خلايا الوقود للمركبات الجوية بدون طيار متعددة المحركات: دراسة مقارنة لتخزين الطاقة وتحليل الأداء

وفي عام 2019، وصلت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية إلى 920 مليون طن [1]. تمثل انبعاثات الكربون من جميع وسائل النقل ما يقرب من 21% من إجمالي الانبعاثات، مع كون صناعة الطيران مساهمًا كبيرًا. حاليًا، تمثل انبعاثات الطيران ما يقرب من 12% من جميع الانبعاثات المرتبطة بوسائل النقل-، حيث يمثل احتراق كيروسين الطيران 79% من انبعاثات صناعة الطيران. في حين أن النسبة الإجمالية للانبعاثات الصادرة عن صناعة الطيران قد لا تبدو ذات أهمية خاصة في الوقت الحاضر، فإن عملية إزالة الكربون من كيروسين الطيران بطيئة نسبيًا مقارنة بعملية إزالة الكربون من قطاعات النقل الأخرى. كما وصف متتبع العمل المناخي التقدم الذي أحرزته صناعة الطيران في حياد الكربون بأنه "غير كاف". ومع تبني صناعات أخرى لإزالة الكربون، فإن حصة الانبعاثات النسبية لصناعات مثل الطيران، والتي "يصعب خفضها"، سوف تزداد حتما. إذا ظل معدل النمو السنوي المتوقع لصناعة الطيران دون رادع خلال العشرين عامًا القادمة، فقد تزيد الانبعاثات بنسبة 11% بحلول عام 2040 [2]. بحلول عام 2050، هناك احتمال مثير للقلق وهو أن 25% من انبعاثات الكربون العالمية يمكن أن تنشأ من صناعة الطيران. وبالتالي، أصبحت مصادر الطاقة البديلة مثل خلايا الوقود الهيدروجيني والوقود الحيوي والألواح الشمسية موضوعات بحثية مهمة في قطاع الطيران [3]. أصبحت إزالة الكربون وكهربة الطيران، وخاصة الطيران المدني، من الضرورات العالمية الملحة [4،5].

تعد المركبات الجوية بدون طيار متعددة المروحيات (UAVs) جزءًا لا يتجزأ من صناعة الطيران وتستخدم على نطاق واسع في تطبيقات مثل الزراعة والغابات وعمليات التفتيش الإقليمية والنقل السريع قصير المدى-إلى متوسط-[6،7]. تزدهر أيضًا الأبحاث المقابلة التي تهدف إلى تحسين الأداء من خلال التركيز على التحكم في معلمات الطيران وتخطيط المسار وتحسين هياكل الطيران [[8], [9], [10]]. ومع ذلك، فإن القيد الرئيسي لمعظم الطائرات بدون طيار التجارية متعددة المروحيات المتاحة حاليًا هو اعتمادها على بطاريات الليثيوم. تعرض هذه الطائرات بدون طيار عادةً-كتل إقلاع<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.

