Sel Bahan Api Untuk Kenderaan Udara Tanpa Pemandu Multirotor: Kajian Perbandingan Penyimpanan Tenaga Dan Analisis Prestasi

Pada tahun 2019, pelepasan karbon dioksida global mencapai 920 juta tan [1]. Pelepasan karbon daripada semua mod pengangkutan menyumbang kira-kira 21% daripada jumlah pelepasan, dengan industri penerbangan menjadi penyumbang penting. Pada masa ini, pelepasan penerbangan mewakili kira-kira 12 % daripada semua pelepasan-yang berkaitan pengangkutan, dengan pembakaran minyak tanah penerbangan menyumbang 79 % daripada pelepasan industri penerbangan. Walaupun bahagian keseluruhan pelepasan daripada industri penerbangan mungkin kelihatan tidak begitu ketara pada masa ini, proses penyahkarbonan minyak tanah penerbangan agak perlahan berbanding dengan sektor pengangkutan lain. Penjejak Tindakan Iklim juga telah menandakan kemajuan industri penerbangan dalam neutraliti karbon sebagai "tidak mencukupi". Memandangkan industri lain menerima penyahkarbonan, bahagian pelepasan relatif industri seperti penerbangan, yang "sukar untuk dikurangkan", pasti akan meningkat. Jika unjuran kadar pertumbuhan tahunan industri penerbangan kekal tidak terkawal untuk 20 tahun akan datang, pelepasan mungkin meningkat sebanyak 11% menjelang 2040 [2]. Menjelang 2050, prospek yang membimbangkan ialah 25% daripada pelepasan karbon global boleh berpunca daripada industri penerbangan. Akibatnya, sumber tenaga alternatif seperti sel bahan api hidrogen, biofuel, dan panel solar telah menjadi topik penyelidikan penting dalam sektor penerbangan [3]. Penyahkarbonan dan elektrifikasi penerbangan, terutamanya penerbangan awam, telah menjadi keperluan global yang mendesak [4,5].

Kenderaan udara tanpa pemandu (UAV) multirotor ialah bahagian penting dalam industri penerbangan dan digunakan secara meluas dalam aplikasi seperti pertanian, perhutanan, pemeriksaan wilayah dan pengangkutan pantas jarak pendek-ke sederhana-[6,7]. Penyelidikan sepadan yang bertujuan untuk meningkatkan prestasi dengan memfokuskan pada kawalan parameter penerbangan, perancangan laluan dan pengoptimuman struktur penerbangan, juga sedang berkembang [[8], [9], [10]]. Walau bagaimanapun, had utama kebanyakan UAV multirotor komersial yang tersedia pada masa ini ialah pergantungan mereka pada bateri litium. UAV ini biasanya mempamerkan-jisim lepas landas<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.

Pada masa ini,-bateri polimer-seni-litium{3}}membekalkan tenaga khusus dalam julat 130–200 Wh/kg. Memandangkan potensi teknologi bateri masa hadapan, julat terkira dengan teknologi baharu mencapai 250 Wj/kg dijangka [14,15]. Barke et al. [16] menggariskan prospek dan cabaran teknikal yang dihadapi{13}}bateri sulfur litium. Walaupun ketumpatan tenaga khusus yang tinggi melebihi 400 Wj/kg boleh mengurangkan jisim sistem pendorong dengan ketara berbanding bateri konvensional, yang akan menjadikan bateri litium{16}}sulfur berdaya saing, jangka hayat purata yang singkat menghalang penggunaannya. Yap et al. [17] meneroka UAV ringan melalui gabungan pembuatan bahan tambahan menggunakan percetakan 3D dan pengoptimuman struktur topologi. Yuan et al. [18] menyiasat kesan parameter reka bentuk seperti jejari kipas, kelajuan kipas, bilangan bilah kipas, lebar kord dan pra-sudut pusing pada dinamik penerbangan dan prestasi pesawat. Menggunakan kaedah reka bentuk Adkins-Liebeck, mereka mengoptimumkan reka bentuk bilah, menghasilkan pengurangan kira-kira 3% dalam penggunaan kuasa pesawat. Huang et al. [19] mencadangkan kaedah penjadualan tugas dan laluan{31}}untuk kumpulan gabungan UAV dan trak berdasarkan algoritma koloni semut untuk meningkatkan kecekapan pengangkutan kumpulan UAV untuk logistik. Pendekatan ini memanjangkan radius liputan operasi UAV{33}}berkuasa bateri dengan ketara.

