Selil gaz pou machin ayeryen san ekipe multirotor: yon etid konparatif sou depo enèji ak analiz pèfòmans

Nan 2019, emisyon gaz kabonik mondyal te rive nan 920 milyon tòn [1]. Emisyon kabòn ki soti nan tout mòd transpò te reprezante apeprè 21% nan emisyon total yo, ak endistri avyasyon an te yon kontribitè enpòtan. Kounye a, emisyon aviyasyon reprezante apeprè 12% nan tout emisyon ki gen rapò ak transpò-, ak konbisyon kewozèn aviyasyon an reprezante 79% nan emisyon endistri aviyasyon an. Pandan ke pwopòsyon an jeneral nan emisyon nan endistri aviyasyon an ka pa sanble patikilyèman enpòtan kounye a, pwosesis dekarbonizasyon kewozèn aviyasyon an relativman dousman konpare ak sa yo ki nan lòt sektè transpò. Climate Action Tracker la te make tou pwogrè endistri avyasyon an nan netralite kabòn kòm "ensifizan". Kòm lòt endistri yo anbrase dekarbonizasyon, pati nan emisyon relatif nan endistri tankou avyasyon, ki se "difisil diminye", pral inevitableman ogmante. Si to kwasans anyèl prevwa endistri aviyasyon an rete san kontwòl pou 20 pwochen ane yo, emisyon yo ka ogmante de 11% pa 2040 [2]. Pa 2050, yon pwospè konsyan se ke 25% nan emisyon kabòn mondyal ta ka soti nan endistri a avyasyon. Kontinwe, sous enèji altènatif tankou selil gaz idwojèn, biocarburants, ak panno solè vin tounen sijè rechèch enpòtan nan sektè aviyasyon an [3]. Dekarbonizasyon ak elèktrifikasyon avyasyon, espesyalman aviyasyon sivil, vin tounen enperatif mondyal ijan [4,5].

Machin ayeryen san ekipe (UAV) Multirotor se yon pati entegral nan endistri aviyasyon an epi yo lajman itilize nan aplikasyon tankou agrikilti, forè, enspeksyon rejyonal yo, ak kout -a mwayen- transpò rapid [6,7]. Rechèch korespondan ki vize pou amelyore pèfòmans nan konsantre sou kontwòl paramèt vòl yo, planifikasyon chemen, ak optimize estrikti vòl yo, ap devlope tou [[8], [9], [10]]. Sepandan, yon limit kle nan pifò UAV multirotor komèsyal ki disponib kounye a se depandans yo sou pil ityòm. UAV sa yo anjeneral montre dekole-mas<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.

Kounye a, dènye --pil ityòm-polymère-polymère yo bay enèji espesifik nan yon seri 130-200 Wh/kg. Lè nou konsidere potansyèl teknoloji batri nan lavni, yo prevwa yon seri kalkile ak nouvo teknoloji ki rive nan 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] te dekri kandida yo ak defi teknik yo ap fè fas ak ityòm-pil souf. Malgre ke yon gwo dansite enèji espesifik ki depase 400 Wh/kg ta ka siyifikativman redwi mas sistèm propulsion a konpare ak pil konvansyonèl yo, ki ta fè pil ityòm-souf konpetitif, lavi mwayèn kout yo anpeche aplikasyon yo. Yap et al. [17] eksplore UAV ki lejè atravè yon konbinezon de fabrikasyon aditif lè l sèvi avèk enprime 3D ak optimize estrikti topolojik. Yuan et al. [18] te envestige enpak paramèt konsepsyon tankou reyon elis la, vitès elis la, kantite lam elis, lajè kòd, ak ang pre-tòde sou dinamik vòl ak pèfòmans yon avyon. Sèvi ak metòd konsepsyon Adkins-Liebeck, yo te optimize konsepsyon lam la, sa ki lakòz yon rediksyon apeprè 3% nan konsomasyon pouvwa avyon an. Huang et al. [19] te pwopoze yon planifikasyon travay ak metòd-planifikasyon pou yon flòt konbine UAV ak kamyon ki baze sou yon algorithm koloni foumi pou amelyore efikasite transpò nan swarm UAV pou lojistik. Apwòch sa a siyifikativman pwolonje reyon pwoteksyon fonksyone UAV ki mache ak pil-.

