Celloedd Tanwydd ar gyfer Cerbydau Awyr Di-griw Multirotor: Astudiaeth Gymharol o Storio Ynni A Dadansoddi Perfformiad

Yn 2019, cyrhaeddodd allyriadau carbon deuocsid byd-eang 920 miliwn o dunelli [1]. Roedd allyriadau carbon o bob dull trafnidiaeth yn cyfrif am tua 21% o gyfanswm yr allyriadau, gyda’r diwydiant hedfan yn gyfrannwr sylweddol. Ar hyn o bryd, mae allyriadau hedfan yn cynrychioli tua 12 % o'r holl allyriadau sy'n gysylltiedig â thrafnidiaeth, gyda hylosgiad cerosin hedfan yn cyfrif am 79 % o allyriadau'r diwydiant hedfan. Er ei bod yn bosibl nad yw’r gyfran gyffredinol o allyriadau o’r diwydiant hedfan yn arbennig o arwyddocaol ar hyn o bryd, mae’r broses ddatgarboneiddio o cerosin hedfan yn gymharol araf o’i gymharu â sectorau trafnidiaeth eraill. Mae'r Traciwr Gweithredu Hinsawdd hefyd wedi nodi cynnydd y diwydiant hedfan mewn niwtraliaeth carbon fel "annigonol". Wrth i ddiwydiannau eraill groesawu datgarboneiddio, mae'n anochel y bydd cyfran allyriadau cymharol diwydiannau fel hedfan, sy'n "anodd eu lleihau", yn cynyddu. Os bydd cyfradd twf blynyddol rhagamcanol y diwydiant hedfan yn parhau heb ei wirio am yr 20 mlynedd nesaf, gall allyriadau gynyddu 11 % erbyn 2040 [2]. Erbyn 2050, rhagolwg sy’n peri pryder yw y gallai 25% o allyriadau carbon byd-eang ddeillio o’r diwydiant hedfanaeth. O ganlyniad, mae ffynonellau ynni amgen fel celloedd tanwydd hydrogen, biodanwyddau, a phaneli solar wedi dod yn bynciau ymchwil arwyddocaol yn y sector hedfan [3]. Mae datgarboneiddio a thrydaneiddio hedfan, yn enwedig hedfan sifil, wedi dod yn rheidrwydd byd-eang brys [4,5].

Mae cerbydau awyr di-griw Multirotor (UAVs) yn rhan annatod o'r diwydiant hedfan ac fe'u defnyddir yn eang mewn cymwysiadau megis amaethyddiaeth, coedwigaeth, archwiliadau rhanbarthol, a chludiant cyflym o ystod fer i ganolig [6,7]. Mae ymchwil cyfatebol sydd â'r nod o wella perfformiad trwy ganolbwyntio ar reoli paramedrau hedfan, cynllunio llwybrau, ac optimeiddio strwythurau hedfan, hefyd yn cynyddu [[8], [9], [10]]. Fodd bynnag, cyfyngiad allweddol ar y rhan fwyaf o UAVs amlrotor masnachol sydd ar gael ar hyn o bryd yw eu dibyniaeth ar fatris lithiwm. Mae'r Cerbydau Awyr Di-griw hyn yn nodweddiadol yn tynnu-oddi ar y masau<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.

