เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับแบบมัลติโรเตอร์: การศึกษาเปรียบเทียบการจัดเก็บพลังงานและการวิเคราะห์ประสิทธิภาพ

ในปี 2562 การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทั่วโลกสูงถึง 920 ล้านตัน [1] การปล่อยก๊าซคาร์บอนจากการขนส่งทุกรูปแบบคิดเป็นประมาณ 21 % ของการปล่อยทั้งหมด โดยอุตสาหกรรมการบินมีส่วนสำคัญ ปัจจุบัน การปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากการบินคิดเป็นประมาณ 12 % ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งทั้งหมด- โดยการเผาไหม้ของน้ำมันก๊าดในการบินคิดเป็น 79 % ของการปล่อยก๊าซของอุตสาหกรรมการบิน แม้ว่าสัดส่วนการปล่อยก๊าซเรือนกระจกโดยรวมจากอุตสาหกรรมการบินในปัจจุบันอาจดูไม่มีนัยสำคัญมากนักในปัจจุบัน แต่กระบวนการลดคาร์บอนของน้ำมันก๊าดในการบินนั้นค่อนข้างช้าเมื่อเทียบกับภาคการขนส่งอื่นๆ Climate Action Tracker ยังระบุความคืบหน้าของอุตสาหกรรมการบินในเรื่องความเป็นกลางทางคาร์บอนว่า "ไม่เพียงพอ" ในขณะที่อุตสาหกรรมอื่นๆ ยอมรับการลดคาร์บอน ส่วนแบ่งการปล่อยก๊าซสัมพัทธ์ของอุตสาหกรรม เช่น การบิน ซึ่ง "ลดได้ยาก" ก็จะเพิ่มขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ หากอัตราการเติบโตต่อปีที่คาดการณ์ไว้ของอุตสาหกรรมการบินยังคงไม่ถูกตรวจสอบในอีก 20 ปีข้างหน้า การปล่อยก๊าซเรือนกระจกอาจเพิ่มขึ้น 11 % ภายในปี 2583 [2] ภายในปี 2593 แนวโน้มที่น่ากังวลก็คือ 25% ของการปล่อยก๊าซคาร์บอนทั่วโลกอาจมาจากอุตสาหกรรมการบิน ด้วยเหตุนี้ แหล่งพลังงานทางเลือก เช่น เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน เชื้อเพลิงชีวภาพ และแผงโซลาร์เซลล์ จึงกลายเป็นหัวข้อวิจัยที่สำคัญในภาคการบิน [3] การลดคาร์บอนและการใช้พลังงานไฟฟ้าในการบิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการบินพลเรือน ได้กลายเป็นความจำเป็นเร่งด่วนระดับโลก [4,5]

ยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) แบบหลายใบพัดเป็นส่วนสำคัญของอุตสาหกรรมการบินและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานต่างๆ เช่น เกษตรกรรม ป่าไม้ การตรวจสอบระดับภูมิภาค และการขนส่งด่วนระยะสั้น-ถึงปานกลาง- [6,7] การวิจัยที่สอดคล้องกันซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยมุ่งเน้นไปที่การควบคุมพารามิเตอร์การบิน การวางแผนเส้นทาง และการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างการบิน ก็กำลังขยายตัว [[8], [9], [10]] เช่นกัน อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดที่สำคัญของ UAV หลายใบพัดเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ในปัจจุบันคือการพึ่งพาแบตเตอรี่ลิเธียม โดยทั่วไปแล้ว UAV เหล่านี้จะแสดง-การทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้า<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.