Walau bagaimanapun, ketumpatan tenaga bateri litium bermakna kaedah-yang dinyatakan di atas mempunyai kesan yang agak terhad untuk melanjutkan julat UAV. Di samping itu, disebabkan permintaan kuasa yang ketara bagi jisim tambahan, hanya menambah lebih banyak bateri tidak memanjangkan julat maksimum dengan ketara. Akibatnya, terdapat keperluan mendesak untuk meneroka penambahbaikan powertrain untuk meningkatkan tenaga tertentu.

Hidrogen, dengan ketumpatan tenaga tiga kali ganda lebih tinggi- berbanding minyak tanah tradisional, menjanjikan penyelesaian kuasa penerbangan jarak jauh-yang berpotensi. Pada masa ini, sistem hibrid sel bahan api biasa menyediakan tahap tenaga tertentu antara 250 hingga 540 Wh/kg [20]. Aplikasi sistem pendorongan sel bahan api adalah topik penyelidikan yang popular dalam penerbangan [21]. Satu contoh ialah siri Horizon Energy Systems Aerostack [22]. Sel bahan api-yang disejukkan udara telah berjaya disepadukan dalam banyak UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Keutamaan untuk penyejukan udara-dalam timbunan sel bahan api membran (PEMFC) suhu rendah-suhu dalam UAV timbul daripada kekangan berat dan ruang yang ketat [28]. Santos [29] dan Boukoberine et al. [30] menggunakan data ujian penerbangan sebenar untuk membangunkan strategi reka bentuk dan perumusan untuk sel bahan api-UAV multirotor berkuasa dengan permintaan kuasa masing-masing kira-kira 300 W dan 1400 W. Lee et al. [31] menegaskan bahawa penyejukan udara pasif, yang kerap digunakan dalam-peranti PEMFC berskala kecil dengan keperluan kuasa dari 1 hingga 2 kW, melibatkan menarik masuk dan mengagihkan kedua-dua reaktan dan udara penyejuk ke seluruh tindanan, menggunakan kipas yang sama. Intelligent Energy Ltd. [32] mendakwa menyediakan sistem kuasa dengan sel bahan api-udara yang disejukkan untuk UAV dengan permintaan kuasa berkadar 4.8 kW. Daripada perkara di atas, ia boleh ditunjukkan bahawa penggunaan tindanan sejuk-pernafasan pasif{23}}percuma boleh dilaksanakan kerana sel bahan api dengan kuasa antara 0 hingga 4.8 kW biasanya dilengkapi dengan kipas yang menyediakan aliran udara yang diperlukan untuk penyejukan dan tindak balas.

Walaupun sel bahan api mempunyai kelebihan dari segi ketumpatan tenaga, kebolehgerakan mereka terhalang oleh ketumpatan kuasa yang agak rendah, kelewatan masa yang lama, dan tindak balas yang perlahan [33]. Sebaliknya, bateri litium, yang berkemungkinan tidak mempunyai keupayaan julat-panjang, boleh memberikan output kuasa yang lebih tinggi, memberikan keupayaan tindak balas dinamik yang dipertingkatkan, terutamanya semasa transien kuasa-tinggi seperti apabila UAV beralih dengan pantas daripada fasa pelayaran ke hover atau penurunan [34]. Oleh itu, dalam senario sedemikian, menggabungkan bateri litium dengan sel bahan api untuk membentuk sistem pendorong hibrid adalah strategi yang boleh dilaksanakan untuk mencapai ketumpatan tenaga dan kuasa yang tinggi dalam UAV [35]. Strategi pengurusan tenaga yang berkesan seterusnya menyumbang kepada meluaskan julat dan keteguhan persekitaran UAV berkuasa sel bahan api hibrid-[36,37]. Oleh itu, untuk-UAV sel bahan api berkuasa rendah, menggunakan-sel bahan api yang disejukkan udara bercampur dengan bateri litium ialah penyelesaian yang berdaya maju yang mengimbangi julat maksimum dan masa tindak balas.

Daripada perkara di atas, adalah jelas bahawa sel bahan api hidrogen dan -ekonomi altitud rendah semakin menjadi titik tumpuan perhatian global. Sel bahan api hidrogen, dengan ketumpatan tenaga unggulnya, muncul sebagai penyelesaian untuk menangani kekurangan bateri litium-UAV berkuasa dan menggalakkan penyahkarbonan dalam industri penerbangan. Walau bagaimanapun, walaupun UAV berkuasa bateri litium-tidak mempunyai ketahanan dalam aplikasi praktikal, menunjukkan bahawa ketumpatan tenaga sel bahan api lebih tinggi daripada bateri litium, sebahagian besar penyelidikan semasa menumpukan pada strategi pengurusan tenaga UAV berkuasa sel bahan api-. Strategi ini menggunakan-permintaan kuasa masa sebenar sebagai input untuk memperoleh skema peruntukan kuasa untuk sumber kuasa yang berbeza menggunakan algoritma. Ini tidak jauh berbeza daripada penyelidikan strategi pengurusan tenaga yang sebelum ini dijalankan oleh pasukan kami pada kenderaan berkuasa-sel bahan api [38,39]. Kerana ketiadaan aksesori yang kompleks, bateri litium selalunya mempunyai kelebihan dalam julat kuasa yang lebih kecil. Pada masa ini, terdapat kekurangan literatur tentang ambang di mana sistem pendorong hibrid sel bahan api mengatasi sistem pendorong bateri litium.

