Топливные элементы для мультироторных беспилотных летательных аппаратов: сравнительное исследование хранения энергии и анализ производительности

В 2019 году глобальные выбросы углекислого газа достигли 920 миллионов тонн [1]. Выбросы углекислого газа от всех видов транспорта составили примерно 21 % от общего объема выбросов, причем значительный вклад внесла авиационная промышленность. В настоящее время авиационные выбросы составляют примерно 12 % всех выбросов, связанных с транспортом-, при этом на сжигание авиационного керосина приходится 79 % выбросов авиационной промышленности. Хотя общая доля выбросов авиационной промышленности в настоящее время может показаться не особенно значительной, процесс декарбонизации авиационного керосина происходит относительно медленно по сравнению с другими секторами транспорта. Climate Action Tracker также отметил прогресс авиационной отрасли в достижении углеродной нейтральности как «недостаточный». Поскольку другие отрасли переходят к декарбонизации, относительная доля выбросов таких отраслей, как авиация, которые «трудно сократить», неизбежно увеличится. Если прогнозируемые ежегодные темпы роста авиационной промышленности останутся неконтролируемыми в течение следующих 20 лет, выбросы могут увеличиться на 11 % к 2040 году [2]. К 2050 году тревожная перспектива заключается в том, что 25% мировых выбросов углекислого газа могут быть связаны с авиационной промышленностью. Следовательно, альтернативные источники энергии, такие как водородные топливные элементы, биотопливо и солнечные панели, стали важными темами исследований в авиационном секторе [3]. Декарбонизация и электрификация авиации, особенно гражданской, стали неотложными глобальными императивами [4,5].

Многороторные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) являются неотъемлемой частью авиационной промышленности и широко используются в таких областях, как сельское хозяйство, лесное хозяйство, региональные инспекции, а также в скоростных перевозках на короткие--средние- расстояния [6,7]. Соответствующие исследования, направленные на повышение производительности путем сосредоточения внимания на контроле параметров полета, планировании траектории и оптимизации структур полета, также активно развиваются [[8], [9], [10]]. Однако ключевым ограничением большинства доступных в настоящее время коммерческих мультироторных БПЛА является их зависимость от литиевых батарей. Эти БПЛА обычно имеют взлетную-массу.<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.

В настоящее время--современные-литий-полимерные батареи обеспечивают удельную энергию в диапазоне 130–200 Втч/кг. Учитывая потенциал будущих аккумуляторных технологий, ожидается, что расчетный диапазон новых технологий достигнет 250 Втч/кг [14,15]. Барк и др. [16] обрисовали перспективы и технические проблемы, с которыми сталкиваются литий-серные батареи. Хотя высокая удельная плотность энергии, превышающая 400 Втч/кг, могла бы значительно снизить массу двигательной установки по сравнению с обычными батареями, что сделало бы литий-серные батареи конкурентоспособными, их небольшой средний срок службы сдерживает их применение. Яп и др. [17] исследовали легкие БПЛА путем сочетания аддитивного производства с использованием 3D-печати и оптимизации топологической структуры. Юань и др. [18] исследовали влияние конструктивных параметров, таких как радиус винта, скорость винта, количество лопастей винта, ширина хорды и угол предварительного поворота, на динамику полета и летно-технические характеристики самолета. Используя метод проектирования Адкинса-Либека, они оптимизировали конструкцию лопастей, что привело к снижению энергопотребления самолета примерно на 3 %. Хуанг и др. [19] предложили метод планирования задач и маршрута-для объединенного парка БПЛА и грузовиков, основанный на алгоритме муравьиной колонии, для повышения эффективности транспортировки роев БПЛА для логистики. Такой подход значительно расширил радиус действия БПЛА с батарейным питанием.

