Eldsneytisfrumur fyrir ómönnuð loftfartæki með mörgum snúningum: samanburðarrannsókn á orkugeymslu og afkastagreiningu

Árið 2019 náði losun koltvísýrings á heimsvísu 920 milljón tonn [1]. Kolefnislosun frá öllum flutningsmátum nam um það bil 21% af heildarlosuninni, þar sem flugiðnaðurinn er verulegur þátttakandi. Eins og er, er losun flugs um það bil 12% af allri-samgöngutengdri losun, þar sem brennsla steinolíu frá flugi er 79% af losun flugiðnaðarins. Þó að heildarhlutfall losunar frá flugiðnaði virðist ekki vera sérstaklega marktækt eins og er, þá er kolefnislosunarferli flugsteinolíu tiltölulega hægt miðað við aðra flutningageira. The Climate Action Tracker hefur einnig merkt framfarir flugiðnaðarins í kolefnishlutleysi sem „ófullnægjandi“. Þar sem aðrar atvinnugreinar taka upp kolefnislosun mun hlutfallsleg losunarhlutdeild atvinnugreina eins og flugs, sem „erfitt er að draga úr“, óhjákvæmilega aukast. Ef áætlaður árlegur vöxtur flugiðnaðarins verður óheftur næstu 20 árin gæti losun aukist um 11% fyrir árið 2040 [2]. Árið 2050 er áhyggjuefni að 25% af kolefnislosun á heimsvísu gæti komið frá flugiðnaðinum. Þar af leiðandi hafa aðrir orkugjafar eins og vetniseldsneytisfrumur, lífeldsneyti og sólarrafhlöður orðið mikilvæg rannsóknarefni í fluggeiranum [3]. Kolefnavæðing og rafvæðing flugs, sérstaklega borgaralegs flugs, eru orðin brýn alþjóðleg skilyrði [4,5].

Ómannað loftfarartæki með mörgum snúningum (UAV) eru óaðskiljanlegur hluti af flugiðnaðinum og eru mikið notaðir í notkun á borð við landbúnað, skógrækt, svæðisskoðun og stutta-til meðal-hraða flutninga [6,7]. Samsvarandi rannsóknir sem miða að því að auka frammistöðu með því að einblína á stjórnun flugbreyta, áætlunargerð flugleiða og hagræðingu flugmannvirkja eru einnig vaxandi [[8], [9], [10]]. Hins vegar er lykiltakmörkun flestra sem nú eru fáanleg fjölrotor UAV í atvinnuskyni að treysta á litíum rafhlöður. Þessar flugvélar sýna venjulega flugtaksmessur.-<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.

Eins og er, gefa---tækni litíum-fjölliða rafhlöður sérstaka orku á bilinu 130–200 Wh/kg. Með hliðsjón af möguleikum framtíðar rafhlöðutækni er gert ráð fyrir reiknað svið með nýrri tækni sem nái 250 Wh/kg [14,15]. Barke o.fl. [16] lýsti horfum og tæknilegum áskorunum sem litíum-brennisteinsrafhlöður standa frammi fyrir. Þótt hár sérstakur orkuþéttleiki yfir 400 Wh/kg gæti dregið verulega úr massa knúningskerfisins samanborið við hefðbundnar rafhlöður, sem myndi gera litíum-brennisteinsrafhlöður samkeppnishæfar, hindrar stutt meðallíftími notkun þeirra. Yap o.fl. [17] kannaði léttar flugvélar með blöndu af aukefnaframleiðslu með því að nota þrívíddarprentun og fínstillingu á staðfræðilegri uppbyggingu. Yuan o.fl. [18] rannsakaði áhrif hönnunarstærða eins og radíus skrúfu, hraða skrúfu, fjölda skrúfublaða, strengjabreiddar og forsnúningshorns á flugvirkni og afköst flugvélar. Með því að nota Adkins-Liebeck hönnunaraðferðina fínstilltu þeir blaðhönnunina, sem leiddi til um það bil 3% minnkunar á orkunotkun flugvéla. Huang o.fl. [19] lagði til verkáætlunar- og slóðaáætlunaraðferð- fyrir sameinaðan flota flugvéla og vörubíla byggða á reikniritma mauraþyrpinga til að auka flutningsskilvirkni UAV-sveima fyrir flutninga. Þessi nálgun stækkaði verulega umfangsradíus rafhlöðuknúinna flugvéla-.

