Polttokennot moniroottoreihin miehittämättömiin lentokoneisiin: vertaileva tutkimus energian varastoinnista ja suorituskyvyn analyysistä

Vuonna 2019 maailmanlaajuiset hiilidioksidipäästöt nousivat 920 miljoonaan tonniin [1]. Kaikkien liikennemuotojen hiilidioksidipäästöt muodostivat noin 21 % kokonaispäästöistä, ja ilmailualalla on merkittävä osuus. Tällä hetkellä lentoliikenteen päästöt muodostavat noin 12 % kaikista liikenteeseen liittyvistä päästöistä, ja lentopetrolin polttaminen muodostaa 79 % ilmailuteollisuuden päästöistä. Vaikka ilmailuteollisuuden päästöjen kokonaisosuus ei tällä hetkellä vaikuta erityisen merkittävältä, lentopetrolin hiilidioksidipäästöt ovat suhteellisen hidasta muihin kuljetusaloihin verrattuna. Climate Action Tracker on myös merkinnyt ilmailualan edistymistä hiilineutraaliuden suhteen "riittiseksi". Kun muut teollisuudenalat omaksuvat hiilidioksidipäästöjen vähentämisen, ilmailun kaltaisten toimialojen suhteellinen päästöosuus, jota on "vaikea vähentää", väistämättä kasvaa. Jos ilmailualan ennustettu vuotuinen kasvuvauhti pysyy hallitsemattomana seuraavat 20 vuotta, päästöt voivat kasvaa 11 % vuoteen 2040 mennessä [2]. Vuoteen 2050 mennessä on huolestuttava, että 25 % maailman hiilidioksidipäästöistä voisi olla peräisin lentoteollisuudesta. Näin ollen vaihtoehtoisista energialähteistä, kuten vetypolttokennoista, biopolttoaineista ja aurinkopaneeleista, on tullut merkittäviä tutkimusaiheita ilmailualalla [3]. Ilmailun, erityisesti siviili-ilmailun, hiilidioksidipäästöttömyydestä ja sähköistämisestä on tullut kiireellisiä maailmanlaajuisia pakotteita [4,5].

Moniroottoriset miehittämättömät ilma-ajoneuvot (UAV) ovat olennainen osa ilmailuteollisuutta, ja niitä käytetään laajalti sellaisissa sovelluksissa kuin maataloudessa, metsätaloudessa, alueellisissa tarkastuksissa ja lyhyen -keskipitkän{2}}matkan nopeassa kuljetuksissa [6,7]. Vastaava tutkimus, jonka tavoitteena on parantaa suorituskykyä keskittymällä lentoparametrien hallintaan, reittisuunnitteluun ja lentorakenteiden optimointiin, on myös nousussa [[8], [9], [10]]. Useimpien tällä hetkellä saatavilla olevien kaupallisten moniroottoristen UAV-laitteiden keskeinen rajoitus on kuitenkin niiden riippuvuus litiumakuista. Näillä UAV:illa on tyypillisesti nousu-massoja<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.

Tällä hetkellä -moderni -litium-litium-polymeeriakut tarjoavat ominaisenergiat välillä 130–200 Wh/kg. Tulevaisuuden akkuteknologioiden mahdollisuudet huomioon ottaen uusien teknologioiden laskennallisen kantaman odotetaan saavuttavan 250 Wh/kg [14,15]. Barke et ai. [16] hahmotteli litium-rikkiakkujen tulevaisuudennäkymiä ja teknisiä haasteita. Vaikka suuri ominaisenergiatiheys, joka ylittää 400 Wh/kg, voisi merkittävästi vähentää propulsiojärjestelmän massaa perinteisiin akkuihin verrattuna, mikä tekisi litium{16}rikkiakut kilpailukykyisiksi, niiden lyhyt keskimääräinen käyttöikä haittaa niiden käyttöä. Yap et ai. [17] tutki kevyitä UAV:ita yhdistämällä additiivinen valmistus 3D-tulostusta ja topologisen rakenteen optimointia käyttäen. Yuan et ai. [18] tutki suunnitteluparametrien, kuten potkurin säteen, potkurin nopeuden, potkurin lapojen lukumäärän, jänteen leveyden ja esi{24}}kiertokulman vaikutusta lentodynamiikkaan ja lentokoneen suorituskykyyn. Adkins-Liebeck-suunnittelumenetelmää käyttämällä he optimoivat terän suunnittelun, mikä johti noin 3 %:n vähennykseen lentokoneen virrankulutuksessa. Huang et ai. [19] ehdotti tehtävien ajoitus- ja polku{31}suunnittelumenetelmää yhdistetylle UAV:lle ja kuorma-autolle, joka perustuu muurahaisyhdyskuntaalgoritmiin parantaakseen UAV-parvien kuljetustehokkuutta logistiikassa. Tämä lähestymistapa laajensi merkittävästi akkukäyttöisten UAV-laitteiden toimintasädettä.