Ar hyn o bryd, mae cyflwr y batris polymer lithiwm celf yn darparu egni penodol yn yr ystod o 130–200 Wh/kg. O ystyried potensial technolegau batri yn y dyfodol, rhagwelir ystod gyfrifedig gyda thechnolegau newydd yn cyrraedd 250 Wh / kg [14,15]. Mae Barke et al. [16] amlinellodd y rhagolygon a'r heriau technegol sy'n wynebu batris sylffwr lithiwm. Er y gallai dwysedd ynni penodol uchel o fwy na 400 Wh/kg leihau màs y system yrru yn sylweddol o gymharu â batris confensiynol, a fyddai'n gwneud batris sylffwr lithiwm yn gystadleuol, mae eu hoes fer gyfartalog yn rhwystro eu cymhwysiad. Roedd Yap et al. [17] archwilio Cerbydau Awyr Di-griw ysgafn trwy gyfuniad o weithgynhyrchu ychwanegion gan ddefnyddio argraffu 3D ac optimeiddio strwythur topolegol. Mae Yuan et al. [18] ymchwiliodd i effaith paramedrau dylunio megis radiws y llafn gwthio, cyflymder llafn gwthio, nifer llafnau gwthio, lled cord, ac ongl dro cyn-ar ddeinameg hedfan a pherfformiad awyren. Gan ddefnyddio dull dylunio Adkins-Liebeck, fe wnaethant optimeiddio dyluniad y llafn, gan arwain at ostyngiad o tua 3 % yn y defnydd o bŵer awyrennau. Roedd Huang et al. [19] cynigiodd ddull amserlennu tasgau a chynllunio llwybr ar gyfer fflyd gyfun o Gerbydau Awyr Di-griw a thryciau yn seiliedig ar algorithm cytrefi morgrug i wella effeithlonrwydd cludo heidiau UAV ar gyfer logisteg. Roedd y dull hwn yn ymestyn yn sylweddol radiws cwmpas gweithredol Cerbydau Awyr Di-griw wedi'u pweru gan fatri.

Fodd bynnag, mae dwysedd ynni batris lithiwm yn golygu bod y dulliau a grybwyllwyd uchod yn cael effaith gymharol gyfyngedig ar ymestyn yr ystod UAV. Yn ogystal, oherwydd galw pŵer sylweddol y màs ychwanegol, nid yw ychwanegu mwy o fatris yn unig yn ymestyn yr ystod uchaf yn sylweddol. O ganlyniad, mae angen dybryd i archwilio gwelliannau powertrain i hybu ynni penodol.

Mae hydrogen, gyda'i ddwysedd ynni tair gwaith yn fwy o'i gymharu â cherosin traddodiadol, yn dal addewid fel datrysiad pŵer hedfan ystod hir posibl. Ar hyn o bryd, mae systemau hybrid celloedd tanwydd cyffredin yn darparu lefelau egni penodol yn amrywio o 250 i 540 Wh / kg [20]. Mae cymhwyso systemau gyrru celloedd tanwydd yn bwnc ymchwil poblogaidd ym maes hedfan [21]. Un enghraifft yw cyfres Aerostack Systemau Ynni Horizon [22]. Mae celloedd tanwydd wedi'u hoeri gan aer wedi'u hintegreiddio'n llwyddiannus mewn nifer o Gerbydau Awyr Di-griw [[23], [24], [25], [26], [27]].

Mae'r ffafriaeth ar gyfer aer{0}}oeri mewn-pentyrnau cell tanwydd pilen cyfnewid proton tymheredd isel (PEMFC) mewn UAVs yn deillio o gyfyngiadau pwysau a gofod llym [28]. Santos [29] a Boukoberine et al. [30] defnyddio data prawf hedfan go iawn i ddatblygu strategaethau dylunio a fformiwleiddio ar gyfer Cerbydau Awyr Di-griw amlrotor wedi'u pweru gan gelloedd tanwydd gyda gofynion pŵer o tua 300 W a 1400 W, yn y drefn honno. Roedd Lee et al. Tynnodd [31] sylw at y ffaith bod oeri aer goddefol, a ddefnyddir yn aml mewn dyfeisiau PEMFC ar raddfa fach gyda gofynion pŵer o 1 i 2 kW, yn golygu tynnu a dosbarthu aer adweithydd ac oerydd trwy'r pentwr, gan ddefnyddio'r un gwyntyllau. Mae Intelligent Energy Ltd. [32] yn honni ei fod yn darparu systemau pŵer â chelloedd tanwydd wedi'i oeri gan aer ar gyfer Cerbydau Awyr Di-griw sydd â galw pŵer graddedig o 4.8 kW. O'r uchod, gellir dangos ei bod yn ymarferol mabwysiadu stac anadlu goddefol wedi'i oeri oherwydd bod celloedd tanwydd â phwerau rhwng 0 a 4.8 kW fel arfer yn cynnwys gwyntyllau sy'n darparu'r llif aer angenrheidiol ar gyfer oeri ac adwaith.