Hins vegar þýðir orkuþéttleiki litíum rafhlaðna að ofangreindar aðferðir-hafa tiltölulega takmörkuð áhrif á að stækka UAV svið. Þar að auki, vegna umtalsverðrar orkuþörf viðbótarmassans, stækkar það að bæta við fleiri rafhlöðum ekki hámarkssviðið verulega. Þar af leiðandi er brýn þörf á að kanna endurbætur á aflrásinni til að auka tiltekna orku.

Vetni, með þrefalt-falt meiri orkuþéttleika samanborið við hefðbundið steinolíu, lofar góðu sem möguleg langdræg flugafllausn. Eins og er, bjóða algeng hybrid kerfi fyrir eldsneytisfrumur tiltekið orkustig á bilinu 250 til 540 Wh/kg [20]. Notkun eldsneytisfrumukerfa er vinsælt rannsóknarefni í flugi [21]. Eitt dæmi er Horizon Energy Systems Aerostack röð [22]. Loftkældar eldsneytisfrumur hafa verið samþættar í fjölmörgum flugvélum [[23], [24], [25], [26], [27]].

Valið á loft-kælingu í lágum-hita róteindaskiptahimnueldsneytisfrumum (PEMFC) stafla í UAV stafar af ströngum þyngdar- og plássþröngum [28]. Santos [29] og Boukoberine o.fl. [30] notaði raunveruleg flugprófunargögn til að þróa hönnunar- og mótunaraðferðir fyrir eldsneytisfrumu-knúna fjölrotor UAV með aflþörf upp á um það bil 300 W og 1400 W, í sömu röð. Lee o.fl. [31] benti á að óvirk loftkæling, sem er oft notuð í litlum-PEMFC tækjum með aflþörf frá 1 til 2 kW, felur í sér að draga inn og dreifa bæði hvarfefnis- og kælivökvalofti um staflan með því að nota sömu viftur. Intelligent Energy Ltd. [32] segist útvega raforkukerfi með-loftkældum eldsneytisfrumum fyrir UAV með 4,8 kW nafnafli. Af ofangreindu er hægt að sýna fram á að innleiðing á ókeypis-öndunaraðgerðalausum-kældum stafla er framkvæmanlegt vegna þess að efnarafalar með afl á bilinu 0 til 4,8 kW eru venjulega búnar viftum sem veita nauðsynlegt loftflæði til kælingar og hvarfs.

Þrátt fyrir að efnarafrumur hafi kosti hvað varðar orkuþéttleika er stjórnhæfni þeirra hindrað af tiltölulega lágum aflþéttleika þeirra, löngum töfum og hægum viðbrögðum [33]. Aftur á móti geta litíum rafhlöður, sem hugsanlega skortir langdrægni, skilað meiri afköstum og veitt aukna kraftmikla viðbragðsgetu, sérstaklega við háa-aflstrauma eins og þegar UAV skiptir hratt frá siglinga- til sveima- eða lækkunarfasa [34]. Þess vegna, í slíkum tilfellum, er að sameina litíum rafhlöður með efnarafalum til að mynda blendingur knúningskerfi framkvæmanleg stefna til að ná háum orku- og aflþéttleika í UAV [35]. Árangursríkar orkustjórnunaraðferðir stuðla enn frekar að því að auka drægni og umhverfisstyrkleika blendinga eldsneytisfrumna-knúinna UAV [36,37]. Þess vegna er raunhæf lausn fyrir lága-eldsneytisfrumu UAVs að nota loftkælda-efnarafala í bland við litíum rafhlöður sem jafnvægi hámarks drægni og viðbragðstíma.

Af ofangreindu er ljóst að vetniseldsneytisfrumur og lág-hæðarhagfræði eru sífellt að verða þungamiðja alþjóðlegrar athygli. Vetniseldsneytisfrumur, með yfirburða orkuþéttleika, eru að koma fram sem lausn til að taka á göllum litíum rafhlöðu-knúinna flugvéla og stuðla að kolefnislosun í flugiðnaðinum. Hins vegar, þrátt fyrir að litíum rafhlöður-knúnar flugvélar skorti endingu í hagnýtri notkun, sem gefur til kynna að orkuþéttleiki eldsneytisfrumna sé hærri en litíum rafhlöður, þá beinist núverandi meginhluti rannsókna að orkustjórnunaraðferðum eldsneytisfrumna-knúinna flugvéla. Þessar aðferðir nota aflþörf í rauntíma- sem inntak til að fá aflúthlutunarkerfi fyrir mismunandi aflgjafa með reikniritum. Þetta er ekki verulega frábrugðið orkustjórnunarstefnurannsóknum sem teymi okkar gerði áður á eldsneytisfrumaknúnum ökutækjum- [38,39]. Vegna skorts á flóknum fylgihlutum hafa litíum rafhlöður oft kosti á smærri aflsviðum. Eins og er, er af skornum skammti af bókmenntum um viðmiðunarmörkin þar sem blendingur eldsneytisfrumukerfis standa sig betur en litíum rafhlaða knúningskerfi.

