Piles de combustible per a vehicles aeris no tripulats multirotor: un estudi comparatiu d'emmagatzematge d'energia i anàlisi de rendiment

El 2019, les emissions mundials de diòxid de carboni van assolir els 920 milions de tones [1]. Les emissions de carboni de tots els modes de transport van representar aproximadament el 21% de les emissions totals, i la indústria de l'aviació va ser un contribuent important. Actualment, les emissions de l'aviació representen aproximadament el 12 % de totes les emissions relacionades amb el transport-, i la combustió del querosè d'aviació representa el 79 % de les emissions de la indústria de l'aviació. Tot i que la proporció global d'emissions de la indústria de l'aviació pot no semblar especialment significativa en l'actualitat, el procés de descarbonització del querosè d'aviació és relativament lent en comparació amb el d'altres sectors del transport. El Climate Action Tracker també ha marcat el progrés de la indústria de l'aviació en la neutralitat de carboni com a "insuficient". A mesura que altres indústries adopten la descarbonització, la quota relativa d'emissions d'indústries com l'aviació, que són "difícils de reduir", augmentarà inevitablement. Si la taxa de creixement anual prevista de la indústria de l'aviació no es controla durant els propers 20 anys, les emissions podrien augmentar un 11% el 2040 [2]. L'any 2050, una perspectiva preocupant és que el 25% de les emissions mundials de carboni puguin provenir de la indústria de l'aviació. En conseqüència, les fonts d'energia alternatives com les piles de combustible d'hidrogen, els biocombustibles i els panells solars s'han convertit en temes de recerca importants en el sector de l'aviació [3]. La descarbonització i l'electrificació de l'aviació, especialment l'aviació civil, s'han convertit en imperatius globals urgents [4,5].

Els vehicles aeris no tripulats (UAV) multirotor són una part integral de la indústria de l'aviació i s'utilitzen àmpliament en aplicacions com l'agricultura, la silvicultura, les inspeccions regionals i el transport ràpid de curt -a mitjà-abast [6,7]. Les investigacions corresponents destinades a millorar el rendiment centrant-se en el control dels paràmetres de vol, la planificació de la trajectòria i l'optimització de les estructures de vol també estan creixent [[8], [9], [10]]. Tanmateix, una limitació clau de la majoria dels UAV comercials multirotor disponibles actualment és la seva dependència de les bateries de liti. Aquests UAV solen mostrar masses d'enlairament-<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.

Actualment, les bateries de polímer de liti--última-tecnologia- ofereixen energies específiques en el rang de 130 a 200 Wh/kg. Tenint en compte el potencial de les futures tecnologies de bateries, es preveu un rang calculat amb noves tecnologies que arribi als 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] va descriure les perspectives i els reptes tècnics als quals s'enfronten les bateries de liti-sofre. Tot i que una alta densitat d'energia específica superior als 400 Wh/kg podria reduir significativament la massa del sistema de propulsió en comparació amb les bateries convencionals, cosa que faria competitives les bateries de liti-sofre, la seva curta vida mitjana dificulta la seva aplicació. Yap et al. [17] va explorar els UAV lleugers mitjançant una combinació de fabricació additiva mitjançant la impressió 3D i l'optimització de l'estructura topològica. Yuan et al. [18] va investigar l'impacte de paràmetres de disseny com el radi de l'hèlix, la velocitat de l'hèlix, el nombre de pales de l'hèlix, l'amplada de la corda i l'angle de pre-torsió en la dinàmica de vol i el rendiment d'una aeronau. Mitjançant el mètode de disseny Adkins-Liebeck, van optimitzar el disseny de les pales, donant lloc a una reducció d'aproximadament un 3 % del consum d'energia de l'avió. Huang et al. [19] va proposar un mètode de planificació de tasques i-planificació de rutes per a una flota combinada d'UAV i camions basat en un algorisme de colònies de formigues per millorar l'eficiència del transport dels eixams d'UAV per a la logística. Aquest enfocament va ampliar significativament el radi de cobertura operativa dels UAV alimentats per bateria-.

