سلول های سوختی برای وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین چند روتور: مطالعه مقایسه ای ذخیره انرژی و تجزیه و تحلیل عملکرد

در سال 2019، انتشار جهانی دی اکسید کربن به 920 میلیون تن رسید [1]. انتشار کربن از همه شیوه های حمل و نقل تقریباً 21 درصد از کل انتشار را تشکیل می دهد و صنعت هوانوردی سهم قابل توجهی دارد. در حال حاضر، انتشارات هوانوردی تقریباً 12٪ از کل انتشارات مربوط به حمل و نقل را تشکیل می دهد، که احتراق نفت سفید هوانوردی 79٪ از انتشارات صنعت هوانوردی را تشکیل می دهد. در حالی که نسبت کلی انتشار گازهای گلخانه‌ای از صنعت هوانوردی ممکن است در حال حاضر چندان قابل توجه به نظر نرسد، فرآیند کربن‌زدایی نفت سفید هوانوردی در مقایسه با سایر بخش‌های حمل‌ونقل نسبتاً کند است. Climate Action Tracker همچنین پیشرفت صنعت هوانوردی در بی طرفی کربن را "ناکافی" اعلام کرده است. از آنجایی که سایر صنایع از کربن‌زدایی استقبال می‌کنند، سهم انتشار نسبی صنایعی مانند هوانوردی، که کاهش آن دشوار است، ناگزیر افزایش خواهد یافت. اگر نرخ رشد سالانه پیش بینی شده صنعت هوانوردی برای 20 سال آینده کنترل نشده باقی بماند، انتشار گازهای گلخانه ای ممکن است تا سال 2040 تا 11 درصد افزایش یابد [2]. تا سال 2050، یک چشم انداز نگران کننده این است که 25 درصد از انتشار کربن در جهان می تواند از صنعت هوانوردی منشاء بگیرد. در نتیجه، منابع انرژی جایگزین مانند سلول‌های سوختی هیدروژنی، سوخت‌های زیستی و پنل‌های خورشیدی به موضوعات تحقیقاتی مهمی در بخش هوانوردی تبدیل شده‌اند [3]. کربن زدایی و الکتریکی سازی هوانوردی، به ویژه هوانوردی غیرنظامی، به یک ضرورت جهانی تبدیل شده است [4،5].

وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین مولتی روتور (پهپادها) بخشی جدایی ناپذیر از صنعت هوانوردی هستند و به طور گسترده در کاربردهایی مانند کشاورزی، جنگلداری، بازرسی های منطقه ای و حمل و نقل سریع کوتاه برد کوتاه و متوسط ​​[6،7] استفاده می شوند. تحقیقات مربوطه با هدف افزایش عملکرد با تمرکز بر کنترل پارامترهای پرواز، برنامه‌ریزی مسیر و بهینه‌سازی ساختارهای پرواز نیز در حال رشد است [[8], [9], [10]]. با این حال، یک محدودیت کلیدی اکثر پهپادهای تجاری چند روتوری در حال حاضر موجود، اتکای آنها به باتری های لیتیومی است. این پهپادها معمولاً جرم{8}}از خود نشان می‌دهند<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.

