõttu on liitiumakudel sageli eeliseid väiksemates võimsusvahemikes. Praegu on vähe kirjandust künnise kohta, mille juures kütuseelementide hübriidjõusüsteemid ületavad liitiumaku tõukejõusüsteeme.

Selles uuringus keskendutakse kahele probleemile, mis on varasemates kütuseelementidel töötavate UAV-de{0}}uuringutes sageli tähelepanuta jäetud. Esiteks pakuti konkreetsete mudelite ja lennuprofiilide jaoks välja meetod liitiumaku tõukejõusüsteemide kütuseelementide hübriidjõusüsteemidega asendamise piirtingimuste arvutamiseks, määrates kindlaks vahemiku, milles kütuseelemendid on UAV-rakenduste jaoks sobivamad. Teiseks analüüsitakse kütuseelementide UAV-rakenduste stsenaariumide ainulaadseid aspekte; eriti oluline on nende mõju energianõudluse poolele.

Üks eeltingimus energiahaldusstrateegiate koostamiseks, kasutades sisendina{0}}reaalajas energianõudlust, on mõista mehitamata õhusõidukite energianõudluse ja -pakkumise erinevusi erinevates keskkondades, mis on strateegia koostamise protsessi piirtingimused. Praktilistes rakendustes vajavad suurtel kõrgustel töötavad mehitamata õhusõidukid tavaliselt rohkem energiat stabiilse lennu säilitamiseks keskkonnatemperatuuri ja õhutiheduse muutumise tõttu [40]. Lisaks vajab täiendavat tähelepanu kõrguse muutuste mõju kütuseelementide jahutamisele [41]. Ozbek et al. [42] rõhutas vajadust arvestada üheaegselt UAV võimsusnõudeid ja temperatuurimuutusi, et tagada nende koordineerimine. Kütuseelemendisüsteem asub UAV kere sees, tõmmates välisõhku otse väljast sisse, mida mõjutavad otseselt välised keskkonnategurid. Ühest küljest põhjustab õhutiheduse vähenemine UAV-de energiavajaduse suurenemist, mille tulemuseks on suurenenud soojuseraldus kütuseelemendi korstnast. Samal ajal võib kütuseelementide korstna soojuse hajumise kiirus keskkonnamuutustega muutuda ja hõre õhk vähendab konvektiivset soojusülekandetegurit. Välistemperatuuri langus suurendab aga temperatuuride erinevust korstna ja keskkonna vahel, mis aitab parandada soojusvahetust korstna ja keskkonna vahel.

See artikkel piirdus oma uurimisobjektiga heksakopteri UAV-dega, mille maksimaalne stardimass{0}} (MTOW) on 25 kg, ja uuriti kõrguse mõju kütuseelemendiga -toitega UAV-dele. Energiahaldusstrateegiate koostamisel kasutati lähenemisviisi kütuseelementide tõukejõusüsteemi väljundi maksimeerimiseks, võimaldades liitiumakudel kiiresti reageerida energiavajadustele, selle asemel et kavandada strateegiaid kogu olemasoleva energia kasutamiseks või tööulatuse maksimeerimiseks. Kirjanduse ülevaate, Simulinki modelleerimise ja ANSYS-i simulatsiooni abil püüab see uuring selgitada, millises ulatuses on kütuseelementide kasutamine mehitamata õhusõidukites ökonoomsem valik, mõista erineva massiga kütuseelemendiga töötavate UAV-de maksimaalseid lennupiire, mõista väljakutseid, mida unikaalsed rakendusestsenaariumid kütuseelemendiga{6}}rakendajatele esitavad, ja tuvastada võimalikud lahendused.

Ülejäänud osa sellest artiklist on korraldatud järgmiselt. Jaotises 2 UAV võimsusvajaduse modelleerimise meetodid, 3 tõukejõusüsteemi projekteerimise ja sobitamise meetodid, 4 soojuse hajumise õhu stöhhiomeetrilise suhte arvutamise meetodid esitatakse meetodid UAV võimsusvajaduse arvutamiseks, kütuseelemendiga -toitega UAV tõukejõusüsteemide sobitamine vajalike kütuseelementide ja õhuvoolu arvutamiseks. Simulatsiooni tulemusi käsitletakse 5. jaos. Lõpuks on arutelu ja järeldused esitatud 6. osas.