ปัจจุบัน-แบตเตอรี่-ลิเธียมโพลีเมอร์ที่ทันสมัย-ให้พลังงานจำเพาะในช่วง 130–200 Wh/kg เมื่อพิจารณาถึงศักยภาพของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในอนาคต คาดว่าจะมีช่วงที่คำนวณด้วยเทคโนโลยีใหม่ที่สูงถึง 250 Wh/kg [14,15] บาร์ค และคณะ [16] สรุปแนวโน้มและความท้าทายด้านเทคนิคที่แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ต้องเผชิญ แม้ว่าความหนาแน่นของพลังงานจำเพาะที่สูงเกินกว่า 400 Wh/kg สามารถลดมวลของระบบขับเคลื่อนลงได้อย่างมากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ทั่วไป ซึ่งจะทำให้แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์สามารถแข่งขันได้ แต่อายุการใช้งานโดยเฉลี่ยที่สั้นนั้นเป็นอุปสรรคต่อการใช้งาน ใช่แล้วคณะ. [17] สำรวจ UAV น้ำหนักเบาผ่านการผสมผสานของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อโดยใช้การพิมพ์ 3 มิติและการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างทอพอโลยี หยวน และคณะ [18] ตรวจสอบผลกระทบของพารามิเตอร์การออกแบบ เช่น รัศมีใบพัด ความเร็วใบพัด จำนวนใบพัด ความกว้างของเส้นคอร์ด และมุมก่อน-บิดตัวต่อไดนามิกการบินและประสิทธิภาพของเครื่องบิน ด้วยการใช้วิธีการออกแบบของ Adkins-Liebeck พวกเขาปรับปรุงการออกแบบใบพัดให้เหมาะสม ส่งผลให้การใช้พลังงานของเครื่องบินลดลงประมาณ 3 % หวงและคณะ [19] เสนอการกำหนดเวลางานและ-วิธีการวางแผนเส้นทางสำหรับฝูงบิน UAV และรถบรรทุกแบบรวมโดยอิงตามอัลกอริทึมฝูงมด เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการขนส่งของฝูง UAV สำหรับการขนส่ง แนวทางนี้ขยายรัศมีครอบคลุมการปฏิบัติงานของ UAV ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่- ได้อย่างมาก

อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมหมายความว่าวิธีการ-ที่กล่าวมาข้างต้นมีผลกระทบค่อนข้างจำกัดในการขยายช่วง UAV นอกจากนี้ เนื่องจากความต้องการพลังงานที่มีนัยสำคัญจากมวลที่เพิ่มขึ้น เพียงการเพิ่มแบตเตอรี่เข้าไปเท่านั้นไม่ได้ขยายช่วงสูงสุดอย่างมีนัยสำคัญ จึงมีความจำเป็นเร่งด่วนในการสำรวจการปรับปรุงระบบส่งกำลังเพื่อเพิ่มพลังงานเฉพาะ

ไฮโดรเจนซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าสาม-เท่าเมื่อเปรียบเทียบกับน้ำมันก๊าดแบบเดิม ถือเป็นศักยภาพในการแก้ปัญหาพลังงานในการบินระยะไกล- ปัจจุบัน ระบบไฮบริดเซลล์เชื้อเพลิงทั่วไปให้ระดับพลังงานจำเพาะตั้งแต่ 250 ถึง 540 Wh/kg [20] การประยุกต์ใช้ระบบขับเคลื่อนเซลล์เชื้อเพลิงเป็นหัวข้อวิจัยยอดนิยมในการบิน [21] ตัวอย่างหนึ่งคือซีรีส์ Horizon Energy Systems Aerostack [22] เซลล์เชื้อเพลิงที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ-ได้รับการบูรณาการเข้ากับ UAV จำนวนมากได้สำเร็จ [[23], [24], [25], [26], [27]]

ความต้องการ-การทำความเย็นด้วยอากาศในกองเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) ที่อุณหภูมิต่ำ-ใน UAV เกิดขึ้นจากข้อจำกัดด้านน้ำหนักและพื้นที่ที่เข้มงวด [28] ซานโตส [29] และบูโคเบอรีน และคณะ [30] ใช้ข้อมูลการทดสอบการบินจริงเพื่อพัฒนากลยุทธ์การออกแบบและการกำหนดสูตรสำหรับ UAV มัลติโรเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง- โดยมีความต้องการพลังงานประมาณ 300 วัตต์และ 1,400 วัตต์ ตามลำดับ ลีและคณะ [31] ชี้ให้เห็นว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบพาสซีฟซึ่งมักใช้ในอุปกรณ์ PEMFC ขนาดเล็ก-ที่มีความต้องการพลังงานตั้งแต่ 1 ถึง 2 kW นั้นเกี่ยวข้องกับการดึงเข้าและกระจายทั้งสารตั้งต้นและอากาศหล่อเย็นทั่วทั้งปล่องโดยใช้พัดลมตัวเดียวกัน Intelligent Energy Ltd. [32] อ้างว่าจัดหาเซลล์เชื้อเพลิง-ระบายความร้อนด้วยอากาศให้กับระบบไฟฟ้าสำหรับ UAV โดยมีความต้องการพลังงานไฟฟ้าอยู่ที่ 4.8 กิโลวัตต์ จากที่กล่าวมาข้างต้น สามารถแสดงให้เห็นได้ว่าการใช้แผงระบายความร้อน-แบบพาสซีฟแบบหายใจฟรี-นั้นเป็นไปได้ เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลังตั้งแต่ 0 ถึง 4.8 กิโลวัตต์ โดยทั่วไปจะติดตั้งพัดลมที่ให้การไหลเวียนของอากาศที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นและปฏิกิริยา

