Çok Rotorlu İnsansız Hava Araçları İçin Yakıt Hücreleri: Enerji Depolama ve Performans Analizinin Karşılaştırmalı Bir Çalışması

2019 yılında küresel karbondioksit emisyonu 920 milyon tona ulaştı [1]. Tüm ulaşım modlarından kaynaklanan karbon emisyonları, toplam emisyonların yaklaşık %21'ini oluştururken, havacılık sektörünün de önemli bir katkısı oldu. Şu anda, havacılık emisyonları ulaşımla ilgili tüm emisyonların yaklaşık %12'sini- temsil ediyor ve havacılık endüstrisinin emisyonlarının %79'u havacılık gazyağının yakılmasından kaynaklanıyor. Havacılık endüstrisinden kaynaklanan emisyonların genel oranı şu anda özellikle önemli görünmese de, havacılık gazyağının karbondan arındırma süreci diğer taşımacılık sektörlerine kıyasla nispeten yavaştır. Climate Action Tracker, havacılık sektörünün karbon nötrlüğü konusunda kaydettiği ilerlemeyi de "yetersiz" olarak işaretledi. Diğer endüstriler karbonsuzlaştırmayı benimsedikçe, havacılık gibi "azaltılması zor" endüstrilerin göreceli emisyon payları kaçınılmaz olarak artacaktır. Havacılık sektörünün öngörülen yıllık büyüme hızı önümüzdeki 20 yıl boyunca kontrol edilmezse emisyonlar 2040 yılına kadar %11 oranında artabilir [2]. 2050 yılına gelindiğinde küresel karbon emisyonlarının %25'inin havacılık endüstrisinden kaynaklanabileceği endişe verici bir beklentidir. Sonuç olarak hidrojen yakıt hücreleri, biyoyakıtlar ve güneş panelleri gibi alternatif enerji kaynakları havacılık sektöründe önemli araştırma konuları haline gelmiştir [3]. Havacılığın, özellikle de sivil havacılığın karbondan arındırılması ve elektrifikasyonu, acil küresel zorunluluklar haline gelmiştir [4,5].

Çok rotorlu insansız hava araçları (İHA'lar) havacılık sektörünün ayrılmaz bir parçasıdır ve tarım, ormancılık, bölgesel denetimler ve kısa-orta-menzilli hızlı ulaşım gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır [6,7]. Uçuş parametrelerinin kontrolüne, yol planlamasına ve uçuş yapılarının optimizasyonuna odaklanarak performansı artırmayı amaçlayan ilgili araştırmalar da gelişmektedir [[8], [9], [10]]. Bununla birlikte, mevcut ticari çok rotorlu İHA'ların çoğunun önemli bir sınırlaması, lityum pillere güvenmeleridir. Bu İHA'lar genellikle{8}}kalkış kütleleri sergiler<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.

Şu anda,--en gelişmiş-lityum-polimer piller, 130–200 Wh/kg aralığında belirli enerjiler sağlamaktadır. Gelecekteki pil teknolojilerinin potansiyeli göz önüne alındığında, yeni teknolojilerle hesaplanan aralığın 250 Wh/kg'a ulaşması öngörülüyor [14,15]. Barke ve ark. [16] lityum{13}}kükürt pillerin karşı karşıya olduğu olasılıkları ve teknik zorlukları özetledi. Her ne kadar 400 Wh/kg'ı aşan yüksek spesifik enerji yoğunluğu, geleneksel pillerle karşılaştırıldığında tahrik sisteminin kütlesini önemli ölçüde azaltabilse de, bu da lityum{16}}kükürt pillerini rekabetçi hale getirebilir, ancak kısa ortalama ömürleri bunların uygulanmasını engeller. Yap ve ark. [17], 3D baskı ve topolojik yapı optimizasyonunu kullanan katmanlı üretim kombinasyonu yoluyla hafif İHA'ları araştırdı. Yuan ve diğerleri. [18] pervane yarıçapı, pervane hızı, pervane kanadı sayısı, kiriş genişliği ve bükülme öncesi açısı gibi tasarım parametrelerinin bir uçağın uçuş dinamiği ve performansı üzerindeki etkisini araştırdı. Adkins-Liebeck tasarım yöntemini kullanarak kanat tasarımını optimize ettiler ve bunun sonucunda uçağın güç tüketiminde yaklaşık %3'lük bir azalma elde ettiler. Huang ve diğerleri. [19], İHA sürülerinin lojistik amaçlı taşıma verimliliğini artırmak amacıyla, bir karınca kolonisi algoritmasını temel alan birleşik İHA ve kamyon filosu için bir görev planlama ve yol planlama yöntemi önerdi. Bu yaklaşım, pille çalışan İHA'ların operasyonel kapsama yarıçapını önemli ölçüde genişletti.

Ancak lityum pillerin enerji yoğunluğu, yukarıda-belirtilen yöntemlerin İHA menzilini genişletme konusunda nispeten sınırlı bir etkiye sahip olduğu anlamına gelir. Ek olarak, ilave kütlenin önemli miktardaki güç talebi nedeniyle, yalnızca daha fazla pil eklemek, maksimum menzili önemli ölçüde genişletmez. Sonuç olarak, belirli enerjiyi artırmak için güç aktarma organlarında iyileştirmelerin araştırılmasına acil bir ihtiyaç vardır.