Er bod gan gelloedd tanwydd fanteision o ran dwysedd ynni, mae eu dwysedd pŵer cymharol isel, oedi hir, ac ymatebion araf yn rhwystro eu symudedd [33]. Mewn cyferbyniad, mae batris lithiwm, sydd o bosibl yn brin o alluoedd -amrediad hir, yn gallu darparu allbwn pŵer uwch, gan ddarparu galluoedd ymateb deinamig gwell, yn enwedig yn ystod cyfnodau pŵer uchel dros dro megis pan fydd UAV yn newid yn gyflym o fordaith i gamau hofran neu ddisgynnol [34]. Felly, mewn senarios o'r fath, mae cyfuno batris lithiwm â chelloedd tanwydd i ffurfio systemau gyrru hybrid yn strategaeth ymarferol i gyflawni dwyseddau ynni a phŵer uchel mewn Cerbydau Awyr Di-griw [35]. Mae strategaethau rheoli ynni effeithiol yn cyfrannu ymhellach at ehangu ystod a chadernid amgylcheddol Cerbydau Awyr Di-griw wedi'u pweru gan gelloedd tanwydd hybrid [36,37]. Felly, ar gyfer Cerbydau Awyr Di-griw celloedd tanwydd pŵer isel, mae defnyddio celloedd tanwydd wedi'u hoeri gan aer wedi'u cymysgu â batris lithiwm yn ddatrysiad ymarferol sy'n cydbwyso'r ystod uchaf a'r amser ymateb.

O'r uchod, mae'n amlwg bod celloedd tanwydd hydrogen ac economeg uchder isel yn dod yn ganolbwynt i sylw byd-eang yn gynyddol. Mae celloedd tanwydd hydrogen, gyda'u dwysedd ynni uwch, yn dod i'r amlwg fel ateb i fynd i'r afael â diffygion Cerbydau Awyr Di-griw wedi'u pweru gan batri lithiwm a hyrwyddo datgarboneiddio yn y diwydiant hedfan. Fodd bynnag, er bod Cerbydau Awyr Di-griw wedi'u pweru gan fatri lithiwm yn ddiffygiol mewn cymwysiadau ymarferol, sy'n dangos bod dwysedd ynni celloedd tanwydd yn uwch na batris lithiwm, mae'r rhan fwyaf o'r ymchwil presennol yn canolbwyntio ar strategaethau rheoli ynni Cerbydau Awyr Di-griw wedi'u pweru gan gelloedd tanwydd. Mae'r strategaethau hyn yn defnyddio-galw pŵer amser real fel mewnbwn i ddeillio cynlluniau dyrannu pŵer ar gyfer gwahanol ffynonellau pŵer gan ddefnyddio algorithmau. Nid yw hyn yn sylweddol wahanol i'r ymchwil strategaeth rheoli ynni a gynhaliwyd yn flaenorol gan ein tîm ar gerbydau wedi'u pweru gan gelloedd tanwydd [38,39]. Oherwydd absenoldeb ategolion cymhleth, mae gan batris lithiwm fanteision yn aml o fewn ystodau pŵer llai. Ar hyn o bryd, mae yna brinder llenyddiaeth ar y trothwy lle mae systemau gyriant hybrid celloedd tanwydd yn perfformio'n well na systemau gyrru batri lithiwm.

Yn yr astudiaeth hon, canolbwyntir ar ddau fater sydd wedi cael eu hanwybyddu'n aml mewn astudiaethau blaenorol ar Gerbydau Awyr Di-griw wedi'u pweru gan gelloedd tanwydd. Yn gyntaf, ar gyfer modelau penodol a phroffiliau hedfan, cynigiwyd dull i gyfrifo'r amodau terfyn ar gyfer disodli systemau gyrru batri lithiwm gyda systemau gyriant hybrid celloedd tanwydd, trwy bennu'r ystod y mae celloedd tanwydd yn fwy priodol ar gyfer cymwysiadau UAV o'i mewn. Yn ail, dadansoddir agweddau unigryw ar senarios cymhwyso UAV celloedd tanwydd; arbennig o bwysig yw eu heffaith ar yr ochr galw am bŵer.

