Pin nhiên liệu cho máy bay không người lái đa cánh quạt: Nghiên cứu so sánh về phân tích hiệu suất và lưu trữ năng lượng

Năm 2019, lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu đạt 920 triệu tấn [1]. Lượng khí thải carbon từ tất cả các phương thức vận tải chiếm khoảng 21% tổng lượng khí thải, trong đó ngành hàng không là ngành đóng góp đáng kể. Hiện tại, lượng khí thải hàng không chiếm khoảng 12% tổng lượng khí thải-liên quan đến giao thông vận tải, trong đó việc đốt dầu hỏa hàng không chiếm 79% lượng khí thải của ngành hàng không. Mặc dù hiện tại, tỷ lệ phát thải chung từ ngành hàng không có vẻ không đặc biệt đáng kể, nhưng quá trình khử cacbon của dầu hỏa hàng không tương đối chậm so với các ngành vận tải khác. Công cụ Theo dõi Hành động Khí hậu cũng đã đánh dấu sự tiến bộ của ngành hàng không về tính trung hòa carbon là "không đủ". Khi các ngành công nghiệp khác tiến hành quá trình khử cacbon, tỷ lệ phát thải tương đối của các ngành như hàng không, vốn “khó giảm”, chắc chắn sẽ tăng lên. Nếu tốc độ tăng trưởng hàng năm dự kiến ​​của ngành hàng không không được kiểm soát trong 20 năm tới, lượng khí thải có thể tăng 11% vào năm 2040 [2]. Đến năm 2050, một viễn cảnh đáng lo ngại là 25% lượng khí thải carbon toàn cầu có thể bắt nguồn từ ngành hàng không. Do đó, các nguồn năng lượng thay thế như pin nhiên liệu hydro, nhiên liệu sinh học và tấm pin mặt trời đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực hàng không [3]. Quá trình khử cacbon và điện khí hóa hàng không, đặc biệt là hàng không dân dụng, đã trở thành mệnh lệnh cấp bách toàn cầu [4,5].

Máy bay không người lái (UAV) nhiều cánh quạt là một phần không thể thiếu của ngành hàng không và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như nông nghiệp, lâm nghiệp, thanh tra khu vực và vận chuyển nhanh tầm ngắn-đến trung bình{2}} [6,7]. Nghiên cứu tương ứng nhằm nâng cao hiệu suất bằng cách tập trung vào việc kiểm soát các thông số chuyến bay, lập kế hoạch đường đi và tối ưu hóa cấu trúc chuyến bay cũng đang phát triển [[8], [9], [10]]. Tuy nhiên, hạn chế chính của hầu hết các UAV đa cánh quạt thương mại hiện có là sự phụ thuộc vào pin lithium. Những chiếc UAV này thường có-cất cánh với khối lượng lớn<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.

Hiện tại, pin polymer-hiện đại-lithi{2}}polymer cung cấp năng lượng cụ thể trong khoảng 130–200 Wh/kg. Xem xét tiềm năng của các công nghệ pin trong tương lai, dự kiến ​​sẽ có phạm vi tính toán với các công nghệ mới đạt 250 Wh/kg [14,15]. Barke và cộng sự. [16] đã phác thảo những triển vọng và thách thức kỹ thuật mà pin lithium{13}}lưu huỳnh phải đối mặt. Mặc dù mật độ năng lượng riêng cao vượt quá 400 Wh/kg có thể làm giảm đáng kể khối lượng của hệ thống đẩy so với pin thông thường, điều này sẽ khiến pin lithium{16}}lưu huỳnh có tính cạnh tranh cao, nhưng tuổi thọ trung bình ngắn lại cản trở ứng dụng của chúng. Yap và cộng sự. [17] đã khám phá các thiết bị bay không người lái hạng nhẹ thông qua sự kết hợp giữa sản xuất bồi đắp bằng cách sử dụng in 3D và tối ưu hóa cấu trúc tôpô. Nguyên và cộng sự. [18] đã nghiên cứu tác động của các thông số thiết kế như bán kính cánh quạt, tốc độ cánh quạt, số lượng cánh quạt, độ rộng dây cung và góc xoắn trước{24}}đến động lực bay và hiệu suất của máy bay. Bằng cách sử dụng phương pháp thiết kế Adkins{26}}Liebeck, họ đã tối ưu hóa thiết kế cánh quạt, giúp giảm khoảng 3 % mức tiêu thụ điện năng của máy bay. Hoàng và cộng sự. [19] đã đề xuất phương pháp lập kế hoạch đường đi và lập kế hoạch nhiệm vụ cho một đội máy bay không người lái và xe tải kết hợp dựa trên thuật toán đàn kiến ​​để nâng cao hiệu quả vận chuyển của các đàn máy bay không người lái phục vụ hậu cần. Cách tiếp cận này đã mở rộng đáng kể bán kính hoạt động của các thiết bị bay không người lái chạy bằng pin-.