في الوقت الحالي، توفر-أحدث بطاريات الليثيوم-البوليمر-الليثيوم طاقات محددة في نطاق 130-200 وات ساعة/كجم. وبالنظر إلى إمكانات تقنيات البطاريات المستقبلية، فمن المتوقع أن يصل النطاق المحسوب مع التقنيات الجديدة إلى 250 وات ساعة/كجم [14،15]. بارك وآخرون. [16] أوجز التوقعات والتحديات التقنية التي تواجه بطاريات الليثيوم-الكبريت. على الرغم من أن كثافة الطاقة النوعية العالية التي تتجاوز 400 وات ساعة/كجم يمكن أن تقلل بشكل كبير كتلة نظام الدفع مقارنة بالبطاريات التقليدية، الأمر الذي من شأنه أن يجعل بطاريات الليثيوم-الكبريت قادرة على المنافسة، إلا أن متوسط ​​عمرها القصير يعيق تطبيقها. ياب وآخرون. [17] استكشفت الطائرات بدون طيار خفيفة الوزن من خلال مزيج من التصنيع الإضافي باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد وتحسين البنية الطوبولوجية. يوان وآخرون. [18] بحث في تأثير معلمات التصميم مثل نصف قطر المروحة وسرعة المروحة وعدد شفرات المروحة وعرض الوتر وزاوية ما قبل الالتواء على ديناميكيات الطيران وأداء الطائرة. باستخدام طريقة تصميم Adkins-Liebeck، قاموا بتحسين تصميم الشفرة، مما أدى إلى تقليل استهلاك طاقة الطائرة بنسبة 3% تقريبًا. هوانغ وآخرون. [19] اقترح طريقة جدولة المهام وتخطيط المسار-لأسطول مشترك من الطائرات بدون طيار والشاحنات استنادًا إلى خوارزمية مستعمرة النمل لتعزيز كفاءة النقل لأسراب الطائرات بدون طيار من أجل الخدمات اللوجستية. أدى هذا الأسلوب إلى توسيع نطاق التغطية التشغيلية للطائرات بدون طيار التي تعمل بالبطارية-بشكل كبير.

ومع ذلك، فإن كثافة الطاقة في بطاريات الليثيوم تعني أن الطرق{{0}المذكورة أعلاه لها تأثير محدود نسبيًا على توسيع نطاق الطائرات بدون طيار. بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا للطلب الكبير على الطاقة للكتلة الإضافية، فإن مجرد إضافة المزيد من البطاريات لا يؤدي إلى توسيع النطاق الأقصى بشكل كبير. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لاستكشاف تحسينات مجموعة نقل الحركة لتعزيز طاقة معينة.

يعتبر الهيدروجين، بكثافة طاقته الأعلى-ثلاثة أضعاف مقارنةً بالكيروسين التقليدي، بمثابة حل محتمل لطاقة الطيران طويلة المدى-. حاليًا، توفر الأنظمة الهجينة لخلايا الوقود الشائعة مستويات طاقة محددة تتراوح من 250 إلى 540 واط ساعة/كجم [20]. يعد تطبيق أنظمة الدفع بخلايا الوقود موضوع بحث شائع في مجال الطيران [21]. أحد الأمثلة على ذلك هو سلسلة Horizon Energy Systems Aerostack [22]. تم دمج خلايا الوقود المبردة بالهواء- بنجاح في العديد من الطائرات بدون طيار [[23], [24], [25], [26], [27]].

إن تفضيل تبريد الهواء-في أكوام خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات (PEMFC) ذات درجة الحرارة المنخفضة في الطائرات بدون طيار ينشأ من قيود الوزن والمساحة الصارمة [28]. سانتوس [29] وبوكوبيرين وآخرون. [30] استخدم بيانات اختبار الطيران الحقيقية لتطوير استراتيجيات التصميم والصياغة للطائرات بدون طيار متعددة المحركات التي تعمل بخلايا الوقود- مع متطلبات طاقة تبلغ حوالي 300 وات و1400 وات، على التوالي. لي وآخرون. [31] أشار إلى أن تبريد الهواء السلبي، والذي يتم استخدامه بشكل متكرر في أجهزة PEMFC صغيرة الحجم ذات متطلبات طاقة تتراوح من 1 إلى 2 كيلووات، يتضمن سحب وتوزيع كل من الهواء المتفاعل والمبرد في جميع أنحاء المكدس، باستخدام نفس المراوح. تدعي شركة Intelligent Energy Ltd. [32] أنها تزود أنظمة الطاقة بخلايا الوقود المبردة بالهواء- للطائرات بدون طيار التي يبلغ معدل الطلب على الطاقة فيها 4.8 كيلووات. مما سبق، يمكن إثبات أن اعتماد مجموعة تبريد-سلبية حرة-مبردة أمر ممكن لأن خلايا الوقود التي تتراوح طاقتها من 0 إلى 4.8 كيلووات عادةً ما تكون مجهزة بمراوح توفر تدفق الهواء اللازم للتبريد والتفاعل.