Litiumakkujen energiatiheys tarkoittaa kuitenkin sitä, että yllä{0}}mainituilla menetelmillä on suhteellisen rajallinen vaikutus UAV-alueen laajentamiseen. Lisäksi lisämassan merkittävästä tehontarpeesta johtuen pelkkä paristojen lisääminen ei merkittävästi pidennä maksimialuetta. Tästä syystä on kipeä tarve tutkia voimansiirron parannuksia tietyn energian lisäämiseksi.

Vety, jonka energiatiheys on kolminkertainen perinteiseen kerosiiniin verrattuna, on lupaava mahdollinen pitkän matkan{2}}lentotehoratkaisu. Tällä hetkellä yleiset polttokennohybridijärjestelmät tarjoavat tietyt energiatasot välillä 250-540 Wh/kg [20]. Polttokennopropulsiojärjestelmien soveltaminen on suosittu tutkimusaihe ilmailussa [21]. Yksi esimerkki on Horizon Energy Systems Aerostack -sarja [22]. Ilmajäähdytetyt polttokennot on integroitu onnistuneesti useisiin UAV:iin [[23], [24], [25], [26], [27]].

Ilma-jäähdytyksen suosiminen matalan lämpötilan-protoninvaihtokalvopolttokennopinoissa (PEMFC) UAV:issa johtuu tiukoista paino- ja tilarajoituksista [28]. Santos [29] ja Boukoberine et ai. [30] käytti todellista lentotestidataa kehittääkseen suunnittelu- ja formulointistrategioita polttokenno{7}}moottorikäyttöisille moniroottorisille UAV:ille, joiden tehotarve on noin 300 W ja 1400 W. Lee et ai. [31] huomautti, että passiivinen ilmajäähdytys, jota käytetään usein pienikokoisissa -PEMFC-laitteissa, joiden tehotarve on 1–2 kW, sisältää sekä reagoivan aineen että jäähdytysilman imemisen ja jakamisen koko pinoon käyttämällä samoja puhaltimia. Intelligent Energy Ltd. [32] väittää toimittavansa ilmajäähdytteisillä polttokennoilla varustettuja sähköjärjestelmiä UAV:ille, joiden nimellistehontarve on 4,8 kW. Edellä olevan perusteella voidaan osoittaa, että vapaasti-hengittävä passiivinen-jäähdytetty pino on mahdollista, koska polttokennot, joiden teho vaihtelee välillä 0–4,8 kW, on tyypillisesti varustettu tuulettimilla, jotka tarjoavat tarvittavan ilmavirran jäähdytystä ja reaktiota varten.

Vaikka polttokennoilla on etuja energiatiheyden suhteen, niiden ohjattavuutta haittaavat niiden suhteellisen alhainen tehotiheys, pitkät aikaviiveet ja hitaat vasteet [33]. Sitä vastoin litiumparistot, joilta mahdollisesti puuttuu pitkän-kantaman ominaisuudet, voivat tuottaa suuremman tehon ja parantaa dynaamista vastekykyä erityisesti suuritehoisten-transienttien aikana, kuten silloin, kun UAV vaihtaa nopeasti matkalento- tai laskeutumisvaiheeseen [34]. Siksi tällaisissa skenaarioissa litiumakkujen yhdistäminen polttokennoihin hybridipropulsiojärjestelmien muodostamiseksi on toteuttamiskelpoinen strategia korkean energian ja tehon tiheyden saavuttamiseksi UAV:issa [35]. Tehokkaat energianhallintastrategiat laajentavat entisestään hybridipolttokennokäyttöisten UAV:iden kantamaa ja ympäristökestävyyttä [36,37]. Tästä syystä pienitehoisille polttokenno-UAV:ille ilmajäähdytteisten polttokennojen käyttö litiumparistojen kanssa on käyttökelpoinen ratkaisu, joka tasapainottaa maksimaalisen kantaman ja vasteajan.

Edellä olevan perusteella on selvää, että vetypolttokennot ja matalan{0}}korkeuden taloustiede ovat yhä enemmän maailmanlaajuisen huomion keskipisteitä. Vetypolttokennot, joilla on ylivoimainen energiatiheys, ovat nousemassa ratkaisuksi litiumparistokäyttöisten -UAV-laitteiden puutteiden korjaamiseen ja ilmailuteollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen. Huolimatta litiumakku{4}}käyttöisten UAV:iden kestävyydestä käytännön sovelluksissa, mikä osoittaa, että polttokennojen energiatiheys on korkeampi kuin litiumakkujen, suurin osa tutkimuksesta keskittyy polttokenno{5}}käyttöisten UAV-laitteiden energianhallintastrategioihin. Nämä strategiat käyttävät reaaliaikaista virrankulutusta{7}}syötteenä virranjakomenetelmien johtamiseen eri virtalähteille algoritmien avulla. Tämä ei olennaisesti eroa energianhallintastrategiatutkimuksesta, jonka tiimimme on aiemmin tehnyt polttokenno{9}}ajoneuvoista [38,39]. Monimutkaisten lisävarusteiden puuttumisen vuoksi litiumakuilla on usein etuja pienemmillä tehoalueilla. Tällä hetkellä on niukasti kirjallisuutta kynnysarvosta, jolla polttokennohybridipropulsiojärjestelmät ylittävät litiumakkukäyttöiset propulsiojärjestelmät.