Hidrojen, geleneksel gazyağıyla karşılaştırıldığında üç-kat daha yüksek enerji yoğunluğuyla, potansiyel bir uzun- uçuş gücü çözümü olarak umut vaat ediyor. Şu anda, yaygın yakıt hücreli hibrit sistemler 250 ile 540 Wh/kg arasında değişen spesifik enerji seviyeleri sağlamaktadır [20]. Yakıt hücreli tahrik sistemlerinin uygulanması havacılıkta popüler bir araştırma konusudur [21]. Bunun bir örneği Horizon Energy Systems Aerostack serisidir [22]. Hava-soğutmalı yakıt hücreleri çok sayıda İHA'ya [[23], [24], [25], [26], [27]] başarıyla entegre edilmiştir.

İHA'lardaki düşük{-sıcaklıktaki proton değişim membranlı yakıt hücresi (PEMFC) yığınlarında havayla-soğutma tercihi, katı ağırlık ve alan kısıtlamalarından kaynaklanmaktadır [28]. Santos [29] ve Boukoberine ve ark. [30], sırasıyla yaklaşık 300 W ve 1400 W güç talepleri olan, yakıt piliyle çalışan çok rotorlu İHA'lar için tasarım ve formülasyon stratejileri geliştirmek üzere gerçek uçuş testi verilerini kullandı. Lee ve ark. [31], güç gereksinimleri 1 ila 2 kW arasında olan küçük ölçekli PEMFC cihazlarda sıklıkla kullanılan pasif hava soğutmanın, aynı fanları kullanarak hem reaktant hem de soğutucu havanın baca boyunca çekilmesini ve dağıtılmasını içerdiğine dikkat çekti. Intelligent Energy Ltd. [32], nominal güç talebi 4,8 kW olan İHA'lar için hava{19}}soğutmalı yakıt hücrelerine sahip güç sistemleri sağladığını iddia ediyor. Yukarıdakilerden hareketle, serbest-pasif-soğutmalı soğutmalı yığının benimsenmesinin mümkün olduğu gösterilebilir çünkü güçleri 0 ile 4,8 kW arasında değişen yakıt hücreleri genellikle soğutma ve reaksiyon için gerekli hava akışını sağlayan fanlarla donatılmıştır.

Yakıt hücrelerinin enerji yoğunluğu açısından avantajları olmasına rağmen, nispeten düşük güç yoğunlukları, uzun gecikme süreleri ve yavaş tepkileri nedeniyle manevra kabiliyetleri engellenmektedir [33]. Buna karşılık, potansiyel olarak uzun menzilli yeteneklere sahip olmayan lityum piller, özellikle bir İHA'nın hızla seyir halinden havada asılı kalma veya iniş aşamalarına geçmesi gibi yüksek güç geçici durumları sırasında gelişmiş dinamik yanıt yetenekleri sağlayarak daha yüksek bir güç çıkışı sağlayabilir [34]. Bu nedenle, bu tür senaryolarda, lityum pilleri yakıt hücreleriyle birleştirerek hibrit tahrik sistemleri oluşturmak, İHA'larda yüksek enerji ve güç yoğunluklarına ulaşmak için uygun bir stratejidir [35]. Etkili enerji yönetimi stratejileri, hibrit yakıt hücresiyle çalışan İHA'ların menzilinin ve çevresel sağlamlığının arttırılmasına daha fazla katkıda bulunur [36,37]. Bu nedenle, düşük-güçlü yakıt hücreli İHA'lar için, lityum pillerle karıştırılmış hava-soğutmalı yakıt hücrelerinin kullanılması, maksimum menzili ve tepki süresini dengeleyen uygun bir çözümdür.

Yukarıdakilerden, hidrojen yakıt hücrelerinin ve alçak-irtifa ekonomisinin giderek küresel ilginin odak noktaları haline geldiği açıktır. Hidrojen yakıt hücreleri, üstün enerji yoğunluğuyla, lityum pille çalışan İHA'ların eksikliklerini giderecek ve havacılık endüstrisinde karbondan arındırmayı teşvik edecek bir çözüm olarak ortaya çıkıyor. Bununla birlikte, lityum pille çalışan İHA'ların pratik uygulamalarda dayanıklılığı olmamasına rağmen, bu da yakıt hücrelerinin enerji yoğunluğunun lityum pillerden daha yüksek olduğunu gösteriyor, mevcut araştırmaların büyük kısmı yakıt hücresiyle çalışan İHA'ların enerji yönetimi stratejilerine odaklanıyor. Bu stratejiler, algoritmalar kullanarak farklı güç kaynakları için güç tahsis şemaları türetmek amacıyla gerçek-zamanlı güç talebini girdi olarak kullanır. Bu, ekibimiz tarafından daha önce yakıt piliyle çalışan-araçlarla çalışan araçlar üzerinde yürütülen enerji yönetimi stratejisi araştırmasından önemli ölçüde farklı değildir [38,39]. Karmaşık aksesuarların bulunmaması nedeniyle lityum piller genellikle daha küçük güç aralıklarında avantajlara sahiptir. Şu anda, yakıt hücreli hibrit tahrik sistemlerinin lityum pilli tahrik sistemlerinden daha iyi performans gösterdiği eşik konusunda literatür eksikliği bulunmaktadır.