Однако плотность энергии литиевых батарей означает, что вышеупомянутые-методы оказывают относительно ограниченное влияние на увеличение дальности действия БПЛА. Кроме того, из-за значительного энергопотребления дополнительной массы простое добавление большего количества батарей существенно не увеличивает максимальную дальность полета. Следовательно, существует настоятельная необходимость изучения усовершенствований трансмиссии для повышения удельной энергии.

Водород, плотность энергии которого в три-раза выше, чем у традиционного керосина, является многообещающим в качестве потенциального решения для полетов на большие-дальние расстояния. В настоящее время распространенные гибридные системы на топливных элементах обеспечивают определенные уровни энергии в диапазоне от 250 до 540 Втч/кг [20]. Применение двигательных установок на топливных элементах является популярной темой исследований в авиации [21]. Одним из примеров является серия Horizon Energy Systems Aerostack [22]. Топливные элементы с воздушным-охлаждением успешно используются во многих БПЛА [[23], [24], [25], [26], [27]].

Предпочтение воздушному-охлаждению в низкотемпературных топливных элементах с протонообменной мембраной (PEMFC) в БПЛА обусловлено строгими ограничениями по весу и пространству [28]. Сантос [29] и Букоберин и др. [30] использовали данные реальных летных испытаний для разработки стратегий проектирования и разработки многороторных БПЛА с топливными элементами-, потребляемой мощностью примерно 300 Вт и 1400 Вт соответственно. Ли и др. [31] отметили, что пассивное воздушное охлаждение, которое часто используется в небольших-устройствах PEMFC с потребляемой мощностью от 1 до 2 кВт, включает в себя всасывание и распределение как реагента, так и охлаждающего воздуха по всей батарее с использованием одних и тех же вентиляторов. Компания Intelligent Energy Ltd. [32] утверждает, что поставляет энергосистемы с топливными элементами с воздушным-охлаждением для БПЛА с номинальной потребляемой мощностью 4,8 кВт. Из вышесказанного можно продемонстрировать, что внедрение батареи со свободным-пассивным-охлаждением возможно, поскольку топливные элементы мощностью от 0 до 4,8 кВт обычно оснащены вентиляторами, которые обеспечивают необходимый поток воздуха для охлаждения и реакции.

Хотя топливные элементы имеют преимущества с точки зрения плотности энергии, их маневренность ограничена относительно низкой плотностью мощности, большими временными задержками и медленным откликом [33]. Напротив, литиевые батареи, которым потенциально не хватает возможностей дальнего-действия, могут обеспечивать более высокую выходную мощность, обеспечивая улучшенные динамические характеристики, особенно во время переходных процессов с высокой-энергией, например, когда БПЛА быстро переключается с крейсерского режима на фазу зависания или снижения [34]. Следовательно, в таких сценариях объединение литиевых батарей с топливными элементами для формирования гибридных двигательных систем является осуществимой стратегией достижения высокой плотности энергии и мощности в БПЛА [35]. Эффективные стратегии управления энергопотреблением также способствуют расширению дальности действия и экологической устойчивости БПЛА с гибридными топливными элементами-[36,37]. Следовательно, для БПЛА малой-мощности на топливных элементах использование топливных элементов с воздушным-охлаждением, смешанных с литиевыми батареями, является жизнеспособным решением, которое обеспечивает баланс между максимальной дальностью полета и временем отклика.

Из вышесказанного становится ясно, что водородные топливные элементы и экономика малых-высотных условий все чаще становятся объектами глобального внимания. Водородные топливные элементы с их превосходной плотностью энергии становятся решением, позволяющим устранить недостатки БПЛА-с питанием от литиевых батарей и способствовать декарбонизации в авиационной промышленности. Однако, несмотря на то, что БПЛА с питанием от литиевых батарей-недостаточно долговечны в практическом применении, что указывает на то, что плотность энергии топливных элементов выше, чем у литиевых батарей, основная часть исследований в настоящее время концентрируется на стратегиях управления энергопотреблением БПЛА-с питанием от топливных элементов. Эти стратегии используют потребляемую мощность-в режиме реального времени в качестве входных данных для построения схем распределения мощности для различных источников питания с использованием алгоритмов. Это существенно не отличается от исследования стратегии управления энергопотреблением, ранее проведенного нашей командой на транспортных средствах с топливными элементами-[38,39]. Из-за отсутствия сложных аксессуаров литиевые батареи часто имеют преимущества в меньших диапазонах мощности. В настоящее время существует мало литературы о пороге, при котором гибридные силовые установки на топливных элементах превосходят силовые установки на литиевых батареях.