Tanmateix, la densitat d'energia de les bateries de liti fa que els mètodes{0}}esmentats anteriorment tinguin un impacte relativament limitat a l'hora d'ampliar l'abast d'UAV. A més, a causa de la demanda d'energia important de la massa addicional, només afegir més bateries no amplia substancialment el rang màxim. En conseqüència, hi ha una necessitat urgent d'explorar millores del tren de propulsió per augmentar l'energia específica.

L'hidrogen, amb la seva densitat d'energia tres- vegades més gran que el querosè tradicional, és prometedor com a solució potencial de potència de vol de llarg-abast. Actualment, els sistemes híbrids comuns de piles de combustible proporcionen nivells d'energia específics que van des de 250 a 540 Wh/kg [20]. L'aplicació de sistemes de propulsió de cèl·lules de combustible és un tema de recerca popular a l'aviació [21]. Un exemple és la sèrie Aerostack de Horizon Energy Systems [22]. Les piles de combustible refrigerades per aire-s'han integrat amb èxit en nombrosos UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

La preferència pel refredament de l'aire-a les piles de piles de combustible de membrana d'intercanvi de protons (PEMFC) a baixa-temperatura dels UAV sorgeix de restriccions estrictes de pes i espai [28]. Santos [29] i Boukoberine et al. [30] van utilitzar dades de proves de vol reals per desenvolupar estratègies de disseny i formulació per a UAV multirotor amb pila de combustible-con una demanda de potència d'aproximadament 300 W i 1400 W, respectivament. Lee et al. [31] va assenyalar que la refrigeració passiva per aire, que s'utilitza amb freqüència en dispositius PEMFC a petita-escala amb requisits de potència d'1 a 2 kW, implica extreure i distribuir l'aire reactiu i refrigerant per tota la pila, utilitzant els mateixos ventiladors. Intelligent Energy Ltd. [32] afirma proporcionar sistemes d'alimentació amb piles de combustible refrigerades per aire-per a UAV amb una demanda de potència nominal de 4,8 kW. A partir de l'anterior, es pot demostrar que l'adopció d'una pila refrigerada-passiva-de respiració lliure és factible perquè les piles de combustible amb potències que oscil·len entre 0 i 4,8 kW solen estar equipades amb ventiladors que proporcionen el flux d'aire necessari per a la refrigeració i la reacció.

Tot i que les piles de combustible tenen avantatges en termes de densitat d'energia, la seva maniobrabilitat es veu obstaculitzada per la seva relativament baixa densitat de potència, llargs retards i respostes lentes [33]. En canvi, les bateries de liti, que potencialment no tenen capacitats de llarg -abast, poden oferir una potència de sortida més alta, proporcionant capacitats de resposta dinàmica millorades, especialment durant transitoris d'alta-potència, com quan un UAV canvia ràpidament de les fases de creuer a les fases de flotació o de descens [34]. Per tant, en aquests escenaris, combinar bateries de liti amb piles de combustible per formar sistemes de propulsió híbrids és una estratègia factible per aconseguir altes densitats d'energia i potència en els UAV [35]. Les estratègies efectives de gestió de l'energia contribueixen encara més a ampliar l'autonomia i la robustesa ambiental dels UAV alimentats amb cèl·lules de combustible híbrides-[36,37]. Per tant, per als UAV de pila de combustible de baixa potència, utilitzar piles de combustible refrigerades per aire-mesclades amb bateries de liti és una solució viable que equilibra l'autonomia i el temps de resposta màxims.

A partir de l'anterior, és evident que les piles de combustible d'hidrogen i l'economia de baixa-altitud s'estan convertint cada cop més en punts focals d'atenció global. Les piles de combustible d'hidrogen, amb la seva densitat energètica superior, estan sorgint com una solució per abordar les deficiències dels UAV alimentats amb bateries de liti-i promoure la descarbonització a la indústria de l'aviació. Tanmateix, malgrat que els UAV alimentats amb bateries de liti-no són duradors en aplicacions pràctiques, cosa que indica que la densitat d'energia de les piles de combustible és superior a la de les bateries de liti, la major part de la investigació actual es concentra en les estratègies de gestió energètica dels UAV alimentats amb cèl·lules de combustible-. Aquestes estratègies utilitzen la demanda d'energia en temps real-com a entrada per obtenir esquemes d'assignació d'energia per a diferents fonts d'energia mitjançant algorismes. Això no és substancialment diferent de la investigació sobre l'estratègia de gestió de l'energia realitzada anteriorment pel nostre equip sobre vehicles amb pila de combustible-[38,39]. A causa de l'absència d'accessoris complexos, les bateries de liti sovint tenen avantatges en rangs de potència més petits. Actualment, hi ha poca literatura sobre el llindar en què els sistemes de propulsió híbrid de cèl·lules de combustible superen els sistemes de propulsió de bateries de liti.

