Ċelloli tal-Fjuwil Għal Vetturi tal-Ajru Bla Ekwipaġġ Multirotor: Studju Komparattiv tal-Ħżin tal-Enerġija U Analiżi tal-Prestazzjoni

Fl-2019, l-emissjonijiet globali tad-dijossidu tal-karbonju laħqu 920 miljun tunnellata [1]. L-emissjonijiet tal-karbonju mill-mezzi kollha tat-trasport ammontaw għal madwar 21 % tal-emissjonijiet totali, bl-industrija tal-avjazzjoni tkun kontributur sinifikanti. Bħalissa, l-emissjonijiet tal-avjazzjoni jirrappreżentaw madwar 12 % tal-emissjonijiet kollha-relatati mat-trasport, bil-kombustjoni tal-pitrolju tal-avjazzjoni tammonta għal 79 % tal-emissjonijiet tal-industrija tal-avjazzjoni. Filwaqt li l-proporzjon ġenerali tal-emissjonijiet mill-industrija tal-avjazzjoni jista’ ma jidhirx partikolarment sinifikanti fil-preżent, il-proċess ta’ dekarbonizzazzjoni tal-pitrolju tal-avjazzjoni huwa relattivament bil-mod meta mqabbel ma’ dak ta’ setturi oħra tat-trasport. Il- Climate Action Tracker immarka wkoll il-progress tal-industrija tal-avjazzjoni fin-newtralità tal-karbonju bħala "insuffiċjenti". Hekk kif industriji oħra jħaddnu d-dekarbonizzazzjoni, is-sehem relattiv tal-emissjonijiet ta' industriji bħall-avjazzjoni, li huma "diffiċli biex jitnaqqsu", inevitabbilment se jiżdied. Jekk ir-rata ta' tkabbir annwali pproġettata tal-industrija tal-avjazzjoni tibqa' mhux ikkontrollata għall-20 sena li ġejjin, l-emissjonijiet jistgħu jiżdiedu bi 11 % sal-2040 [2]. Sal-2050, prospett inkwetanti huwa li 25 % tal-emissjonijiet globali tal-karbonju jistgħu joriġinaw mill-industrija tal-avjazzjoni. Konsegwentement, sorsi ta' enerġija alternattivi bħal ċelloli tal-fjuwil tal-idroġenu, bijofjuwils, u pannelli solari saru suġġetti ta' riċerka sinifikanti fis-settur tal-avjazzjoni [3]. Id-dekarbonizzazzjoni u l-elettrifikazzjoni tal-avjazzjoni, speċjalment l-avjazzjoni ċivili, saru imperattivi globali urġenti [4,5].

Vetturi ta' l-ajru bla ekwipaġġ (UAVs) multirotor huma parti integrali mill-industrija ta' l-avjazzjoni u jintużaw ħafna f'applikazzjonijiet bħall-agrikoltura, il-forestrija, l-ispezzjonijiet reġjonali, u t-trasport rapidu ta' medda qasira-sa medja-[6,7]. Ir-riċerka korrispondenti mmirata lejn it-titjib tal-prestazzjoni billi tiffoka fuq il-kontroll tal-parametri tat-titjira, l-ippjanar tal-mogħdijiet, u l-ottimizzazzjoni tal-istrutturi tat-titjir, qed tikber ukoll [[8], [9], [10]]. Madankollu, limitazzjoni ewlenija tal-biċċa l-kbira tal-UAVs multirotor kummerċjali disponibbli bħalissa hija d-dipendenza tagħhom fuq batteriji tal-litju. Dawn l-UAVs tipikament juru mases tat-tluq<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.