Sepandan, dansite enèji pil ityòm yo vle di metòd ki endike anwo a{0}}yo gen yon enpak relativman limite sou pwolonje ranje UAV la. Anplis de sa, akòz demann pouvwa siyifikatif mas adisyonèl la, jis ajoute plis pil pa pwolonje ranje maksimòm lan. Kontinwe, gen yon bezwen ijan pou eksplore amelyorasyon powertrain pou ranfòse enèji espesifik.

Idwojèn, ak dansite enèji twa-pliye li yo konpare ak kewozèn tradisyonèl yo, kenbe pwomès kòm yon potansyèl solisyon pouvwa vòl ki long-. Kounye a, sistèm ibrid selil gaz komen bay nivo enèji espesifik ki sòti nan 250 a 540 Wh/kg [20]. Aplikasyon sistèm pwopilsyon selil gaz se yon sijè rechèch popilè nan avyasyon [21]. Yon egzanp se seri Horizon Energy Systems Aerostack [22]. Selil gaz ki refwadi lè-te entegre avèk siksè nan anpil UAV [[23], [24], [25], [26], [27]].

Preferans pou lè-refwadisman nan pil-tanperati ba pwoton echanj selil gaz (PEMFC) nan UAV yo soti nan pwa sevè ak kontrent espas [28]. Santos [29] ak Boukoberine et al. [30] te itilize done tès vòl reyèl pou devlope estrateji konsepsyon ak fòmilasyon pou UAV multirotor ki mache ak selil gaz - ak demann pouvwa apeprè 300 W ak 1400 W, respektivman. Lee et al. [31] fè remake ke refwadisman lè pasif, ki souvan itilize nan ti -aparèy PEMFC ak kondisyon pouvwa soti nan 1 a 2 kW, enplike nan antre ak distribye tou de reyaktif ak refwadisman lè nan tout chemine a, lè l sèvi avèk menm fanatik yo. Intelligent Energy Ltd. [32] deklare li bay sistèm kouran ak selil gaz ki refwadi lè-pou dron ak yon demann pouvwa nominal 4.8 kW. Soti nan pi wo a, li ka demontre ke adopsyon an nan yon pil refwadisman pasif gratis-respirasyon- se posib paske selil gaz ak pouvwa ki varye ant 0 ak 4.8 kW yo anjeneral ekipe ak fanatik ki bay koule lè ki nesesè pou refwadisman ak reyaksyon.

Malgre ke selil gaz yo gen avantaj an tèm de dansite enèji, manyablite yo antrave pa dansite pouvwa relativman ba yo, reta tan long, ak repons dousman [33]. Kontrèman, batri ityòm yo, ki kapab manke kapasite long-, ka bay yon pi gwo pwodiksyon pouvwa, bay kapasite repons dinamik amelyore, patikilyèman pandan gwo-transient pouvwa tankou lè yon UAV rapidman chanje soti nan kwazyè nan volan oswa faz desandan [34]. Se poutèt sa, nan senaryo sa yo, konbine pil ityòm ak selil gaz pou fòme sistèm pwopilsyon ibrid se yon estrateji posib pou reyalize gwo enèji ak dansite pouvwa nan UAVs [35]. Estrateji efikas jesyon enèji kontribye plis nan pwolonje ranje ak solidite anviwònman an nan ibrid selil gaz -UAV ki mache ak [36,37]. Kidonk, pou UAV selil gaz ki ba-, lè l sèvi avèk selil gaz ki refwadi lè- melanje ak pil ityòm se yon solisyon solid ki balanse maksimòm ranje ak tan repons.

Soti nan pi wo a, li klè ke selil gaz idwojèn ak ekonomi ba-altitid yo ap vin de pli zan pli pwen fokal nan atansyon mondyal. Selil gaz idwojèn, ak dansite enèji siperyè yo, ap parèt kòm yon solisyon pou adrese enpèfeksyon UAV ki mache ak pil ityòm-yo epi ankouraje dekarbonizasyon nan endistri avyasyon an. Sepandan, malgre UAV ki mache ak batri ityòm-ki manke rezistans nan aplikasyon pratik, ki endike dansite enèji selil gaz yo pi wo pase pil ityòm, gwo rechèch aktyèl la konsantre sou estrateji jesyon enèji nan UAV ki mache ak selil gaz. Estrateji sa yo sèvi ak demann pouvwa an tan reyèl-kòm yon opinyon pou jwenn plan alokasyon pouvwa pou diferan sous kouran lè l sèvi avèk algoritm. Sa a pa anpil diferan de rechèch estrateji jesyon enèji ekip nou an te fè anvan sou veyikil ki mache ak selil gaz -[38,39]. Paske nan absans la nan Pwodwi pou Telefòn konplèks, pil ityòm souvan gen avantaj nan pi piti chenn pouvwa. Kounye a, gen yon mank de literati sou papòt la nan ki sistèm pwopilsyon ibrid selil gaz depase sistèm propulsion batri ityòm.

