תאי דלק לכלי טיס בלתי מאוישים מרובי רוטורים: מחקר השוואתי של ניתוח אחסון אנרגיה וביצועים

בשנת 2019 הגיעה פליטת הפחמן הדו-חמצני העולמית ל-920 מיליון טון [1]. פליטת פחמן מכל אמצעי התחבורה היוו כ-21% מסך הפליטות, כאשר תעשיית התעופה תורמת משמעותית. נכון לעכשיו, פליטות תעופה מייצגות כ-12% מכל הפליטות הקשורות לתחבורה-, כאשר הבעירה של נפט תעופתי מהווה 79% מהפליטות של תעשיית התעופה. בעוד שהשיעור הכולל של הפליטות מתעשיית התעופה אולי לא נראה משמעותי במיוחד כרגע, תהליך שחרור הפחמן של נפט תעופתי איטי יחסית לזה של מגזרי תחבורה אחרים. ה-Climate Action Tracker סימן גם את ההתקדמות של תעשיית התעופה בתחום ניטרליות הפחמן כ"לא מספקת". ככל שתעשיות אחרות יאמצו דה-קרבוניזציה, נתח הפליטות היחסי של תעשיות כמו תעופה, ש"קשה לצמצם", יגדל בהכרח. אם קצב הצמיחה השנתי החזוי של תעשיית התעופה יישאר ללא פיקוח במשך 20 השנים הבאות, הפליטות עשויות לגדול ב-11% עד 2040 [2]. עד 2050, סיכוי מדאיג הוא ש-25% מפליטות הפחמן העולמיות עשויות לנבוע מתעשיית התעופה. כתוצאה מכך, מקורות אנרגיה חלופיים כגון תאי דלק מימן, דלק ביולוגי ופאנלים סולאריים הפכו לנושאי מחקר משמעותיים במגזר התעופה [3]. שחרור פחמן וחשמול של תעופה, במיוחד תעופה אזרחית, הפכו לצוויים גלובליים דחופים [4,5].

כלי טיס בלתי מאוישים מרובי רוטורים (מל"טים) הם חלק בלתי נפרד מתעשיית התעופה ונמצאים בשימוש נרחב ביישומים כגון חקלאות, ייעור, בדיקות אזוריות ותחבורה מהירה-עד בינונית- [6,7]. מחקר מקביל שמטרתו לשפר את הביצועים על ידי התמקדות בבקרה של פרמטרי טיסה, תכנון נתיבים ואופטימיזציה של מבני טיסה, גם הוא מתפתח [[8], [9], [10]]. עם זאת, מגבלה מרכזית של רוב המל"טים המסחריים המולטי-רוטורים הקיימים כיום היא ההסתמכות שלהם על סוללות ליתיום. כטב"מים אלה מציגים בדרך כלל מסות המראה-<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.

נכון לעכשיו, סוללות ליתיום-מתקדם-ה-מתוכנות ביותר מספקות אנרגיות ספציפיות בטווח של 130-200 וואט/ק"ג. בהתחשב בפוטנציאל של טכנולוגיות סוללות עתידיות, צפוי טווח מחושב עם טכנולוגיות חדשות שמגיעות ל-250 וואט/ק"ג [14,15]. בארקה ואח'. [16] תיאר את הסיכויים ואת האתגרים הטכניים העומדים בפני סוללות ליתיום-גופרית. למרות שצפיפות אנרגיה ספציפית גבוהה העולה על 400 וואט/ק"ג יכולה להפחית משמעותית את המסה של מערכת ההנעה בהשוואה לסוללות קונבנציונליות, מה שיהפוך את סוללות הליתיום-גופרית לתחרותיות, החיים הממוצעים הקצרים שלהן מעכבים את היישום שלהן. יאפ וחב'. [17] חקר מל"טים קלים באמצעות שילוב של ייצור תוסף באמצעות הדפסת תלת מימד ואופטימיזציה של מבנה טופולוגי. יואן וחב'. [18] חקר את ההשפעה של פרמטרים עיצוביים כגון רדיוס המדחף, מהירות המדחף, מספר להבי המדחף, רוחב המיתרים וזווית הטרום{24}}על דינמיקת הטיסה והביצועים של מטוס. באמצעות שיטת העיצוב של Adkins-Liebeck, הם עשו אופטימיזציה של עיצוב הלהב, והביאו להפחתה של כ-3% בצריכת החשמל של המטוס. Huang et al. [19] הציע תזמון משימות ושיטת תכנון-נתיבים עבור צי משולב של מל"טים ומשאיות המבוסס על אלגוריתם של מושבת נמלים כדי לשפר את יעילות התחבורה של נחילי מל"טים ללוגיסטיקה. גישה זו הרחיבה באופן משמעותי את רדיוס הכיסוי התפעולי של מל"טים-מופעלי סוללה.