على الرغم من أن خلايا الوقود تتمتع بمزايا من حيث كثافة الطاقة، إلا أن قدرتها على المناورة تعوقها كثافة الطاقة المنخفضة نسبيًا، والتأخير الطويل، والاستجابات البطيئة [33]. في المقابل، يمكن لبطاريات الليثيوم، التي من المحتمل أن تفتقر إلى-قدرات طويلة المدى، أن توفر خرج طاقة أعلى، مما يوفر إمكانات استجابة ديناميكية محسنة، لا سيما أثناء فترات انتقال الطاقة العالية-مثل عندما تتحول الطائرة بدون طيار بسرعة من مراحل الرحلة إلى مراحل التحويم أو الهبوط [34]. لذلك، في مثل هذه السيناريوهات، يعد الجمع بين بطاريات الليثيوم وخلايا الوقود لتشكيل أنظمة دفع هجينة استراتيجية مجدية لتحقيق طاقة عالية وكثافة طاقة في الطائرات بدون طيار [35]. تساهم استراتيجيات إدارة الطاقة الفعالة أيضًا في توسيع نطاق الطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود الهجين - والمتانة البيئية [36،37]. ومن ثم، بالنسبة للطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود-منخفضة الطاقة، فإن استخدام خلايا الوقود المبردة بالهواء-والممزوجة ببطاريات الليثيوم يعد حلاً قابلاً للتطبيق يوازن بين الحد الأقصى للنطاق ووقت الاستجابة.

مما سبق، يتضح أن خلايا الوقود الهيدروجيني واقتصاديات الارتفاعات المنخفضة- أصبحت بشكل متزايد نقاطًا محورية للاهتمام العالمي. تظهر خلايا الوقود الهيدروجيني، بكثافة الطاقة الفائقة، كحل لمعالجة أوجه القصور في الطائرات بدون طيار التي تعمل ببطاريات الليثيوم-وتعزيز إزالة الكربون في صناعة الطيران. ومع ذلك، على الرغم من أن الطائرات بدون طيار التي تعمل ببطاريات الليثيوم- تفتقر إلى المتانة في التطبيقات العملية، مما يشير إلى أن كثافة الطاقة لخلايا الوقود أعلى من كثافة بطاريات الليثيوم، فإن الجزء الأكبر من الأبحاث الحالية يركز على إستراتيجيات إدارة الطاقة للطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود-. تستخدم هذه الاستراتيجيات الطلب على الطاقة في الوقت الفعلي-كمدخل لاشتقاق مخططات تخصيص الطاقة لمصادر الطاقة المختلفة باستخدام الخوارزميات. لا يختلف هذا كثيرًا عن أبحاث إستراتيجية إدارة الطاقة التي أجراها فريقنا سابقًا على المركبات التي تعمل بخلايا الوقود-[38،39]. نظرًا لعدم وجود ملحقات معقدة، غالبًا ما تتمتع بطاريات الليثيوم بمزايا ضمن نطاقات طاقة أصغر. في الوقت الحالي، هناك ندرة في الأدبيات حول العتبة التي تتفوق فيها أنظمة الدفع الهجين بخلايا الوقود على أنظمة الدفع ببطاريات الليثيوم.

في هذه الدراسة، تم التركيز على مشكلتين غالبًا ما تم التغاضي عنهما في الدراسات السابقة حول الطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود-. أولاً، بالنسبة لنماذج محددة وملفات الطيران، تم اقتراح طريقة لحساب الشروط الحدودية لاستبدال أنظمة الدفع ببطاريات الليثيوم بأنظمة الدفع الهجين بخلايا الوقود، من خلال تحديد النطاق الذي تكون فيه خلايا الوقود أكثر ملاءمة لتطبيقات الطائرات بدون طيار. ثانياً، يتم تحليل الجوانب الفريدة لسيناريوهات تطبيق الطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود؛ ومن المهم بشكل خاص تأثيرها على جانب الطلب على الطاقة.

