Brandstofcellen voor onbemande luchtvoertuigen met meerdere rotoren: een vergelijkende studie van energieopslag en prestatieanalyse

In 2019 bedroeg de mondiale uitstoot van kooldioxide 920 miljoen ton [1]. De koolstofemissies van alle vervoerswijzen waren verantwoordelijk voor ongeveer 21% van de totale emissies, waarbij de luchtvaartindustrie een belangrijke bijdrage leverde. Momenteel vertegenwoordigen de luchtvaartemissies ongeveer 12% van alle transport-gerelateerde emissies, waarbij de verbranding van luchtvaartkerosine verantwoordelijk is voor 79% van de emissies van de luchtvaartindustrie. Hoewel het totale aandeel van de emissies van de luchtvaartindustrie op dit moment misschien niet bijzonder groot lijkt, verloopt het koolstofvrij maken van luchtvaartkerosine relatief langzaam vergeleken met dat van andere transportsectoren. De Climate Action Tracker heeft de vooruitgang van de luchtvaartindustrie op het gebied van koolstofneutraliteit ook als ‘onvoldoende’ bestempeld. Naarmate andere industrieën het koolstofarm maken omarmen, zal het relatieve emissieaandeel van industrieën zoals de luchtvaart, die “moeilijk te verminderen zijn”, onvermijdelijk toenemen. Als het verwachte jaarlijkse groeitempo van de luchtvaartindustrie de komende twintig jaar ongecontroleerd blijft, kunnen de emissies tegen 2040 met 11% toenemen [2]. Een zorgwekkend vooruitzicht is dat tegen 2050 25% van de mondiale CO2-uitstoot afkomstig zou kunnen zijn van de luchtvaartindustrie. Als gevolg daarvan zijn alternatieve energiebronnen zoals waterstofbrandstofcellen, biobrandstoffen en zonnepanelen belangrijke onderzoeksonderwerpen geworden in de luchtvaartsector [3]. Het koolstofarm maken en elektrificeren van de luchtvaart, vooral de burgerluchtvaart, zijn urgente mondiale imperatieven geworden [4,5].

Onbemande luchtvaartuigen (UAV's) met meerdere rotors vormen een integraal onderdeel van de luchtvaartindustrie en worden veel gebruikt in toepassingen zoals de landbouw, de bosbouw, regionale inspecties en snel transport over korte- tot middellange- afstanden [6,7]. Overeenkomstig onderzoek gericht op het verbeteren van de prestaties door zich te concentreren op de controle van vluchtparameters, routeplanning en optimalisatie van vluchtstructuren, is ook in opkomst [[8], [9], [10]]. Een belangrijke beperking van de meeste momenteel verkrijgbare commerciële multirotor-UAV's is echter hun afhankelijkheid van lithiumbatterijen. Deze UAV's vertonen doorgaans start-startmassa's<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.

Momenteel leveren de-van-de-moderne lithium-polymeerbatterijen specifieke energieën in het bereik van 130–200 Wh/kg. Gezien het potentieel van toekomstige batterijtechnologieën wordt een berekend bereik met nieuwe technologieën verwacht van 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] schetste de vooruitzichten en technische uitdagingen waarmee lithium-zwavelbatterijen worden geconfronteerd. Hoewel een hoge specifieke energiedichtheid van meer dan 400 Wh/kg de massa van het voortstuwingssysteem aanzienlijk zou kunnen verminderen in vergelijking met conventionele batterijen, waardoor lithium-zwavelbatterijen concurrerend zouden worden, belemmert hun korte gemiddelde levensduur de toepassing ervan. Yap et al. [17] onderzocht lichtgewicht UAV's door een combinatie van additive manufacturing met behulp van 3D-printen en topologische structuuroptimalisatie. Yuan et al. [18] onderzocht de impact van ontwerpparameters zoals de straal van de propeller, de propellersnelheid, het aantal propellerbladen, de koordebreedte en de pre-draaihoek op de vluchtdynamiek en prestaties van een vliegtuig. Met behulp van de Adkins-Liebeck-ontwerpmethode optimaliseerden ze het bladontwerp, wat resulteerde in een vermindering van het energieverbruik van vliegtuigen met ongeveer 3%. Huang et al. [19] heeft een methode voor taakplanning en padplanning-voor een gecombineerde vloot van UAV's en vrachtwagens voorgesteld, gebaseerd op een mierenkolonie-algoritme, om de transportefficiëntie van UAV-zwermen voor de logistiek te verbeteren. Deze aanpak breidde de operationele dekkingsradius van batterijaangedreven UAV's aanzienlijk uit.