Un rhagofyniad ar gyfer llunio strategaethau rheoli ynni gan ddefnyddio{0}}galw pŵer amser real fel mewnbwn yw deall yr amrywiadau yn y galw am bŵer a chyflenwad ar gyfer Cerbydau Awyr Di-griw mewn gwahanol amgylcheddau, sef amodau ffiniau ar gyfer y broses o lunio strategaeth. Mewn cymwysiadau ymarferol, mae Cerbydau Awyr Di-griw sy'n gweithredu ar uchderau uchel fel arfer angen mwy o egni i gynnal hediad sefydlog oherwydd newidiadau mewn tymheredd amgylcheddol a dwysedd aer [40]. Yn ogystal, mae angen rhoi sylw pellach i effaith newidiadau uchder ar oeri celloedd tanwydd [41]. Ozbek et al. Pwysleisiodd [42] yr angen i ystyried gofynion pŵer UAV a newidiadau tymheredd ar yr un pryd i sicrhau eu cydlyniad. Mae'r system celloedd tanwydd wedi'i lleoli y tu mewn i ffiwslawdd yr UAV, gan dynnu aer amgylchynol i mewn yn uniongyrchol o'r tu allan, sy'n cael ei ddylanwadu'n uniongyrchol gan ffactorau amgylcheddol allanol. Ar y naill law, mae gostyngiad mewn dwysedd aer yn arwain at gynnydd yn y galw am bŵer Cerbydau Awyr Di-griw, gan arwain at fwy o ollyngiad gwres o'r pentwr celloedd tanwydd. Ar yr un pryd, gall cyfradd afradu gwres y pentwr celloedd tanwydd amrywio gyda newidiadau amgylcheddol, ac mae aer tenau yn lleihau'r cyfernod trosglwyddo gwres darfudol. Fodd bynnag, mae gostyngiad yn y tymheredd allanol yn cynyddu'r gwahaniaeth tymheredd rhwng y pentwr a'r amgylchedd, sy'n helpu i wella'r cyfnewid gwres rhwng y pentwr a'r amgylchedd.

Cyfyngodd y papur hwn ei wrthrych ymchwil i Gerbydau Awyr Di-griw hecsacopter gydag uchafswm tynnu{0}}pwysau (MTOW) o 25 kg ac archwiliodd effaith uchder ar Gerbydau Awyr Di-griw wedi'u pweru gan gelloedd tanwydd. Wrth lunio strategaethau rheoli ynni, y dull a ddefnyddiwyd oedd gwneud y mwyaf o allbwn y system gyrru celloedd tanwydd tra'n caniatáu i fatris lithiwm ymateb yn gyflym i ofynion pŵer yn hytrach na dylunio strategaethau i ddefnyddio'r holl ynni sydd ar gael neu wneud y mwyaf o'r ystod. Trwy adolygiad llenyddiaeth, modelu Simulink, ac efelychu ANSYS, nod yr astudiaeth hon yw egluro'r ystod y mae defnyddio celloedd tanwydd mewn Cerbydau Awyr Di-griw yn ddewis mwy economaidd o'i fewn, deall terfynau hedfan uchaf Cerbydau Awyr Di-griw wedi'u pweru â gwahanol fasau, deall yr heriau y mae senarios cymhwyso unigryw yn eu hachosi i Gerbydau Awyr Di-griw wedi'u pweru gan gelloedd tanwydd, a nodi atebion posibl.

Trefnir gweddill y papur hwn fel a ganlyn. Adran 2 Dulliau ar gyfer modelu'r galw am bŵer Cerbydau Awyr Di-griw, 3 Dulliau ar gyfer dylunio a chyfateb y system yrru, 4 Dull ar gyfer cyfrifo'r gymhareb stoichiometrig aer ar gyfer afradu gwres dulliau presennol ar gyfer cyfrifo'r galw am bŵer Cerbydau Awyr Di-griw, paru systemau gyriant UAV wedi'u pweru gan gelloedd tanwydd a chyfrifo'r llif aer gofynnol ar gyfer oeri celloedd tanwydd. Trafodir canlyniadau'r efelychiad yn Adran 5. Yn olaf, cyflwynir trafodaeth a chasgliadau yn Adran 6.