در حال حاضر، باتری‌های پلیمری-در{1}}هنر{2}}لیتیوم- انرژی‌های خاصی را در محدوده 130 تا 200 وات ساعت بر کیلوگرم ارائه می‌کنند. با توجه به پتانسیل فناوری‌های باتری آینده، محدوده محاسبه‌شده با فناوری‌های جدید به 250 Wh/kg پیش‌بینی می‌شود [14،15]. بارک و همکاران [16] چشم‌اندازها و چالش‌های فنی پیش روی باتری‌های لیتیوم{13}}سولفور را تشریح کرد. اگرچه چگالی انرژی ویژه بالای 400 Wh/kg می‌تواند به طور قابل توجهی جرم سیستم پیشرانه را در مقایسه با باتری‌های معمولی کاهش دهد، که باتری‌های لیتیوم{16}سولفور را رقابتی می‌کند، متوسط ​​عمر کوتاه آنها مانع از کاربرد آنها می‌شود. یاپ و همکاران [17] پهپادهای سبک وزن را از طریق ترکیبی از ساخت افزودنی با استفاده از چاپ سه بعدی و بهینه سازی ساختار توپولوژیکی مورد بررسی قرار دادند. یوان و همکاران [18] تاثیر پارامترهای طراحی مانند شعاع پروانه، سرعت پروانه، تعداد تیغه‌های ملخ، عرض وتر و زاویه قبل از پیچش بر دینامیک پرواز و عملکرد هواپیما را بررسی کرد. آنها با استفاده از روش طراحی Adkins{26}}لیبک، طراحی تیغه را بهینه کردند، که منجر به کاهش تقریباً 3٪ در مصرف انرژی هواپیما شد. هوانگ و همکاران [19] یک روش زمان‌بندی کار و برنامه‌ریزی مسیر{31} برای ناوگان ترکیبی پهپادها و کامیون‌ها بر اساس الگوریتم کلونی مورچه‌ها برای افزایش کارایی حمل‌ونقل ازدحام‌های پهپاد برای لجستیک پیشنهاد کرد. این رویکرد به طور قابل توجهی شعاع پوشش عملیاتی پهپادهای-باطری را افزایش داد.

با این حال، چگالی انرژی باتری‌های لیتیومی به این معنی است که روش‌های ذکر شده در بالا تأثیر نسبتاً محدودی بر گسترش برد پهپاد دارند. علاوه بر این، با توجه به تقاضای توان قابل توجه جرم اضافی، صرفاً افزودن باتری های بیشتر به طور قابل ملاحظه ای محدوده حداکثر را افزایش نمی دهد. در نتیجه، نیاز مبرمی به بررسی پیشرفت‌های پیشرانه برای افزایش انرژی خاص وجود دارد.

هیدروژن، با چگالی انرژی سه برابری در مقایسه با نفت سفید سنتی، به عنوان یک راه حل بالقوه قدرت پرواز با برد بلند-ویدبخش است. در حال حاضر، سیستم های هیبریدی پیل سوختی متداول، سطوح انرژی خاصی را در محدوده 250 تا 540 Wh/kg ارائه می کنند [20]. استفاده از سیستم های محرکه پیل سوختی یک موضوع تحقیقاتی محبوب در هوانوردی است [21]. یکی از نمونه ها سری سیستم های انرژی Horizon Aerostack [22] است. پیل‌های سوختی{12}}خنک‌شده با هوا با موفقیت در پهپادهای متعدد [[23], [24], [25], [26], [27]] ادغام شده‌اند.

ترجیح برای خنک‌سازی هوا در پشته‌های پیل سوختی غشای تبادل پروتون با دمای پایین (PEMFC) در پهپادها از محدودیت‌های وزن و فضا ناشی می‌شود [28]. سانتوس [29] و بوکوبرین و همکاران. [30] از داده‌های آزمایش پرواز واقعی برای توسعه استراتژی‌های طراحی و فرمول‌بندی برای پهپادهای چند روتوری با پیل سوختی{7} با نیاز به توان تقریباً 300 وات و 1400 وات استفاده کرد. لی و همکاران [31] اشاره کرد که خنک‌کننده هوای غیرفعال، که اغلب در دستگاه‌های{13}PEMFC در مقیاس کوچک با توان مورد نیاز 1 تا 2 کیلووات استفاده می‌شود، شامل کشیدن و توزیع هوای واکنش‌دهنده و خنک‌کننده در سراسر پشته با استفاده از همان فن‌ها می‌شود. Intelligent Energy Ltd. [32] ادعا می‌کند که سیستم‌های قدرت را با سلول‌های سوختی خنک‌شده با هوا برای پهپادها با توان نامی 4.8 کیلووات ارائه می‌کند. با توجه به موارد فوق، می توان نشان داد که استفاده از یک پشته خنک کننده غیرفعال تنفسی آزاد امکان پذیر است زیرا سلول های سوختی با توان های بین 0 تا 4.8 کیلووات معمولاً مجهز به فن هایی هستند که جریان هوای لازم را برای خنک سازی و واکنش فراهم می کنند.