Bu çalışmada, yakıt piliyle çalışan İHA'larla ilgili daha önce yapılan çalışmalarda sıklıkla gözden kaçırılan iki konu üzerinde duruluyor.{0}} İlk olarak, belirli modeller ve uçuş profilleri için, yakıt hücrelerinin İHA uygulamaları için daha uygun olduğu aralığın belirlenmesi yoluyla, lityum pilli tahrik sistemlerinin yakıt hücreli hibrit tahrik sistemleriyle değiştirilmesine yönelik sınır koşullarının hesaplanmasına yönelik bir yöntem önerildi. İkinci olarak, yakıt hücreli İHA uygulama senaryolarının benzersiz yönleri analiz ediliyor; özellikle önemli olan bunların güç talebi tarafındaki etkileridir.

Gerçek zamanlı güç talebini girdi olarak kullanarak-enerji yönetimi stratejilerini formüle etmenin ön koşullarından biri, strateji oluşturma sürecinin sınır koşulları olan farklı ortamlarda İHA'lara yönelik güç talebi ve arzındaki farklılıkları anlamaktır. Pratik uygulamalarda, yüksek irtifalarda çalışan İHA'lar, çevre sıcaklığı ve hava yoğunluğundaki değişiklikler nedeniyle genellikle istikrarlı bir uçuşu sürdürmek için daha fazla enerjiye ihtiyaç duyar [40]. Ek olarak, rakım değişikliklerinin yakıt hücresinin soğutulması üzerindeki etkisi daha fazla dikkat gerektirmektedir [41]. Özbek ve ark. [42], koordinasyonun sağlanması için İHA güç gereksinimlerinin ve sıcaklık değişimlerinin eş zamanlı olarak dikkate alınmasının gerekliliğini vurgulamıştır. Yakıt hücresi sistemi, İHA'nın gövdesinin içinde yer almakta olup, dış çevresel faktörlerden doğrudan etkilenen ortam havasını dışarıdan doğrudan içeriye çekmektedir. Bir yandan, hava yoğunluğunun azalması İHA'ların güç talebinde artışa yol açarak yakıt hücresi yığınından ısı çıkışının artmasına neden oluyor. Eş zamanlı olarak, yakıt hücresi yığınının ısı yayılım hızı çevresel değişikliklere göre değişebilir ve ince hava, konvektif ısı transfer katsayısını azaltır. Bununla birlikte, dış sıcaklıktaki bir azalma baca ile çevre arasındaki sıcaklık farkını arttırır, bu da baca ile çevre arasındaki ısı alışverişinin artmasına yardımcı olur.

Bu makale, araştırma nesnesini maksimum kalkış ağırlığı (MTOW) 25 kg olan hexacopter İHA'larla sınırladı ve yüksekliğin yakıt piliyle çalışan İHA'lar üzerindeki etkisini araştırdı-. Enerji yönetimi stratejilerini formüle ederken benimsenen yaklaşım, mevcut tüm enerjiyi kullanmak veya menzili maksimuma çıkarmak için stratejiler tasarlamak yerine, lityum pillerin güç taleplerine hızlı bir şekilde yanıt vermesine izin verirken yakıt hücresi tahrik sisteminin çıkışını maksimuma çıkarmaktı. Literatür taraması, Simulink modellemesi ve ANSYS simülasyonu aracılığıyla bu çalışma, İHA'larda yakıt hücrelerinin kullanılmasının hangi aralıkta daha ekonomik bir seçim olduğunu açıklığa kavuşturmayı, farklı kütlelere sahip yakıt hücresinden güç alan İHA'ların maksimum uçuş sınırlarını anlamayı, yakıt hücresinden güç alan İHA'lar için benzersiz uygulama senaryolarının ortaya çıkardığı zorlukları kavramayı ve olası çözümleri belirlemeyi amaçlamaktadır.

Bu makalenin geri kalanı şu şekilde organize edilmiştir. Bölüm 2 İHA güç talebini modellemeye yönelik yöntemler, 3 Tahrik sistemini tasarlama ve eşleştirmeye yönelik yöntemler, 4 Isı dağıtımı için hava stokiyometrik oranını hesaplamaya yönelik yöntem, İHA güç talebini hesaplamaya, yakıt hücresiyle çalışan İHA tahrik sistemlerini eşleştirmeye ve yakıt hücrelerini soğutmak için gerekli hava akışını hesaplamaya yönelik yöntemleri sunar. Simülasyon sonuçları Bölüm 5'te tartışılmaktadır. Son olarak Bölüm 6'da tartışma ve sonuçlar sunulmaktadır.