В этом исследовании основное внимание уделяется двум вопросам, которые часто упускались из виду в предыдущих исследованиях БПЛА с топливными элементами-. Во-первых, для конкретных моделей и профилей полета был предложен метод расчета граничных условий замены двигательных установок на литиевых батареях гибридными двигательными установками на топливных элементах, путем определения диапазона, в котором топливные элементы более подходят для применения БПЛА. Во-вторых, анализируются уникальные аспекты сценариев применения БПЛА на топливных элементах; особенно важно их влияние на спрос на электроэнергию.

Одним из необходимых условий для разработки стратегий управления энергопотреблением с использованием спроса на электроэнергию в-реальном времени в качестве входных данных является понимание изменений спроса и предложения электроэнергии для БПЛА в различных средах, которые являются граничными условиями для процесса формулирования стратегии. В практических приложениях БПЛА, работающим на больших высотах, обычно требуется больше энергии для поддержания стабильного полета из-за изменений температуры окружающей среды и плотности воздуха [40]. Кроме того, дальнейшего внимания требует влияние изменения высоты на охлаждение топливных элементов [41]. Озбек и др. [42] подчеркнули необходимость одновременного учета требований к мощности БПЛА и изменений температуры для обеспечения их координации. Система топливных элементов расположена внутри фюзеляжа БПЛА, непосредственно втягивая окружающий воздух снаружи, на который напрямую влияют внешние факторы окружающей среды. С одной стороны, уменьшение плотности воздуха приводит к увеличению энергопотребления БПЛА, что приводит к увеличению теплоотдачи от батареи топливных элементов. В то же время скорость рассеивания тепла стопкой топливных элементов может меняться в зависимости от изменений окружающей среды, а разреженный воздух снижает коэффициент конвективной теплопередачи. Однако снижение внешней температуры увеличивает разницу температур между штабелем и окружающей средой, что помогает улучшить теплообмен между штабелем и окружающей средой.

В этой статье объект исследования ограничивался гексакоптерными БПЛА с максимальной взлетной массой (MTOW) 25 кг и исследовалось влияние высоты на БПЛА с топливными элементами-. При формулировании стратегий управления энергопотреблением подход заключался в том, чтобы максимизировать мощность двигательной установки на топливных элементах, позволяя литиевым батареям быстро реагировать на потребности в энергии, а не в разработке стратегий, позволяющих использовать всю доступную энергию или максимизировать дальность полета. С помощью обзора литературы, моделирования Simulink и ANSYS данное исследование направлено на выяснение диапазона, в котором использование топливных элементов в БПЛА является более экономичным выбором, понимание максимальных границ полета БПЛА с топливными элементами-разной массы, понимание проблем, которые уникальные сценарии применения создают для БПЛА с топливными элементами-, и определение возможных решений.

Остальная часть статьи организована следующим образом. В разделах 2 «Методы моделирования энергопотребления БПЛА», 3 «Методы проектирования и подбора двигательной установки», 4 «Метод расчета стехиометрического соотношения воздуха для рассеивания тепла» представлены методы расчета потребляемой мощности БПЛА, подбора силовых установок БПЛА с топливными элементами- и расчета необходимого воздушного потока для охлаждения топливных элементов. Результаты моделирования обсуждаются в разделе 5. Наконец, обсуждение и выводы представлены в разделе 6.