De energiedichtheid van lithiumbatterijen betekent echter dat de bovengenoemde-methoden een relatief beperkte impact hebben op het vergroten van het UAV-bereik. Bovendien vergroot het toevoegen van meer batterijen, vanwege de aanzienlijke stroombehoefte van de extra massa, het maximale bereik niet substantieel. Bijgevolg is er een dringende noodzaak om verbeteringen aan de aandrijflijn te onderzoeken om specifieke energie te stimuleren.

Waterstof, met zijn drie- maal hogere energiedichtheid in vergelijking met traditionele kerosine, is veelbelovend als een potentiële oplossing voor stroomvoorziening op lange- afstanden. Momenteel bieden gangbare hybride brandstofcelsystemen specifieke energieniveaus variërend van 250 tot 540 Wh/kg [20]. De toepassing van brandstofcelvoortstuwingssystemen is een populair onderzoeksonderwerp in de luchtvaart [21]. Een voorbeeld is de Horizon Energy Systems Aerostack-serie [22]. Lucht-gekoelde brandstofcellen zijn met succes geïntegreerd in talloze UAV's [[23], [24], [25], [26], [27]].

De voorkeur voor luchtkoeling-in lage- temperatuur protonenuitwisselingsmembraanbrandstofcellen (PEMFC) in UAV's komt voort uit strikte gewichts- en ruimtebeperkingen [28]. Santos [29] en Boukoberine et al. [30] heeft gegevens uit echte vluchttests gebruikt om ontwerp- en formuleringsstrategieën te ontwikkelen voor door brandstofcellen-aangedreven multirotor-UAV's met een stroomverbruik van respectievelijk ongeveer 300 W en 1400 W. Lee et al. [31] wees erop dat passieve luchtkoeling, die vaak wordt gebruikt in kleinschalige PEMFC-apparaten met een vermogensbehoefte van 1 tot 2 kW, inhoudt dat zowel reactant- als koellucht door de schoorsteen wordt aangezogen en verdeeld, met behulp van dezelfde ventilatoren. Intelligent Energy Ltd. [32] beweert energiesystemen te leveren met lucht-gekoelde brandstofcellen voor UAV's met een nominaal stroomverbruik van 4,8 kW. Uit het bovenstaande kan worden aangetoond dat de adoptie van een vrij-ademende passief-gekoelde stapel haalbaar is omdat brandstofcellen met vermogens variërend van 0 tot 4,8 kW doorgaans zijn uitgerust met ventilatoren die zorgen voor de noodzakelijke luchtstroom voor koeling en reactie.

Hoewel brandstofcellen voordelen hebben op het gebied van energiedichtheid, wordt hun manoeuvreerbaarheid belemmerd door hun relatief lage vermogensdichtheid, lange vertragingen en trage reacties [33]. Daarentegen kunnen lithiumbatterijen, die mogelijk geen lange- bereikcapaciteiten hebben, een hoger uitgangsvermogen leveren en verbeterde dynamische responsmogelijkheden bieden, vooral tijdens transiënten met hoog-vermogen, zoals wanneer een UAV snel overschakelt van kruis- naar zweef- of daalfase [34]. Daarom is het combineren van lithiumbatterijen met brandstofcellen om hybride voortstuwingssystemen te vormen in dergelijke scenario's een haalbare strategie om hoge energie- en vermogensdichtheden in UAV's te bereiken [35]. Effectieve energiebeheerstrategieën dragen verder bij aan het vergroten van het bereik en de ecologische robuustheid van hybride brandstofcel-aangedreven UAV's [36,37]. Daarom is het gebruik van lucht-luchtgekoelde brandstofcellen in combinatie met lithiumbatterijen voor brandstofcel-UAV's met een laag-vermogen een haalbare oplossing die het maximale bereik en de responstijd in evenwicht brengt.

Uit het bovenstaande blijkt duidelijk dat waterstofbrandstofcellen en de economie op lage{0}} hoogte steeds meer aandachtspunten van de mondiale aandacht worden. Waterstofbrandstofcellen, met hun superieure energiedichtheid, komen naar voren als een oplossing om de tekortkomingen van door lithiumbatterijen -aangedreven UAV's aan te pakken en het koolstofarm maken van de luchtvaartindustrie te bevorderen. Ondanks het feit dat door lithiumbatterijen-aangedreven UAV's in praktische toepassingen geen duurzaamheid hebben, wat erop wijst dat de energiedichtheid van brandstofcellen hoger is dan die van lithiumbatterijen, concentreert het huidige merendeel van het onderzoek zich op de energiebeheerstrategieën van door brandstofcellen-aangedreven UAV's. Deze strategieën gebruiken de realtime stroomvraag als input om stroomtoewijzingsschema's voor verschillende energiebronnen af ​​te leiden met behulp van algoritmen. Dit verschilt niet substantieel van het onderzoek naar de strategie voor energiebeheer dat eerder door ons team is uitgevoerd naar door brandstofcellen-aangedreven voertuigen [38,39]. Door de afwezigheid van complexe accessoires hebben lithiumbatterijen vaak voordelen binnen kleinere vermogensbereiken. Momenteel is er een gebrek aan literatuur over de drempel waarop hybride voortstuwingssystemen met brandstofcellen beter presteren dan voortstuwingssystemen met lithiumbatterijen.