Tuy nhiên, mật độ năng lượng của pin lithium có nghĩa là-các phương pháp nêu trên có tác động tương đối hạn chế trong việc mở rộng phạm vi hoạt động của UAV. Ngoài ra, do nhu cầu năng lượng đáng kể của khối lượng tăng thêm, việc chỉ bổ sung thêm pin không thực sự mở rộng phạm vi hoạt động tối đa. Do đó, nhu cầu cấp thiết là phải khám phá những cải tiến về hệ thống truyền động để tăng cường năng lượng cụ thể.

Hydro, với mật độ năng lượng cao hơn-gấp ba lần so với dầu hỏa truyền thống, hứa hẹn sẽ là một giải pháp năng lượng bay tầm xa-tiềm năng. Hiện nay, các hệ thống hybrid pin nhiên liệu phổ biến cung cấp mức năng lượng cụ thể từ 250 đến 540 Wh/kg [20]. Việc ứng dụng hệ thống động cơ đẩy pin nhiên liệu là một chủ đề nghiên cứu phổ biến trong ngành hàng không [21]. Một ví dụ là dòng sản phẩm Aerostack của Horizon Energy Systems [22]. Pin nhiên liệu làm mát bằng không khí{12}}đã được tích hợp thành công trên nhiều máy bay không người lái [[23], [24], [25], [26], [27]].

Ưu tiên làm mát không khí trong các ngăn xếp tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) ở nhiệt độ thấp trong UAV xuất phát từ những hạn chế nghiêm ngặt về trọng lượng và không gian [28]. Santos [29] và Boukoberine và cộng sự. [30] đã sử dụng dữ liệu thử nghiệm chuyến bay thực tế để phát triển các chiến lược thiết kế và xây dựng cho các máy bay không người lái đa cánh quạt chạy bằng pin nhiên liệu có nhu cầu điện năng lần lượt khoảng 300 W và 1400 W. Lee và cộng sự. [31] đã chỉ ra rằng làm mát không khí thụ động, thường được sử dụng trong các thiết bị PEMFC quy mô nhỏ có yêu cầu công suất từ ​​1 đến 2 kW, bao gồm việc hút và phân phối cả không khí phản ứng và chất làm mát khắp ngăn xếp, sử dụng cùng một quạt. Công ty TNHH Năng lượng Thông minh [32] tuyên bố cung cấp hệ thống điện với pin nhiên liệu làm mát bằng không khí cho máy bay không người lái có nhu cầu điện năng định mức là 4,8 kW. Từ những điều trên, có thể chứng minh rằng việc áp dụng hệ thống làm mát thụ động{22}thở tự do là khả thi vì pin nhiên liệu có công suất từ ​​0 đến 4,8 kW thường được trang bị quạt cung cấp luồng không khí cần thiết để làm mát và phản ứng.

Mặc dù pin nhiên liệu có lợi thế về mật độ năng lượng nhưng khả năng cơ động của chúng bị cản trở bởi mật độ năng lượng tương đối thấp, độ trễ thời gian dài và phản ứng chậm [33]. Ngược lại, pin lithium có khả năng thiếu khả năng hoạt động ở tầm xa, có thể cung cấp công suất đầu ra cao hơn, mang lại khả năng phản hồi động nâng cao, đặc biệt là trong các giai đoạn chuyển đổi năng lượng cao, chẳng hạn như khi UAV nhanh chóng chuyển từ giai đoạn hành trình sang giai đoạn bay lượn hoặc hạ độ cao [34]. Do đó, trong những tình huống như vậy, việc kết hợp pin lithium với pin nhiên liệu để tạo thành hệ thống động cơ lai là một chiến lược khả thi nhằm đạt được mật độ năng lượng và năng lượng cao trong UAV [35]. Các chiến lược quản lý năng lượng hiệu quả góp phần hơn nữa vào việc mở rộng phạm vi hoạt động và tính bền vững về môi trường của các máy bay không người lái chạy bằng pin nhiên liệu lai- [36,37]. Do đó, đối với các UAV dùng pin nhiên liệu có công suất thấp, việc sử dụng pin nhiên liệu làm mát bằng không khí kết hợp với pin lithium là một giải pháp khả thi giúp cân bằng phạm vi hoạt động và thời gian phản hồi tối đa.

Từ những điều trên, có thể thấy rõ rằng pin nhiên liệu hydro và nền kinh tế{0}ở độ cao thấp đang ngày càng trở thành tâm điểm chú ý trên toàn cầu. Pin nhiên liệu hydro, với mật độ năng lượng vượt trội, đang nổi lên như một giải pháp nhằm giải quyết những thiếu sót của máy bay không người lái chạy bằng pin lithium-và thúc đẩy quá trình khử cacbon trong ngành hàng không. Tuy nhiên, mặc dù các UAV chạy bằng pin lithium thiếu độ bền trong các ứng dụng thực tế, cho thấy mật độ năng lượng của pin nhiên liệu cao hơn so với pin lithium, phần lớn nghiên cứu hiện nay tập trung vào chiến lược quản lý năng lượng của các UAV chạy bằng pin nhiên liệu. Các chiến lược này sử dụng nhu cầu năng lượng theo thời gian thực-làm đầu vào để rút ra sơ đồ phân bổ năng lượng cho các nguồn năng lượng khác nhau bằng thuật toán. Điều này về cơ bản không khác biệt nhiều so với nghiên cứu chiến lược quản lý năng lượng do nhóm của chúng tôi thực hiện trước đây trên các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu- [38,39]. Do không có các phụ kiện phức tạp nên pin lithium thường có ưu điểm là ở dải công suất nhỏ hơn. Hiện tại, có rất ít tài liệu về ngưỡng mà hệ thống động cơ hybrid pin nhiên liệu hoạt động tốt hơn hệ thống động cơ đẩy pin lithium.