Bħalissa, il-batteriji tal-polimeri tal-litju-stat-moderni-tal-moderni- jipprovdu enerġiji speċifiċi fil-medda ta' 130–200 Wh/kg. Meta wieħed iqis il-potenzjal tat-teknoloġiji futuri tal-batteriji, hija mistennija firxa kkalkulata b'teknoloġiji ġodda li tilħaq 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] iddeskriviet il-prospetti u l-isfidi tekniċi li jiffaċċjaw il-batteriji tal-litju-kubrit. Għalkemm densità ta' enerġija speċifika għolja li taqbeż l-400 Wh/kg tista' tnaqqas b'mod sinifikanti l-massa tas-sistema ta' propulsjoni meta mqabbla ma' batteriji konvenzjonali, li tagħmel il-batteriji tal-litju-kubrit kompetittivi, il-ħajja medja qasira tagħhom tfixkel l-applikazzjoni tagħhom. Yap et al. [17] esploraw UAVs ħfief permezz ta’ taħlita ta’ manifattura addittiva bl-użu ta’ stampar 3D u ottimizzazzjoni tal-istruttura topoloġika. Yuan et al. [18] investiga l-impatt tal-parametri tad-disinn bħar-raġġ tal-iskrun, il-veloċità tal-iskrun, in-numru ta' xfafar tal-iskrun, il-wisa' tal-korda, u l-angolu ta' pre-brim fuq id-dinamika tat-titjira u l-prestazzjoni ta' inġenju tal-ajru. Bl-użu tal-metodu tad-disinn Adkins-Liebeck, huma ottimizzaw id-disinn tax-xafra, li rriżulta fi tnaqqis ta' madwar 3 % fil-konsum tal-enerġija tal-inġenji tal-ajru. Huang et al. [19] ippropona metodu ta' skedar tal-kompiti u ta' ppjanar-perkors għal flotta magħquda ta' UAVs u trakkijiet ibbażati fuq algoritmu ta' kolonja ta' nemel biex tissaħħaħ l-effiċjenza tat-trasport ta' swarms UAV għal-loġistika. Dan l-approċċ estenda b'mod sinifikanti r-raġġ ta' kopertura operattiva tal-UAVs li jaħdmu bil-batteriji-.

Madankollu, id-densità tal-enerġija tal-batteriji tal-litju tfisser li l-metodi-imsemmija hawn fuq għandhom impatt relattivament limitat fuq l-estensjoni tal-firxa tal-UAV. Barra minn hekk, minħabba d-domanda sinifikanti ta 'enerġija tal-massa addizzjonali, sempliċement iż-żieda ta' batteriji ma testendix sostanzjalment il-firxa massima. Konsegwentement, hemm bżonn urġenti li jiġi esplorat it-titjib tal-powertrain biex tingħata spinta lill-enerġija speċifika.

L-idroġenu, bid-densità ta' enerġija tiegħu tliet-darbiet ogħla meta mqabbla mal-pitrolju tradizzjonali, huwa promettenti bħala soluzzjoni potenzjali tal-qawwa tat-titjir ta'-medda twila. Bħalissa, sistemi ibridi komuni taċ-ċelloli tal-fjuwil jipprovdu livelli speċifiċi ta' enerġija li jvarjaw minn 250 sa 540 Wh/kg [20]. L-applikazzjoni ta' sistemi ta' propulsjoni taċ-ċelloli tal-fjuwil hija suġġett ta' riċerka popolari fl-avjazzjoni [21]. Eżempju wieħed huwa s-serje Aerostack ta' Horizon Energy Systems [22]. Iċ-ċelloli tal-fjuwil-mkessħa bl-arja ġew integrati b'suċċess f'bosta UAVs [[23], [24], [25], [26], [27]].

Il-preferenza għat-tkessiħ tal-arja-f'munzelli ta' ċelloli tal-fjuwil tal-membrana tal-iskambju tal-protoni (PEMFC) b'temperatura-baxxa fl-UAVs tirriżulta minn restrizzjonijiet stretti ta' piż u spazju [28]. Santos [29] u Boukoberine et al. [30] użaw dejta tat-test tat-titjir reali biex jiżviluppaw strateġiji ta' disinn u formulazzjoni għal UAVs multirotor li jaħdmu b'ċelluli tal-fjuwil-b'domanda ta' enerġija ta' madwar 300 W u 1400 W, rispettivament. Lee et al. [31] irrimarka li t-tkessiħ tal-arja passiv, li jintuża ta' spiss f'apparati PEMFC ta'-skala żgħira b'rekwiżiti ta' enerġija minn 1 sa 2 kW, jinvolvi li jiġbed u jqassam kemm l-arja reattiva kif ukoll dik li tkessaħ fil-munzell, bl-użu tal-istess fannijiet. Intelligent Energy Ltd. [32] tiddikjara li tipprovdi sistemi ta' enerġija b'ċelloli tal-fjuwil-mkessħa bl-arja għal UAVs b'domanda ta' qawwa nominali ta' 4.8 kW. Minn dan ta' hawn fuq, jista' jintwera li l-adozzjoni ta' munzell mkessaħ b'-nifs passiv-ħieles hija fattibbli minħabba li ċ-ċelloli tal-fjuwil b'potenzi li jvarjaw minn 0 sa 4.8 kW huma tipikament mgħammra b'fannijiet li jipprovdu l-fluss tal-arja meħtieġ għat-tkessiħ u r-reazzjoni.