แม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจะมีข้อได้เปรียบในแง่ของความหนาแน่นของพลังงาน ความคล่องตัวของพวกมันถูกขัดขวางด้วยความหนาแน่นของพลังงานที่ค่อนข้างต่ำ ความล่าช้าเป็นเวลานาน และการตอบสนองที่ช้า [33] ในทางตรงกันข้าม แบตเตอรี่ลิเธียมซึ่งอาจขาดความสามารถ-ในระยะไกล สามารถส่งกำลังไฟฟ้าที่สูงกว่า โดยให้ความสามารถในการตอบสนองไดนามิกที่ได้รับการปรับปรุง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่มีพลังงานชั่วคราวสูง- เช่น เมื่อ UAV เปลี่ยนจากการล่องเรือเป็นการเลื่อนหรือลงอย่างรวดเร็ว [34] ดังนั้นในสถานการณ์เช่นนี้ การรวมแบตเตอรี่ลิเธียมเข้ากับเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อสร้างระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริดจึงเป็นกลยุทธ์ที่เป็นไปได้ในการบรรลุถึงพลังงานและความหนาแน่นพลังงานสูงใน UAV [35] กลยุทธ์การจัดการพลังงานที่มีประสิทธิผลยังช่วยขยายขอบเขตและความทนทานต่อสิ่งแวดล้อมของ UAV ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงไฮบริด- [36,37] ดังนั้น สำหรับ UAV เซลล์เชื้อเพลิง-พลังงานต่ำ การใช้เซลล์เชื้อเพลิง-ระบายความร้อนด้วยอากาศผสมกับแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ใช้ได้ซึ่งจะสร้างสมดุลระหว่างช่วงและเวลาตอบสนองสูงสุด

จากที่กล่าวมาข้างต้น เป็นที่ชัดเจนว่าเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและเศรษฐศาสตร์ระดับความสูงต่ำ-กำลังกลายเป็นจุดสนใจทั่วโลกมากขึ้นเรื่อยๆ เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานที่เหนือกว่า กำลังเกิดขึ้นเพื่อเป็นวิธีแก้ปัญหาข้อบกพร่องของแบตเตอรี่ลิเธียม- UAV ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ลิเธียม และส่งเสริมการลดการปล่อยคาร์บอนในอุตสาหกรรมการบิน อย่างไรก็ตาม แม้ว่า UAV ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ลิเธียม-จะขาดความทนทานในการใช้งานจริง ซึ่งบ่งชี้ว่าความหนาแน่นของพลังงานของเซลล์เชื้อเพลิงนั้นสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม แต่การวิจัยจำนวนมากในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่กลยุทธ์การจัดการพลังงานของ UAV ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง- กลยุทธ์เหล่านี้ใช้ความต้องการพลังงานแบบเรียลไทม์-เป็นอินพุตเพื่อรับแผนการจัดสรรพลังงานสำหรับแหล่งพลังงานที่แตกต่างกันโดยใช้อัลกอริทึม สิ่งนี้ไม่แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากการวิจัยกลยุทธ์การจัดการพลังงานที่ทีมของเราดำเนินการก่อนหน้านี้เกี่ยวกับยานพาหนะที่ใช้พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง- [38,39] เนื่องจากไม่มีอุปกรณ์เสริมที่ซับซ้อน แบตเตอรี่ลิเธียมจึงมีข้อได้เปรียบในช่วงกำลังไฟที่น้อยกว่า ปัจจุบัน ยังมีงานวิจัยจำนวนไม่มากเกี่ยวกับเกณฑ์ที่ระบบขับเคลื่อนเซลล์เชื้อเพลิงไฮบริดมีประสิทธิภาพเหนือกว่าระบบขับเคลื่อนแบตเตอรี่ลิเธียม

ในการศึกษานี้ มีการมุ่งเน้นไปที่ประเด็นสองประเด็นที่มักถูกมองข้ามในการศึกษาก่อนหน้านี้เกี่ยวกับ- UAV ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง ประการแรก สำหรับรุ่นเฉพาะและโปรไฟล์การบิน มีการเสนอวิธีการเพื่อคำนวณเงื่อนไขขอบเขตสำหรับการเปลี่ยนระบบขับเคลื่อนแบตเตอรี่ลิเธียมด้วยระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริดเซลล์เชื้อเพลิง โดยการกำหนดช่วงที่เซลล์เชื้อเพลิงมีความเหมาะสมมากขึ้นสำหรับการใช้งาน UAV ประการที่สอง มีการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของสถานการณ์การใช้งาน UAV เซลล์เชื้อเพลิง สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือผลกระทบต่อด้านความต้องการพลังงาน