Trong nghiên cứu này, hai vấn đề thường bị bỏ qua trong các nghiên cứu trước đây về máy bay không người lái{0} chạy bằng pin nhiên liệu được tập trung vào. Đầu tiên, đối với các mẫu máy bay và cấu hình chuyến bay cụ thể, một phương pháp đã được đề xuất để tính toán các điều kiện biên để thay thế hệ thống đẩy pin lithium bằng hệ thống đẩy hybrid pin nhiên liệu, bằng cách xác định phạm vi trong đó pin nhiên liệu phù hợp hơn cho các ứng dụng UAV. Thứ hai, các khía cạnh độc đáo của kịch bản ứng dụng UAV pin nhiên liệu được phân tích; đặc biệt quan trọng là tác động của chúng đối với phía cầu điện.

Một điều kiện tiên quyết để xây dựng chiến lược quản lý năng lượng sử dụng-nhu cầu năng lượng theo thời gian thực làm đầu vào là hiểu được sự thay đổi về nhu cầu và cung cấp năng lượng cho UAV trong các môi trường khác nhau, vốn là điều kiện biên cho quá trình xây dựng chiến lược. Trong các ứng dụng thực tế, UAV hoạt động ở độ cao lớn thường cần nhiều năng lượng hơn để duy trì chuyến bay ổn định do thay đổi nhiệt độ môi trường và mật độ không khí [40]. Ngoài ra, tác động của việc thay đổi độ cao đến việc làm mát pin nhiên liệu cần được chú ý thêm [41]. Ozbek và cộng sự. [42] nhấn mạnh sự cần thiết phải xem xét đồng thời các yêu cầu về năng lượng của UAV và sự thay đổi nhiệt độ để đảm bảo sự phối hợp của chúng. Hệ thống pin nhiên liệu được đặt bên trong thân máy bay không người lái, trực tiếp hút không khí xung quanh từ bên ngoài vào, chịu ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố môi trường bên ngoài. Một mặt, mật độ không khí giảm dẫn đến nhu cầu năng lượng của UAV tăng lên, dẫn đến lượng nhiệt tỏa ra từ ngăn xếp pin nhiên liệu tăng lên. Đồng thời, tốc độ tản nhiệt của ngăn pin nhiên liệu có thể thay đổi theo những thay đổi của môi trường và không khí loãng làm giảm hệ số truyền nhiệt đối lưu. Tuy nhiên, việc giảm nhiệt độ bên ngoài sẽ làm tăng chênh lệch nhiệt độ giữa ống khói và môi trường, giúp tăng cường trao đổi nhiệt giữa ống khói và môi trường.

Bài viết này giới hạn đối tượng nghiên cứu ở các UAV sáu cánh quạt có-trọng lượng cất cánh (MTOW) tối đa là 25 kg và khám phá tác động của độ cao đối với các UAV chạy bằng pin nhiên liệu-. Khi xây dựng các chiến lược quản lý năng lượng, phương pháp được thực hiện là tối đa hóa công suất đầu ra của hệ thống đẩy pin nhiên liệu đồng thời cho phép pin lithium đáp ứng nhanh chóng nhu cầu năng lượng thay vì thiết kế các chiến lược để sử dụng toàn bộ năng lượng sẵn có hoặc tối đa hóa phạm vi hoạt động. Thông qua việc xem xét tài liệu, lập mô hình Simulink và mô phỏng ANSYS, nghiên cứu này nhằm mục đích làm rõ phạm vi trong đó việc sử dụng pin nhiên liệu trong UAV là một lựa chọn kinh tế hơn, hiểu rõ ranh giới bay tối đa của các UAV chạy bằng pin nhiên liệu-có khối lượng khác nhau, nắm bắt những thách thức mà các kịch bản ứng dụng riêng biệt đặt ra cho các UAV chạy bằng pin nhiên liệu-và xác định các giải pháp khả thi.

Phần còn lại của bài viết này được tổ chức như sau. Phần 2 Phương pháp mô hình hóa nhu cầu năng lượng của UAV, 3 Phương pháp thiết kế và kết hợp hệ thống động cơ đẩy, 4 Phương pháp tính toán tỷ lệ cân bằng hóa học không khí để tản nhiệt trình bày các phương pháp tính toán nhu cầu năng lượng của UAV, phù hợp với các hệ thống đẩy UAV chạy bằng pin nhiên liệu và tính toán luồng không khí cần thiết để làm mát pin nhiên liệu. Kết quả mô phỏng được thảo luận ở Phần 5. Cuối cùng, thảo luận và kết luận được trình bày ở Phần 6.