Għalkemm iċ-ċelloli tal-fjuwil għandhom vantaġġi f'termini ta 'densità tal-enerġija, il-manuvrabbiltà tagħhom hija mxekkla mid-densità ta' enerġija relattivament baxxa tagħhom, id-dewmien twil, u r-risponsi bil-mod [33]. B'kuntrast, il-batteriji tal-litju, li potenzjalment m'għandhomx kapaċitajiet ta' medda twila-, jistgħu jagħtu output ta' enerġija ogħla, li jipprovdu kapaċitajiet ta' rispons dinamiku mtejba, b'mod partikolari waqt transients ta'-qawwa għolja bħal meta UAV jaqleb malajr minn fażijiet ta' cruise għal hover jew inżul [34]. Għalhekk, f'xenarji bħal dawn, il-kombinazzjoni ta 'batteriji tal-litju ma' ċelloli tal-fjuwil biex jiffurmaw sistemi ta 'propulsjoni ibrida hija strateġija fattibbli biex jinkisbu densitajiet ta' enerġija u qawwa għolja fl-UAVs [35]. Strateġiji effettivi ta' ġestjoni tal-enerġija jikkontribwixxu aktar għall-estensjoni tal-firxa u r-robustezza ambjentali ta' UAVs li jaħdmu bi ċelloli tal-fjuwil ibridi-[36,37]. Għalhekk, għal UAVs ta' ċelloli tal-fjuwil ta'-enerġija baxxa, l-użu ta' ċelloli tal-fjuwil-mkessħa bl-arja mħallta ma' batteriji tal-litju hija soluzzjoni vijabbli li tibbilanċja l-firxa massima u l-ħin tar-rispons.

Minn dak li ntqal hawn fuq, jidher ċar li ċ-ċelloli tal-fjuwil tal-idroġenu u l-ekonomija ta'-altitudni baxxa qed isiru dejjem aktar punti fokali ta' attenzjoni globali. Iċ-ċelloli tal-fjuwil tal-idroġenu, bid-densità superjuri tal-enerġija tagħhom, qed joħorġu bħala soluzzjoni biex jindirizzaw in-nuqqasijiet tal-UAVs li jaħdmu bil-batteriji tal-litju-u jippromwovu d-dekarbonizzazzjoni fl-industrija tal-avjazzjoni. Madankollu, minkejja l-UAVs li jaħdmu bil-batteriji tal-litju-li ma jkollhomx durabilità f'applikazzjonijiet prattiċi, li jindika li d-densità tal-enerġija taċ-ċelloli tal-fjuwil hija ogħla minn dik tal-batteriji tal-litju, il-biċċa l-kbira tar-riċerka attwali tikkonċentra fuq l-istrateġiji tal-ġestjoni tal-enerġija tal-UAVs li jaħdmu b'ċelloli tal-fjuwil-. Dawn l-istrateġiji jużaw id-domanda tal-enerġija fil--ħin reali bħala input biex jiġu derivati ​​skemi ta' allokazzjoni tal-enerġija għal sorsi ta' enerġija differenti bl-użu ta' algoritmi. Din mhix sostanzjalment differenti mir-riċerka dwar l-istrateġija tal-ġestjoni tal-enerġija li qabel kienet saret mit-tim tagħna fuq vetturi li jaħdmu bi ċelloli tal-fjuwil-[38,39]. Minħabba n-nuqqas ta 'aċċessorji kumplessi, il-batteriji tal-litju ħafna drabi jkollhom vantaġġi f'meded ta' enerġija iżgħar. Bħalissa, hemm nuqqas ta 'letteratura dwar il-limitu li fih is-sistemi ta' propulsjoni ibrida taċ-ċelluli tal-fjuwil jegħlbu s-sistemi ta 'propulsjoni tal-batteriji tal-litju.

F'dan l-istudju, huma ffukati fuq żewġ kwistjonijiet li ħafna drabi ġew injorati fi studji preċedenti dwar UAVs li jaħdmu bi ċelloli tal-fjuwil-. L-ewwel, għal mudelli speċifiċi u profili tat-titjira, ġie propost metodu biex jiġu kkalkulati l-kundizzjonijiet tal-konfini għas-sostituzzjoni tas-sistemi ta 'propulsjoni tal-batteriji tal-litju b'sistemi ta' propulsjoni ibrida taċ-ċelloli tal-fjuwil, billi tiġi ddeterminata l-firxa li fiha ċ-ċelloli tal-fjuwil huma aktar xierqa għall-applikazzjonijiet tal-UAV. It-tieni, jiġu analizzati l-aspetti uniċi tax-xenarji tal-applikazzjoni tal-UAV taċ-ċelloli tal-fjuwil; partikolarment importanti huwa l-impatt tagħhom fuq in-naħa tad-domanda tal-enerġija.