Tässä tutkimuksessa keskitytään kahteen asiaan, jotka on usein jätetty huomiotta aikaisemmissa polttokennoilla{0}}toimivia UAV:ita koskevissa tutkimuksissa. Ensinnäkin tietyille malleille ja lentoprofiileille ehdotettiin menetelmää, jolla lasketaan rajaehdot litiumakkupropulsiojärjestelmien korvaamiseksi polttokennohybridipropulsiojärjestelmillä määrittämällä alue, jolla polttokennot sopivat paremmin UAV-sovelluksiin. Toiseksi analysoidaan polttokenno-UAV-sovellusskenaarioiden ainutlaatuiset näkökohdat; erityisen tärkeä on niiden vaikutus tehon kysyntäpuolelle.

Yksi edellytys energianhallintastrategioiden laatimiselle käyttämällä reaaliaikaista virrankulutusta{0}} on ymmärtää UAV:iden tehontarpeen ja tarjonnan vaihtelut eri ympäristöissä, jotka ovat strategian muotoiluprosessin reunaehtoja. Käytännön sovelluksissa suurilla korkeuksilla toimivat UAV:t vaativat tyypillisesti enemmän energiaa ylläpitääkseen vakaan lennon ympäristön lämpötilan ja ilman tiheyden muutosten vuoksi [40]. Lisäksi korkeuden muutosten vaikutus polttokennojen jäähdytykseen vaatii lisähuomiota [41]. Ozbek et ai. [42] korosti tarvetta ottaa samanaikaisesti huomioon UAV:n tehovaatimukset ja lämpötilan muutokset niiden koordinoinnin varmistamiseksi. Polttokennojärjestelmä sijaitsee UAV:n rungon sisällä, ja se imee suoraan ulkoilmaa, johon ulkoiset ympäristötekijät vaikuttavat suoraan. Toisaalta ilman tiheyden väheneminen johtaa UAV:iden tehontarpeen lisääntymiseen, mikä johtaa lisääntyneeseen lämmönpurkaukseen polttokennopinosta. Samanaikaisesti polttokennopinon lämmönpoistonopeus voi vaihdella ympäristön muutosten mukaan, ja ohut ilma vähentää konvektiivista lämmönsiirtokerrointa. Ulkolämpötilan lasku kuitenkin kasvattaa pinon ja ympäristön välistä lämpötilaeroa, mikä auttaa tehostamaan lämmönvaihtoa pinon ja ympäristön välillä.

Tämä artikkeli rajoitti tutkimuskohteensa heksakopteri-UAV:iin, joiden maksimi-nousupaino (MTOW) on 25 kg, ja tutki korkeuden vaikutusta polttokenno{2}}käyttöisiin UAV:iin. Energianhallintastrategioita laadittaessa pyrittiin maksimoimaan polttokennopropulsiojärjestelmän tuotto samalla, kun litiumakut pystyivät reagoimaan nopeasti tehontarpeisiin sen sijaan, että suunniteltiin strategioita kaiken käytettävissä olevan energian käyttämiseksi tai toimintasäteen maksimoimiseksi. Kirjallisuuskatsauksen, Simulink-mallinnuksen ja ANSYS-simuloinnin avulla tämä tutkimus pyrkii selventämään aluetta, jolla polttokennojen käyttö UAV:issa on taloudellisempi valinta, ymmärtää eri massaisten polttokennokäyttöisten UAV-laitteiden enimmäislentorajoja, ymmärtää haasteet, joita ainutlaatuiset sovellusskenaariot asettavat polttokenno{6}}käyttöisille UAV:ille, ja tunnistaa mahdollisia ratkaisuja.

Tämän asiakirjan loppuosa on järjestetty seuraavasti. Luvut 2 UAV-tehontarpeen mallintamismenetelmät, 3 propulsiojärjestelmän suunnittelu- ja sovitusmenetelmät, 4 lämmön haihtumisen ilman stökiömetrisen suhteen laskentamenetelmä esittävät menetelmiä UAV-tehontarpeen laskemiseen, polttokenno{4}}käyttöisten UAV-propulsiojärjestelmien jäähdyttämiseen tarvittavien polttokennojen ja ilmavirran laskentaan. Simuloinnin tuloksia käsitellään luvussa 5. Lopuksi keskustelu ja johtopäätökset esitetään luvussa 6.