Nan etid sa a, yo konsantre sou de pwoblèm ki te souvan neglije nan etid anvan yo sou UAV ki gen pouvwa selil gaz -. Premyèman, pou modèl espesifik ak pwofil vòl yo, yo te pwopoze yon metòd pou kalkile kondisyon fwontyè yo pou ranplase sistèm pwopilsyon batri ityòm ak sistèm pwopilsyon ibrid selil gaz, lè w detèmine seri a nan ki selil gaz yo pi apwopriye pou aplikasyon UAV. Dezyèmman, aspè inik nan senaryo aplikasyon UAV selil gaz yo analize; patikilyèman enpòtan se enpak yo sou bò demann pouvwa a.

Youn nan kondisyon pou fòmile estrateji jesyon enèji lè l sèvi avèk demann pouvwa tan reyèl -an kòm yon opinyon se konprann varyasyon nan demann pouvwa ak ekipman pou UAVs nan diferan anviwònman, ki se kondisyon limit pou pwosesis la fòmilasyon estrateji. Nan aplikasyon pratik, UAV ki opere nan altitid wo anjeneral mande pou plis enèji pou kenbe yon vòl ki estab akòz chanjman nan tanperati anviwònman an ak dansite lè [40]. Anplis de sa, enpak chanjman altitid yo sou refwadisman selil gaz mande plis atansyon [41]. Ozbek et al. [42] te mete aksan sou nesesite pou an menm tan konsidere egzijans pouvwa UAV ak chanjman tanperati pou asire kowòdinasyon yo. Sistèm selil gaz la sitiye andedan fuselage nan UAV a, dirèkteman trase lè anbyen soti deyò a, ki se dirèkteman enfliyanse pa faktè anviwònman ekstèn. Sou yon bò, yon diminisyon nan dansite lè a mennen nan yon ogmantasyon nan demann pouvwa a nan UAVs, sa ki lakòz ogmante egzeyat chalè soti nan pil selil gaz la. Ansanm, pousantaj dissipation chalè nan pil selil gaz la ka varye ak chanjman nan anviwònman an, ak lè mens diminye koyefisyan transfè chalè konvèktif la. Sepandan, yon diminisyon nan tanperati ekstèn lan ogmante diferans tanperati ant chemine a ak anviwònman an, ki ede amelyore echanj chalè ant chemine a ak anviwònman an.

Papye sa a te limite objè rechèch li a nan UAV hexacopter ki gen yon pwa maksimòm dekole -(MTOW) 25 kg epi li te eksplore enpak altitid la sou UAV ki mache ak pil gaz-. Nan fòmile estrateji jesyon enèji, apwòch la te pran se te maksimize pwodiksyon an nan sistèm nan pwopilsyon selil gaz pandan y ap pèmèt batri ityòm yo reponn rapidman a demand pouvwa olye ke konsepsyon estrateji yo sèvi ak tout enèji ki disponib oswa maksimize ranje. Atravè yon revizyon literati, modèl Simulink, ak simulation ANSYS, etid sa a gen pou objaktif pou klarifye ranje nan ki itilize selil gaz nan UAV se yon chwa ki pi ekonomik, konprann limit maksimòm vòl yo nan UAV ki gen pil gaz-ki gen diferan mas, konprann defi ke senaryo aplikasyon inik poze pou UAV ki gen selil gaz, epi idantifye solisyon posib.

Rès papye sa a òganize jan sa a. Seksyon 2 Metòd pou modèl demann pouvwa UAV, 3 Metòd pou konsepsyon ak matche sistèm pwopilsyon an, 4 Metòd pou kalkile rapò stoichiometric lè a pou dissipation chalè metòd prezan pou kalkile demann pouvwa UAV, matche ak sistèm pwopilsyon UAV ki mache ak selil gaz ak kalkile koule lè ki nesesè pou refwadisman selil gaz. Rezilta simulation yo diskite nan Seksyon 5. Finalman, yon diskisyon ak konklizyon yo prezante nan Seksyon 6.