In dit onderzoek wordt de nadruk gelegd op twee kwesties die vaak over het hoofd zijn gezien in eerdere onderzoeken naar door brandstofcellen-aangedreven UAV's. Ten eerste werd voor specifieke modellen en vluchtprofielen een methode voorgesteld om de randvoorwaarden te berekenen voor het vervangen van aandrijfsystemen met lithiumbatterijen door hybride aandrijfsystemen met brandstofcellen, door het bereik te bepalen waarbinnen brandstofcellen geschikter zijn voor UAV-toepassingen. Ten tweede worden de unieke aspecten van brandstofcel-UAV-toepassingsscenario's geanalyseerd; bijzonder belangrijk is hun impact op de vraag naar energie.

Een voorwaarde voor het formuleren van strategieën voor energiebeheer met behulp van de real-stroomvraag als input, is het begrijpen van de variaties in de vraag naar en het aanbod van energie voor UAV's in verschillende omgevingen, wat randvoorwaarden zijn voor het strategieformuleringsproces. In praktische toepassingen hebben UAV's die op grote hoogte opereren doorgaans meer energie nodig om een ​​stabiele vlucht te behouden als gevolg van veranderingen in de omgevingstemperatuur en luchtdichtheid [40]. Bovendien vereist de impact van hoogteveranderingen op de koeling van brandstofcellen verdere aandacht [41]. Ozbek et al. [42] benadrukte de noodzaak om tegelijkertijd rekening te houden met de vermogensvereisten van UAV's en temperatuurveranderingen om hun coördinatie te garanderen. Het brandstofcelsysteem bevindt zich in de romp van de UAV en zuigt omgevingslucht rechtstreeks van buitenaf naar binnen, wat direct wordt beïnvloed door externe omgevingsfactoren. Enerzijds leidt een afname van de luchtdichtheid tot een toename van de stroombehoefte van UAV’s, wat resulteert in een verhoogde warmteafvoer uit de brandstofcelstapel. Tegelijkertijd kan de warmtedissipatiesnelheid van de brandstofcelstapel variëren als gevolg van veranderingen in de omgeving, en dunne lucht vermindert de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt. Een verlaging van de buitentemperatuur vergroot echter het temperatuurverschil tussen de stapel en de omgeving, wat de warmte-uitwisseling tussen de stapel en de omgeving helpt verbeteren.

Dit artikel beperkte het onderzoeksobject tot hexacopter-UAV's met een maximaal start{0}}startgewicht (MTOW) van 25 kg en onderzocht de impact van hoogte op door brandstofcellen-aangedreven UAV's. Bij het formuleren van energiebeheerstrategieën was de gekozen aanpak het maximaliseren van de output van het brandstofcelaandrijfsysteem, terwijl lithiumbatterijen snel konden reageren op de stroombehoefte, in plaats van het ontwerpen van strategieën om alle beschikbare energie te gebruiken of de actieradius te maximaliseren. Door middel van een literatuuronderzoek, Simulink-modellering en ANSYS-simulatie wil dit onderzoek het bereik verduidelijken waarbinnen het gebruik van brandstofcellen in UAV's een meer economische keuze is, de maximale vluchtgrenzen van brandstofcel-aangedreven UAV's met verschillende massa's begrijpen, de uitdagingen begrijpen die unieke toepassingsscenario's met zich meebrengen voor brandstofcel-aangedreven UAV's, en mogelijke oplossingen identificeren.

De rest van dit artikel is als volgt opgebouwd. Secties 2 Methoden voor het modelleren van de vraag naar UAV-energie, 3 Methoden voor het ontwerpen en afstemmen van het voortstuwingssysteem, 4 Methode voor het berekenen van de lucht-stoichiometrische verhouding voor warmtedissipatie presenteren methoden voor het berekenen van de vraag naar UAV-energie, het afstemmen van brandstofcel-aangedreven UAV-voortstuwingssystemen en het berekenen van de vereiste luchtstroom voor het koelen van brandstofcellen. De simulatieresultaten worden besproken in Hoofdstuk 5. Tenslotte worden in Hoofdstuk 6 een discussie en conclusies gepresenteerd.