ข้อกำหนดเบื้องต้นประการหนึ่งสำหรับการกำหนดกลยุทธ์การจัดการพลังงานโดยใช้ความต้องการพลังงานไฟฟ้าแบบเรียลไทม์-เป็นข้อมูลนำเข้าคือการทำความเข้าใจความแปรผันของความต้องการพลังงานและอุปทานสำหรับ UAV ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นเงื่อนไขขอบเขตสำหรับกระบวนการกำหนดกลยุทธ์ ในการใช้งานจริง UAV ที่ทำงานที่ระดับความสูงมักจะต้องใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อรักษาการบินที่มั่นคงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมและความหนาแน่นของอากาศ [40] นอกจากนี้ ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงระดับความสูงต่อการระบายความร้อนของเซลล์เชื้อเพลิงยังต้องได้รับการดูแลเพิ่มเติม [41] ออซเบก และคณะ [42] เน้นย้ำถึงความจำเป็นในการพิจารณาความต้องการพลังงานของ UAV และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิไปพร้อมๆ กันเพื่อให้แน่ใจว่ามีการประสานงานกัน ระบบเซลล์เชื้อเพลิงตั้งอยู่ภายในลำตัวของ UAV โดยดึงอากาศโดยรอบเข้ามาจากภายนอกโดยตรง ซึ่งได้รับอิทธิพลโดยตรงจากปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมภายนอก ในด้านหนึ่ง ความหนาแน่นของอากาศที่ลดลงส่งผลให้ความต้องการพลังงานของ UAV เพิ่มขึ้น ส่งผลให้มีการระบายความร้อนออกจากชั้นเซลล์เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกัน อัตราการกระจายความร้อนของปล่องเซลล์เชื้อเพลิงอาจแตกต่างกันไปตามการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม และอากาศบางๆ จะลดค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนของการพาความร้อน อย่างไรก็ตาม การลดลงของอุณหภูมิภายนอกจะเพิ่มความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปล่องและสภาพแวดล้อม ซึ่งช่วยเพิ่มการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างปล่องและสภาพแวดล้อม

บทความนี้จำกัดวัตถุวิจัยของตนไว้เฉพาะ UAV แบบเฮกซาคอปเตอร์ที่มีน้ำหนักบินขึ้นสูงสุด- (MTOW) 25 กก. และสำรวจผลกระทบของระดับความสูงต่อ UAV ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง- ในการกำหนดกลยุทธ์การจัดการพลังงาน แนวทางที่ใช้คือการเพิ่มเอาต์พุตของระบบขับเคลื่อนเซลล์เชื้อเพลิงให้สูงสุด ในขณะเดียวกันก็ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมสามารถตอบสนองความต้องการพลังงานได้อย่างรวดเร็ว แทนที่จะออกแบบกลยุทธ์เพื่อใช้พลังงานที่มีอยู่ทั้งหมดหรือเพิ่มช่วงให้สูงสุด ผ่านการทบทวนวรรณกรรม การสร้างแบบจำลอง Simulink และการจำลอง ANSYS การศึกษานี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อชี้แจงช่วงที่การใช้เซลล์เชื้อเพลิงใน UAV เป็นทางเลือกที่ประหยัดกว่า ทำความเข้าใจขอบเขตการบินสูงสุดของ UAV ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง-ที่มีมวลต่างกัน เข้าใจถึงความท้าทายที่สถานการณ์การใช้งานที่ไม่ซ้ำกันก่อให้เกิดสำหรับ UAV ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง- และระบุวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้

ส่วนที่เหลือของบทความนี้มีการจัดระเบียบดังนี้ ส่วนที่ 2 วิธีการสร้างแบบจำลองความต้องการพลังงานของ UAV, 3 วิธีในการออกแบบและจับคู่ระบบขับเคลื่อน, 4 วิธีการคำนวณอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ของอากาศสำหรับการกระจายความร้อน นำเสนอวิธีการคำนวณความต้องการพลังงานของ UAV, การจับคู่ระบบขับเคลื่อน UAV ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง- และการคำนวณการไหลของอากาศที่จำเป็นสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงทำความเย็น ผลการจำลองจะกล่าวถึงในส่วนที่ 5 สุดท้าย การอภิปรายและข้อสรุปจะถูกนำเสนอในส่วนที่ 6