Í þessari rannsókn er lögð áhersla á tvö atriði sem oft hefur gleymst í fyrri rannsóknum á -eldsneytisfrumaknúnum UAV. Í fyrsta lagi, fyrir tiltekin líkön og flugsnið, var lögð til aðferð til að reikna út jaðarskilyrði fyrir að skipta út litíum rafhlöðu knúningskerfi fyrir efnarana blendinga knúningskerfi, með því að ákvarða það svið sem efnaramar henta betur fyrir UAV notkun. Í öðru lagi eru einstakir þættir sviðsmynda um notkun eldsneytisfrumna UAV greindir; sérstaklega mikilvægt er áhrif þeirra á orkuþörf megin.

Ein forsenda þess að hægt sé að móta orkustjórnunaráætlanir með því að nota-raflþörf í rauntíma sem inntak er að skilja breytileika í aflþörf og framboði fyrir UAV í mismunandi umhverfi, sem eru mörk skilyrði fyrir stefnumótunarferlið. Í hagnýtri notkun þurfa UAV sem starfa í mikilli hæð venjulega meiri orku til að viðhalda stöðugu flugi vegna breytinga á umhverfishita og loftþéttleika [40]. Auk þess krefjast áhrifa hæðarbreytinga á kælingu eldsneytisfrumna frekari athygli [41]. Ozbek o.fl. [42] lagði áherslu á nauðsyn þess að huga samtímis að aflþörfum UAV og hitabreytingum til að tryggja samhæfingu þeirra. Eldsneytisfrumukerfið er staðsett inni í skrokk UAV flugvélarinnar og dregur beint að utan frá umhverfinu, sem er undir beinum áhrifum frá ytri umhverfisþáttum. Annars vegar leiðir lækkun á loftþéttleika til aukinnar aflþörf flugvéla sem leiðir til aukinnar varmalosunar frá efnarafala stafla. Jafnframt getur hitaleiðni hraða efnarafalsstafla verið breytileg með umhverfisbreytingum og þunnt loft dregur úr varmaflutningsstuðlinum. Hins vegar eykur lækkun á ytri hitastigi hitamuninn á milli stafla og umhverfis, sem hjálpar til við að auka hitaskipti milli stafla og umhverfisins.

Þessi grein takmarkaði rannsóknarviðfang sitt við sexflugsflaugar með hámarks-flugtaksþyngd (MTOW) upp á 25 kg og kannaði áhrif hæðar á eldsneytisfrumuflugvélar-. Við mótun orkustjórnunaráætlana var nálgunin sú að hámarka afköst knúningskerfisins fyrir efnarafal en gera litíum rafhlöðum kleift að bregðast hratt við aflþörf frekar en að hanna aðferðir til að nota alla tiltæka orku eða hámarka drægni. Með endurskoðun á bókmenntum, Simulink líkangerð og ANSYS uppgerð miðar þessi rannsókn að því að skýra á hvaða svið notkun efnarafala í flugvélum er hagkvæmara val, skilja hámarksflugsmörk eldsneytisfrumna-knúinna flugvéla með mismunandi massa, átta sig á áskorunum sem einstakar notkunarsviðsmyndir hafa í för með sér fyrir efnarafala-knúna flugvéla og greina mögulegar lausnir.

Það sem eftir er af blaðinu er þannig skipað. Hlutar 2 Aðferðir til að reikna út aflþörf UAV, 3 Aðferðir til að hanna og passa framdrifskerfið, 4 Aðferð til að reikna út stoichiometric hlutfall lofts fyrir varmaleiðni til staðar aðferðir til að reikna út aflþörf UAV, samsvörun eldsneytisfrumuknúin UAV knúningskerfi og útreikning á nauðsynlegu loftflæði fyrir kælingu eldsneytisfrumna. Fjallað er um niðurstöður hermisins í kafla 5. Að lokum er umfjöllun og niðurstöður kynntar í kafla 6.