Prerekwiżit wieħed għall-formulazzjoni ta' strateġiji ta' ġestjoni tal-enerġija bl-użu ta'-domanda tal-enerġija f'ħin reali bħala input huwa li wieħed jifhem il-varjazzjonijiet fid-domanda u l-provvista tal-enerġija għall-UAVs f'ambjenti differenti, li huma kundizzjonijiet tal-konfini għall-proċess tal-formulazzjoni tal-istrateġija. F'applikazzjonijiet prattiċi, UAVs li joperaw f'altitudni għolja tipikament jeħtieġu aktar enerġija biex iżommu titjira stabbli minħabba bidliet fit-temperatura ambjentali u d-densità tal-arja [40]. Barra minn hekk, l-impatt tal-bidliet fl-altitudni fuq it-tkessiħ taċ-ċelluli tal-fjuwil jeħtieġ aktar attenzjoni [41]. Ozbek et al. [42] enfasizza l-ħtieġa li fl-istess ħin jitqiesu r-rekwiżiti tal-enerġija tal-UAV u l-bidliet fit-temperatura biex tiġi żgurata l-koordinazzjoni tagħhom. Is-sistema taċ-ċelluli tal-fjuwil tinsab ġewwa l-fuselage tal-UAV, tiġbed direttament l-arja ambjentali minn barra, li hija influwenzata direttament minn fatturi ambjentali esterni. Min-naħa waħda, tnaqqis fid-densità tal-arja jwassal għal żieda fid-domanda tal-enerġija tal-UAVs, li tirriżulta f'żieda fil-ħruġ tas-sħana mill-munzell taċ-ċelloli tal-fjuwil. Fl-istess ħin, ir-rata ta 'dissipazzjoni tas-sħana tal-munzell taċ-ċelluli tal-fjuwil tista' tvarja skont il-bidliet ambjentali, u l-arja rqiqa tnaqqas il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiv. Madankollu, tnaqqis fit-temperatura esterna jżid id-differenza fit-temperatura bejn il-munzell u l-ambjent, li jgħin biex itejjeb l-iskambju tas-sħana bejn il-munzell u l-ambjent.

Dan id-dokument illimita l-oġġett ta' riċerka tiegħu għall-UAVs hexacopter b'piż massimu tat-tluq (MTOW) ta' 25 kg u esplora l-impatt tal-altitudni fuq l-UAVs li jaħdmu b'ċelluli tal-fjuwil-. Fil-formulazzjoni ta 'strateġiji ta' ġestjoni tal-enerġija, l-approċċ meħud kien li jimmassimizza l-output tas-sistema ta 'propulsjoni taċ-ċelloli tal-fjuwil filwaqt li jippermetti li l-batteriji tal-litju jirrispondu malajr għad-domandi tal-enerġija aktar milli jitfasslu strateġiji biex jużaw l-enerġija kollha disponibbli jew jimmassimizzaw il-firxa. Permezz ta’ reviżjoni tal-letteratura, immudellar Simulink, u simulazzjoni ANSYS, dan l-istudju għandu l-għan li jiċċara l-firxa li fiha l-użu ta’ ċelloli tal-fjuwil fl-UAVs hija għażla aktar ekonomika, jifhem il-konfini massimi tat-titjir ta’ UAVs li jaħdmu bi ċelloli tal-fjuwil b’mases differenti, jaħtfu l-isfidi li joħolqu xenarji ta’ applikazzjoni uniċi għal UAVs li jaħdmu bi ċelloli tal-fjuwil, u jidentifika soluzzjonijiet possibbli.

Il-kumplament ta' dan id-dokument huwa organizzat kif ġej. Taqsimiet 2 Metodi għall-immudellar tad-domanda tal-enerġija tal-UAV, 3 Metodi għad-disinn u t-tqabbil tas-sistema tal-propulsjoni, 4 Metodu għall-kalkolu tal-proporzjon stojkjometriku tal-arja għad-dissipazzjoni tas-sħana jippreżentaw metodi għall-kalkolu tad-domanda tal-enerġija tal-UAV, tqabbil tas-sistemi tal-propulsjoni tal-UAV li jaħdmu bi ċelloli tal-fjuwil-u kalkolu tal-fluss tal-arja meħtieġ għat-tkessiħ taċ-ċelloli tal-fjuwil. Ir-riżultati tas-simulazzjoni huma diskussi fit-Taqsima 5. Fl-aħħarnett, diskussjoni u konklużjonijiet huma ppreżentati fit-Taqsima 6.