עם זאת, צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום פירושה שלשיטות-המוזכרות למעלה יש השפעה מוגבלת יחסית על הרחבת טווח המל"טים. בנוסף, בשל דרישת ההספק המשמעותית של המסה הנוספת, הוספת עוד סוללות אינה מאריכה משמעותית את הטווח המרבי. כתוצאה מכך, יש צורך דחוף לחקור שיפורי מערכת ההינע כדי להגביר את האנרגיה הספציפית.

מימן, עם צפיפות האנרגיה הגבוהה פי שלושה- בהשוואה לנפט מסורתי, טומן בחובו הבטחה כפתרון פוטנציאלי לכוח טיסה לטווח ארוך-. נכון לעכשיו, מערכות היברידיות נפוצות של תאי דלק מספקות רמות אנרגיה ספציפיות הנעות בין 250 ל-540 וואט/ק"ג [20]. היישום של מערכות הנעה של תאי דלק הוא נושא מחקר פופולרי בתעופה [21]. דוגמה אחת היא סדרת Horizon Energy Systems Aerostack [22]. תאי דלק מקוררים באוויר- שולבו בהצלחה במספר מל"טים [[23], [24], [25], [26], [27]].

ההעדפה לקירור-אוויר בערימות תאי דלק (PEMFC) בטמפרטורה-נמוכה (PEMFC) במל"טים נובעת ממגבלות משקל וחלל מחמירות [28]. Santos [29] ו- Boukoberine et al. [30] השתמש בנתוני ניסוי טיסה אמיתיים כדי לפתח אסטרטגיות עיצוב וניסוח עבור מל"טים מרובי-רוטורים-מופעלי תאי דלק עם דרישות הספק של כ-300 ואט ו-1400 וואט, בהתאמה. לי וחב'. [31] הצביע על כך שקירור אוויר פסיבי, שנמצא בשימוש תדיר בהתקני PEMFC-קטנים עם דרישות הספק מ-1 עד 2 קילוואט, כרוך בשאיבה והפצה של אוויר מגיב וגם של נוזל קירור בכל הערימה, תוך שימוש באותם מאווררים. Intelligent Energy Ltd. [32] טוענת לספק למערכות חשמל עם תאי דלק מקוררים-באוויר למל"טים עם דרישת הספק מדורג של 4.8 קילוואט. מהאמור לעיל, ניתן להדגים שאימוץ של ערימה-נושמת פסיבית-חופשית מקורר אפשרי מכיוון שתאי דלק עם הספקים הנעים בין 0 ל-4.8 קילוואט מצוידים בדרך כלל במאווררים המספקים את זרימת האוויר הדרושה לקירור ולתגובה.

למרות שלתאי דלק יש יתרונות מבחינת צפיפות האנרגיה, יכולת התמרון שלהם נפגעת על ידי צפיפות ההספק הנמוכה יחסית שלהם, עיכובים ארוכים ותגובות איטיות [33]. לעומת זאת, סוללות ליתיום, שעלולות להיעדר יכולות לטווח ארוך-, יכולות לספק תפוקת הספק גבוהה יותר, ולספק יכולות תגובה דינמית משופרות, במיוחד במהלך זמני הספק- גבוהים, כגון כאשר מל"ט עובר במהירות משלבי שיוט לריחוף או ירידה [34]. לכן, בתרחישים כאלה, שילוב של סוללות ליתיום עם תאי דלק ליצירת מערכות הנעה היברידיות הוא אסטרטגיה אפשרית להשגת צפיפות אנרגיה והספק גבוהות במל"טים [35]. אסטרטגיות יעילות לניהול אנרגיה תורמות עוד יותר להרחבת הטווח והחוסן הסביבתי של מל"טים המונעים בתאי דלק היברידיים- [36,37]. לפיכך, עבור מל"טים עם{12}}הספק נמוך של תאי דלק, שימוש בתאי דלק מקוררים באוויר- המעורבבים עם סוללות ליתיום הוא פתרון בר-קיימא שמאזן טווח מקסימלי וזמן תגובה.

מהאמור לעיל, ברור שתאי דלק מימן וכלכלת-בגובה נמוך הופכים יותר ויותר למוקדי תשומת לב עולמיים. תאי דלק מימן, עם צפיפות האנרגיה המעולה שלהם, מופיעים כפתרון לטיפול בחסרונות של מל"טים המונעים על ידי סוללות ליתיום- ולקדם שחרור פחמן בתעשיית התעופה. עם זאת, למרות שמל"טים המונעים על -ליתיום חסרי עמידות ביישומים מעשיים, מה שמצביע על כך שצפיפות האנרגיה של תאי דלק גבוהה מזו של סוללות ליתיום, עיקר המחקר הנוכחי מתרכז באסטרטגיות ניהול האנרגיה של מל"טים המופעלים על-תאי דלק. אסטרטגיות אלו משתמשות בדרישת הספק בזמן אמת-כקלט כדי לגזור סכימות הקצאת הספק עבור מקורות כוח שונים באמצעות אלגוריתמים. זה לא שונה מהותית ממחקר אסטרטגיית ניהול האנרגיה שנערך בעבר על ידי הצוות שלנו על כלי רכב- המונעים בתאי דלק [38,39]. בגלל היעדר אביזרים מורכבים, לסוללות ליתיום יש לרוב יתרונות בטווחי הספק קטנים יותר. נכון לעכשיו, יש מיעוט של ספרות על הסף שבו מערכות הנעה היברידיות של תאי דלק עולות על מערכות ההנעה של סוללות ליתיום.