اگرچه پیل‌های سوختی از نظر چگالی انرژی مزایایی دارند، اما مانورپذیری آنها به دلیل چگالی توان نسبتاً کم، تاخیرهای طولانی مدت و پاسخ‌های آهسته مختل می‌شود [33]. در مقابل، باتری‌های لیتیومی، که به طور بالقوه فاقد قابلیت‌های برد بلند هستند، می‌توانند توان خروجی بالاتری ارائه دهند و قابلیت‌های پاسخ دینامیکی پیشرفته‌تری را ارائه دهند، به‌ویژه در زمان‌های گذرا با قدرت بالا، مانند زمانی که یک پهپاد به سرعت از فاز کروز به فاز شناور یا فرود تغییر می‌کند [34]. بنابراین، در چنین سناریوهایی، ترکیب باتری‌های لیتیومی با سلول‌های سوختی برای تشکیل سیستم‌های پیشرانه هیبریدی، یک استراتژی عملی برای دستیابی به چگالی انرژی و توان بالا در پهپادها است [35]. استراتژی‌های مدیریت انرژی مؤثر بیشتر به گسترش برد و استحکام محیطی پهپادهای هیبریدی پیل سوختی{8}} کمک می‌کند [36،37]. بنابراین، برای پهپادهای پیل سوختی کم مصرف، استفاده از پیل‌های سوختی خنک‌شده با هوا مخلوط شده با باتری‌های لیتیومی راه‌حلی مناسب است که حداکثر برد و زمان پاسخ را متعادل می‌کند.

با توجه به موارد فوق، واضح است که پیل های سوختی هیدروژنی و اقتصاد ارتفاع کم به طور فزاینده ای به کانون توجه جهانی تبدیل می شوند. سلول‌های سوختی هیدروژنی با چگالی انرژی برتر خود به عنوان راه‌حلی برای رفع کاستی‌های پهپادهای{2}}با باتری لیتیومی و ترویج کربن‌زدایی در صنعت هوانوردی در حال ظهور هستند. با این حال، علی‌رغم اینکه پهپادهای دارای باتری لیتیومی{4}}در کاربردهای عملی دوام ندارند، که نشان می‌دهد چگالی انرژی سلول‌های سوختی بیشتر از باتری‌های لیتیومی است، بخش عمده تحقیقات کنونی بر استراتژی‌های مدیریت انرژی پهپادهای پیل سوختی- متمرکز است. این استراتژی‌ها از تقاضای برق زمانی واقعی به عنوان ورودی برای استخراج طرح‌های تخصیص توان برای منابع مختلف انرژی با استفاده از الگوریتم‌ها استفاده می‌کنند. این تفاوت اساسی با تحقیق استراتژی مدیریت انرژی که قبلاً توسط تیم ما در مورد وسایل نقلیه با پیل سوختی- انجام شده بود [38،39] ندارد. به دلیل عدم وجود لوازم جانبی پیچیده، باتری های لیتیومی اغلب در محدوده توان کمتری دارای مزایایی هستند. در حال حاضر، مقالات کمی در مورد آستانه ای وجود دارد که در آن سیستم های پیشرانه هیبریدی پیل سوختی بهتر از سیستم های پیشران باتری لیتیومی عمل می کنند.

در این مطالعه، دو موضوعی که اغلب در مطالعات قبلی در مورد پهپادهای{0}}پهپادهای دارای پیل سوختی نادیده گرفته شده‌اند، متمرکز شده‌اند. ابتدا، برای مدل‌ها و پروفیل‌های پروازی خاص، روشی برای محاسبه شرایط مرزی برای جایگزینی سیستم‌های محرکه باتری لیتیومی با سیستم‌های پیشرانه هیبریدی پیل سوختی، با تعیین محدوده‌ای که در آن سلول‌های سوختی برای کاربردهای پهپاد مناسب‌تر هستند، پیشنهاد شد. دوم، جنبه‌های منحصر به فرد سناریوهای کاربرد پهپاد پیل سوختی تحلیل می‌شوند. تأثیر آنها بر روی تقاضای برق بسیار مهم است.