Dalam kajian ini, dua isu yang sering diabaikan dalam kajian terdahulu tentang UAV berkuasa sel bahan api-difokuskan. Pertama, untuk model dan profil penerbangan tertentu, satu kaedah telah dicadangkan untuk mengira syarat sempadan untuk menggantikan sistem pendorong bateri litium dengan sistem pendorong hibrid sel bahan api, dengan menentukan julat di mana sel bahan api lebih sesuai untuk aplikasi UAV. Kedua, aspek unik senario aplikasi UAV sel bahan api dianalisis; amat penting ialah kesannya ke atas bahagian permintaan kuasa.

Satu prasyarat untuk merumuskan strategi pengurusan tenaga menggunakan-permintaan kuasa masa sebenar sebagai input adalah untuk memahami variasi dalam permintaan kuasa dan bekalan untuk UAV dalam persekitaran yang berbeza, yang merupakan syarat sempadan untuk proses penggubalan strategi. Dalam aplikasi praktikal, UAV yang beroperasi di altitud tinggi biasanya memerlukan lebih banyak tenaga untuk mengekalkan penerbangan yang stabil berikutan perubahan suhu persekitaran dan ketumpatan udara [40]. Di samping itu, kesan perubahan ketinggian pada penyejukan sel bahan api memerlukan perhatian lanjut [41]. Ozbek et al. [42] menekankan keperluan untuk mempertimbangkan secara serentak keperluan kuasa UAV dan perubahan suhu untuk memastikan penyelarasannya. Sistem sel bahan api terletak di dalam fiuslaj UAV, secara langsung menarik udara ambien masuk dari luar, yang secara langsung dipengaruhi oleh faktor persekitaran luaran. Di satu pihak, penurunan ketumpatan udara membawa kepada peningkatan dalam permintaan kuasa UAV, mengakibatkan peningkatan pelepasan haba daripada timbunan sel bahan api. Pada masa yang sama, kadar pelesapan haba timbunan sel bahan api boleh berbeza dengan perubahan persekitaran, dan udara nipis mengurangkan pekali pemindahan haba perolakan. Walau bagaimanapun, penurunan suhu luaran meningkatkan perbezaan suhu antara tindanan dan persekitaran, yang membantu meningkatkan pertukaran haba antara tindanan dan persekitaran.

Kertas kerja ini mengehadkan objek penyelidikannya kepada UAV heksakopter dengan berat angkat-maksimum (MTOW) sebanyak 25 kg dan meneroka kesan ketinggian pada UAV bertenaga-sel bahan api. Dalam merumuskan strategi pengurusan tenaga, pendekatan yang diambil adalah untuk memaksimumkan keluaran sistem pendorongan sel bahan api sambil membenarkan bateri litium bertindak balas dengan cepat kepada permintaan kuasa daripada mereka bentuk strategi untuk menggunakan semua tenaga yang ada atau memaksimumkan julat. Melalui kajian literatur, pemodelan Simulink dan simulasi ANSYS, kajian ini bertujuan untuk menjelaskan julat penggunaan sel bahan api dalam UAV adalah pilihan yang lebih ekonomik, memahami sempadan penerbangan maksimum UAV berkuasa-sel bahan api dengan jisim yang berbeza, memahami cabaran yang ditimbulkan oleh senario aplikasi unik untuk penyelesaian sel bahan api-, mengenal pasti kemungkinan penyelesaian sel bahan api-dan berkuasa.

Baki kertas kerja ini disusun seperti berikut. Bahagian 2 Kaedah untuk memodelkan permintaan kuasa UAV, 3 Kaedah untuk mereka bentuk dan memadankan sistem pendorongan, 4 Kaedah untuk mengira nisbah stoikiometri udara untuk pelesapan haba membentangkan kaedah untuk mengira permintaan kuasa UAV, memadankan sistem pendorong UAV bertenaga sel bahan api-dan mengira aliran udara sel bahan api yang diperlukan untuk menyejukkan sel bahan api. Keputusan simulasi dibincangkan dalam Bahagian 5. Akhir sekali, perbincangan dan kesimpulan dibentangkan dalam Bahagian 6.