במחקר זה, מתמקדים בשתי סוגיות שלעתים קרובות התעלמו מהמחקרים הקודמים על מל"טים המונעים בתאי דלק.- ראשית, עבור דגמים ופרופילי טיסה ספציפיים, הוצעה שיטה לחישוב תנאי הגבול להחלפת מערכות הנעה של סוללת ליתיום במערכות הנעה היברידיות של תאי דלק, על ידי קביעת הטווח שבתוכו תאי דלק מתאימים יותר ליישומי מל"ט. שנית, מנותחים ההיבטים הייחודיים של תרחישי יישום של מל"טים בתאי דלק; חשובה במיוחד ההשפעה שלהם על צד הביקוש להספק.

תנאי הכרחי אחד לגיבוש אסטרטגיות לניהול אנרגיה תוך שימוש בדרישת הספק בזמן אמת-כקלט הוא להבין את השונות בביקוש והיצע ההספק עבור מל"טים בסביבות שונות, שהם תנאי גבול לתהליך גיבוש האסטרטגיה. ביישומים מעשיים, מל"טים הפועלים בגובה רב דורשים בדרך כלל יותר אנרגיה כדי לשמור על טיסה יציבה עקב שינויים בטמפרטורת הסביבה ובצפיפות האוויר [40]. בנוסף, ההשפעה של שינויי גובה על קירור תאי דלק דורשת תשומת לב נוספת [41]. Ozbek et al. [42] הדגיש את ההכרח לשקול בו-זמנית את דרישות ההספק של המל"טים ושינויי הטמפרטורה כדי להבטיח את התיאום ביניהם. מערכת תאי הדלק ממוקמת בתוך גוף המטוס של המל"ט, שואבת ישירות אוויר סביבה מבחוץ, המושפע ישירות מגורמים סביבתיים חיצוניים. מצד אחד, ירידה בצפיפות האוויר מובילה לעלייה בדרישת ההספק של מל"טים, וכתוצאה מכך פריקת חום מוגברת מערימת תאי הדלק. במקביל, קצב פיזור החום של ערימת תאי הדלק יכול להשתנות עם שינויים סביבתיים, ואוויר דליל מפחית את מקדם העברת החום ההסעה. עם זאת, ירידה בטמפרטורה החיצונית מגדילה את הפרש הטמפרטורה בין הערימה לסביבה, מה שעוזר לשפר את חילופי החום בין הערימה לסביבה.

מאמר זה הגביל את אובייקט המחקר שלו למל"טים משושה עם משקל -מקסימום המראה (MTOW) של 25 ק"ג וחקר את השפעת הגובה על מל"טים- המופעלים על ידי תאי דלק. בגיבוש אסטרטגיות לניהול אנרגיה, הגישה שננקטה הייתה למקסם את התפוקה של מערכת ההנעה של תאי הדלק תוך מתן אפשרות לסוללות ליתיום להגיב במהירות לדרישות הכוח במקום לתכנן אסטרטגיות לשימוש בכל האנרגיה הזמינה או למקסם את הטווח. באמצעות סקירת ספרות, מודלים של Simulink וסימולציה של ANSYS, מחקר זה נועד להבהיר את הטווח שבו שימוש בתאי דלק במל"טים הוא בחירה כלכלית יותר, להבין את גבולות הטיסה המקסימליים של מל"טים-מופעלים בתאי דלק בעלי מסות שונות, להבין את האתגרים שתרחישי יישומים ייחודיים מציבים עבור מל"טים-מופעלים אפשריים, ולזהות.

שאר מאמר זה מאורגן כדלקמן. סעיפים 2 שיטות למידול דרישת הספק של מל"ט, 3 שיטות לתכנון והתאמה של מערכת ההנעה, 4 שיטה לחישוב יחס האוויר הסטוכיומטרי לפיזור חום מציגות שיטות לחישוב דרישת הספק של מל"ט, התאמת מערכות הנעה של מל"ט-מופעלות באמצעות תאי דלק וחישוב זרימת האוויר הנדרשת לקירור תאי דלק. תוצאות הסימולציה נדונות בסעיף 5. לבסוף, דיון ומסקנות מובאים בסעיף 6.