یکی از پیش نیازهای تدوین استراتژی‌های مدیریت انرژی با استفاده از تقاضای برق زمانی واقعی به عنوان ورودی، درک تغییرات تقاضا و عرضه برق برای پهپادها در محیط‌های مختلف است که شرایط مرزی برای فرآیند تدوین استراتژی هستند. در کاربردهای عملی، پهپادهایی که در ارتفاعات بالا کار می کنند، به دلیل تغییرات دمای محیط و چگالی هوا، معمولاً به انرژی بیشتری برای حفظ یک پرواز پایدار نیاز دارند [40]. علاوه بر این، تأثیر تغییرات ارتفاع بر خنک سازی پیل سوختی نیازمند توجه بیشتر است [41]. اوزبک و همکاران [42] بر لزوم در نظر گرفتن همزمان نیازهای قدرت پهپاد و تغییرات دما برای اطمینان از هماهنگی آنها تأکید کرد. سیستم پیل سوختی در داخل بدنه پهپاد قرار دارد و مستقیماً هوای محیط را از بیرون به داخل می کشد که مستقیماً تحت تأثیر عوامل محیطی خارجی قرار دارد. از یک طرف، کاهش چگالی هوا منجر به افزایش تقاضای توان پهپادها می شود و در نتیجه تخلیه گرما از پشته پیل سوختی افزایش می یابد. به طور همزمان، سرعت اتلاف حرارت پشته پیل سوختی می تواند با تغییرات محیطی متفاوت باشد و هوای رقیق ضریب انتقال حرارت همرفتی را کاهش می دهد. با این حال، کاهش دمای خارجی باعث افزایش اختلاف دما بین پشته و محیط می شود که به افزایش تبادل حرارت بین پشته و محیط کمک می کند.

این مقاله هدف تحقیقاتی خود را به پهپادهای هگزاکوپتر با حداکثر وزن برخاست{0} (MTOW) 25 کیلوگرم محدود کرد و تأثیر ارتفاع را بر پهپادهای{2}}پهپادهای دارای پیل سوختی بررسی کرد. در تدوین استراتژی‌های مدیریت انرژی، رویکرد اتخاذ شده به حداکثر رساندن خروجی سیستم محرکه پیل سوختی و در عین حال اجازه دادن به باتری‌های لیتیومی برای پاسخ سریع به نیازهای انرژی به جای طراحی استراتژی‌هایی برای استفاده از تمام انرژی موجود یا به حداکثر رساندن برد بود. از طریق مرور ادبیات، مدل‌سازی Simulink و شبیه‌سازی ANSYS، این مطالعه با هدف روشن کردن محدوده‌ای که استفاده از سلول‌های سوختی در پهپادها انتخاب اقتصادی‌تری است، درک حداکثر مرزهای پروازی{5}پهپادهای پیل سوختی با جرم‌های مختلف، درک چالش‌هایی که سناریوهای کاربردی منحصربه‌فرد برای شناسایی نیروگاه‌های سوختی و راه‌حل‌های نیروگاه سوختی{6} ایجاد می‌کنند، می‌کند.

ادامه این مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. بخش 2 روش‌های مدل‌سازی تقاضای توان پهپاد، 3 روش برای طراحی و تطبیق پیشرانه، 4 روش برای محاسبه نسبت استوکیومتری هوا برای اتلاف گرما، روش‌هایی را برای محاسبه تقاضای توان پهپاد، تطبیق سلول‌های سوختی-سیستم‌های محرکه سوختی خنک‌کننده پهپاد و پیل‌های هوای موردنیاز ارائه می‌دهند. نتایج شبیه سازی در بخش 5 مورد بحث قرار گرفته است. در نهایت، بحث و نتیجه گیری در بخش 6 ارائه شده است.