En aquest estudi, es centren dues qüestions que sovint s'han passat per alt en estudis anteriors sobre UAV alimentats amb pila de combustible-. En primer lloc, per a models i perfils de vol específics, es va proposar un mètode per calcular les condicions límit per substituir els sistemes de propulsió de bateries de liti per sistemes de propulsió híbrids de pila de combustible, determinant el rang dins del qual les piles de combustible són més adequades per a les aplicacions d'UAV. En segon lloc, s'analitzen els aspectes únics dels escenaris d'aplicació d'UAV de pila de combustible; especialment important és el seu impacte en la demanda d'energia.

Un requisit previ per formular estratègies de gestió de l'energia utilitzant la demanda d'energia en temps real-com a entrada és comprendre les variacions de la demanda i l'oferta d'energia dels UAV en diferents entorns, que són condicions límit per al procés de formulació de l'estratègia. En aplicacions pràctiques, els UAV que operen a gran altitud solen requerir més energia per mantenir un vol estable a causa dels canvis en la temperatura ambiental i la densitat de l'aire [40]. A més, l'impacte dels canvis d'altitud en la refrigeració de les piles de combustible requereix més atenció [41]. Ozbek et al. [42] va posar èmfasi en la necessitat de considerar simultàniament els requisits de potència dels UAV i els canvis de temperatura per garantir la seva coordinació. El sistema de pila de combustible es troba dins del fuselatge de l'UAV, aspirant directament l'aire ambiental des de l'exterior, que està directament influenciat per factors ambientals externs. D'una banda, una disminució de la densitat de l'aire comporta un augment de la demanda d'energia dels UAV, donant lloc a una major descàrrega de calor de la pila de pila de combustible. Simultàniament, la taxa de dissipació de calor de la pila de pila de combustible pot variar amb els canvis ambientals, i l'aire prim redueix el coeficient de transferència de calor convectiva. Tanmateix, una disminució de la temperatura externa augmenta la diferència de temperatura entre la pila i l'entorn, la qual cosa ajuda a millorar l'intercanvi de calor entre la pila i l'entorn.

Aquest article va limitar el seu objecte d'investigació als UAV hexacopters amb un pes màxim d'enlairament (MTOW) de 25 kg i va explorar l'impacte de l'altitud en els UAV propulsats per pila de combustible-. En formular estratègies de gestió energètica, l'enfocament adoptat va ser maximitzar la sortida del sistema de propulsió de cèl·lules de combustible alhora que permetia que les bateries de liti responguessin ràpidament a les demandes d'energia en lloc de dissenyar estratègies per utilitzar tota l'energia disponible o maximitzar l'abast. Mitjançant una revisió de la literatura, el modelatge Simulink i la simulació ANSYS, aquest estudi pretén aclarir el rang dins del qual l'ús de piles de combustible en UAV és una opció més econòmica, entendre els límits màxims de vol dels UAV alimentats amb cèl·lules de combustible- amb diferents masses, comprendre els reptes que plantegen els escenaris d'aplicació únics per als UAV-de combustible i identificar possibles solucions.

La resta d'aquest document s'organitza de la següent manera. Les seccions 2 Mètodes per modelar la demanda de potència d'UAV, 3 Mètodes per dissenyar i combinar el sistema de propulsió, 4 Mètode per calcular la relació estequiomètrica de l'aire per a la dissipació de calor presenten mètodes per calcular la demanda de potència d'UAV, fer coincidir els sistemes de propulsió d'UAV amb pila de combustible-i calcular el flux d'aire necessari per refredar les piles de combustible. Els resultats de la simulació es discuteixen a la secció 5. Finalment, es presenten una discussió i les conclusions a la secció 6.