أحد المتطلبات الأساسية لصياغة إستراتيجيات إدارة الطاقة باستخدام الطلب على الطاقة في الوقت الفعلي-كمدخل هو فهم الاختلافات في الطلب على الطاقة وعرضها للطائرات بدون طيار في بيئات مختلفة، والتي تعد شروطًا حدودية لعملية صياغة الإستراتيجية. في التطبيقات العملية، تتطلب الطائرات بدون طيار التي تعمل على ارتفاعات عالية عادةً المزيد من الطاقة للحفاظ على رحلة مستقرة بسبب التغيرات في درجة الحرارة البيئية وكثافة الهواء [40]. بالإضافة إلى ذلك، فإن تأثير تغيرات الارتفاع على تبريد خلايا الوقود يتطلب المزيد من الاهتمام [41]. أوزبك وآخرون. [42] أكد على ضرورة النظر في وقت واحد في متطلبات طاقة الطائرات بدون طيار وتغيرات درجات الحرارة لضمان تنسيقها. يقع نظام خلايا الوقود داخل جسم الطائرة بدون طيار، حيث يقوم بسحب الهواء المحيط مباشرة من الخارج، والذي يتأثر بشكل مباشر بالعوامل البيئية الخارجية. فمن ناحية، يؤدي انخفاض كثافة الهواء إلى زيادة الطلب على الطاقة للطائرات بدون طيار، مما يؤدي إلى زيادة تصريف الحرارة من مجموعة خلايا الوقود. في الوقت نفسه، يمكن أن يختلف معدل تبديد الحرارة لمجموعة خلايا الوقود مع التغيرات البيئية، ويقلل الهواء الرقيق من معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري. ومع ذلك، يؤدي انخفاض درجة الحرارة الخارجية إلى زيادة الفرق في درجة الحرارة بين المكدس والبيئة، مما يساعد على تعزيز التبادل الحراري بين المكدس والبيئة.

قصرت هذه الورقة البحثية هدفها البحثي على الطائرات بدون طيار السداسية المروحية التي يبلغ الحد الأقصى لوزن الإقلاع-(MTOW) 25 كجم واستكشفت تأثير الارتفاع على الطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود-. عند صياغة استراتيجيات إدارة الطاقة، كان النهج المتبع هو تعظيم إنتاج نظام دفع خلايا الوقود مع السماح لبطاريات الليثيوم بالاستجابة بسرعة لمتطلبات الطاقة بدلاً من تصميم استراتيجيات لاستخدام كل الطاقة المتاحة أو زيادة المدى. من خلال مراجعة الأدبيات ونمذجة Simulink ومحاكاة ANSYS، تهدف هذه الدراسة إلى توضيح النطاق الذي يعتبر فيه استخدام خلايا الوقود في الطائرات بدون طيار خيارًا اقتصاديًا أكثر، وفهم الحدود القصوى للطيران للطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود- ذات الكتل المختلفة، وفهم التحديات التي تفرضها سيناريوهات التطبيق الفريدة للطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود-، وتحديد الحلول الممكنة.

ويتم تنظيم ما تبقى من هذه الورقة على النحو التالي. الأقسام 2 طرق نمذجة الطلب على طاقة الطائرات بدون طيار، 3 طرق تصميم ومطابقة نظام الدفع، 4 طريقة حساب النسبة المتكافئة للهواء لتبديد الحرارة الطرق الحالية لحساب الطلب على طاقة الطائرات بدون طيار، ومطابقة أنظمة دفع الطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود- وحساب تدفق الهواء المطلوب لتبريد خلايا الوقود. وتناقش نتائج المحاكاة في القسم 5. وأخيرا، يتم عرض المناقشة والاستنتاجات في القسم 6.