Cealla Breosla d'Fheithiclí Aerga Gan Fhoireann Ilrotor: Staidéar Comparáideach ar Stóráil Fuinnimh agus Anailís Feidhmíochta

In 2019, shroich astuithe dé-ocsaíd charbóin domhanda 920 milliún tonna [1]. B’ionann astuithe carbóin ó gach modh iompair agus thart ar 21 % de na hastuithe iomlána, agus chuir an tionscal eitlíochta go mór leis. Faoi láthair, is ionann astuithe eitlíochta agus thart ar 12 % de na hastaíochtaí go léir a bhaineann le hiompar, agus dó ceirisín eitlíochta freagrach as 79 % d'astaíochtaí an tionscail eitlíochta. Cé go mb’fhéidir nach bhfuil cuma ar leith ar chomhréir iomlán na n-astaíochtaí ón tionscal eitlíochta faoi láthair, tá próiseas dícharbóinithe ceirisín eitlíochta sách mall i gcomparáid le próiseas earnálacha iompair eile. Chomh maith leis sin, tá dul chun cinn an tionscail eitlíochta maidir le neodracht carbóin "neamhleor" marcáilte ag an Lorgaire um Ghníomhaíocht Aeráide. De réir mar a ghlacann tionscail eile le dícharbónú, beidh méadú gan dabht ar sciar na n-astaíochtaí coibhneasta de thionscail amhail an eitlíocht, atá “deacair a laghdú”. Mura ndéantar seiceáil ar ráta fáis bliantúil an tionscail eitlíochta go ceann 20 bliain, féadfar astaíochtaí a mhéadú 11 % faoi 2040 [2]. Faoi 2050, ionchas imníoch is ea go bhféadfadh 25 % d'astaíochtaí carbóin domhanda teacht ón tionscal eitlíochta. Dá bhrí sin, tá foinsí fuinnimh malartacha cosúil le cealla breosla hidrigine, bithbhreoslaí, agus painéil ghréine tar éis éirí ina n-ábhar taighde suntasach san earnáil eitlíochta [3]. Tá dícharbónú agus leictriú na heitlíochta, go háirithe an eitlíocht shibhialta, ina riachtanais phráinneacha dhomhanda [4,5].

Is cuid lárnach den tionscal eitlíochta iad aerfheithiclí multirotor gan fhoireann (UAVanna) agus úsáidtear iad go forleathan in feidhmeanna amhail talmhaíocht, foraoiseacht, iniúchtaí réigiúnacha, agus -go meánach{{{{}}{-meariompair [6,7]. Tá méadú ag teacht freisin ar [[8], [9], [10]] taighde comhfhreagrach atá dírithe ar fheidhmíocht a fheabhsú trí dhíriú ar pharaiméadair eitilte a rialú, pleanáil cosán agus barrfheabhsú struchtúir eitilte. Mar sin féin, príomhtheorannú ar an gcuid is mó de UAVanna multirotor tráchtála atá ar fáil faoi láthair ná a spleáchas ar chadhnraí litiam. Is gnách go dtaispeánann na UAVanna seo maiseanna a bhaint de -<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.

Faoi láthair, luaigh na cadhnraí polaiméire litiam ealaíne fuinnimh ar leith sa raon 130–200 Wh/kg. Agus acmhainneacht teicneolaíochtaí ceallraí sa todhchaí á gcur san áireamh, táthar ag súil le raon ríofa le teicneolaíochtaí nua a shroichfidh 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] leagadh amach na hionchais agus na dúshláin theicniúla atá roimh chadhnraí sulfair litiam. Cé go bhféadfadh ard-dlús sonrach fuinnimh níos mó ná 400 Wh/kg mais an chórais tiomána a laghdú go suntasach i gcomparáid le cadhnraí traidisiúnta, rud a d’fhágfadh go mbeadh cadhnraí sulfair litiam iomaíoch, cuireann a meánshaol gearr bac ar a gcur i bhfeidhm. Tá Yap et al. [17] rinne sé iniúchadh ar UAVanna éadroma trí mheascán de mhonarú breiseán ag baint úsáide as priontáil 3D agus optamú struchtúir topological. Yuan et al. [18] rinne sé imscrúdú ar thionchar paraiméadair dearaidh amhail ga an lián, luas an lián, líon na lanna lián, leithead an chorda, agus uillinn roctha réamh-ar dhinimic eitilte agus feidhmíocht aerárthaigh. Ag baint úsáide as modh dearaidh Adkins-Liebeck, rinne siad dearadh an lann a bharrfheabhsú, rud a d’fhág laghdú thart ar 3 % ar úsáid cumhachta aerárthaigh. Tá Huang et al. [19] mhol [19] modh pleanála tascanna agus cosáin le haghaidh comhfhlít UAVanna agus trucailí bunaithe ar algartam coilíneachta seangán chun éifeachtúlacht iompair na n-iasc UAV don lóistíocht a fheabhsú. Chuir an cur chuige seo go mór le ga clúdach oibriúcháin na UAVanna faoi chumhacht cadhnra.

Mar sin féin, ciallaíonn dlús fuinnimh cadhnraí litiam go bhfuil tionchar measartha teoranta ag na modhanna thuasluaite ar leathnú an raon UAV. Ina theannta sin, mar gheall ar éileamh suntasach cumhachta an mhais bhreise, ní leathnaíonn sé go mór an t-uasraon ach trí níos mó cadhnraí a chur leis. Dá bhrí sin, tá géarghá le feabhsuithe powertrain a iniúchadh chun fuinneamh ar leith a threisiú.

Tá hidrigin, a bhfuil a dhlús fuinnimh trí huaire níos airde i gcomparáid le ceirisín traidisiúnta, geallta mar réiteach cumhachta eitilte raon fada féideartha. Faoi láthair, soláthraíonn córais chomhchoiteanna hibrideacha breosla-chealla leibhéil shonracha fuinnimh ó 250 go 540 Wh/kg [20]. Is ábhar taighde coitianta san eitlíocht é córais tiomána cille breosla a chur i bhfeidhm [21]. Sampla amháin is ea an tsraith Aerostack Horizon Energy Systems [22]. Comhtháthaíodh cealla breosla aer-fhuaraithe go rathúil i go leor UAVanna [[23], [24], [25], [26], [27]].

Eascraíonn an tosaíocht maidir le fuarú aeir i gcruacha cille breosla membrane malartaithe prótóin íseal-teocht (PEMFC) in UAVanna as srianta meáchain agus spáis [28]. Santos [29] agus Boukoberine et al. [30] bhain [30] úsáid as fíorshonraí tástála eitilte chun straitéisí deartha agus foirmithe a fhorbairt le haghaidh UAVanna ilrótair bhreosla-chumhachta a bhfuil éilimh chumhachta thart ar 300 W agus 1400 W acu, faoi seach. Lee et al. [31] luaigh [31] go gcuimsíonn fuarú aeir éighníomhach, a úsáidtear go minic i-fheistí PEMFC ar scála beag a bhfuil riachtanais chumhachta ó 1 go 2 kW acu, aer imoibreáin agus fuaraithe araon a tharraingt isteach agus a dháileadh ar fud an chruach, ag baint úsáide as an lucht leanúna céanna. Maíonn Intelligent Energy Ltd. [32] go soláthraíonn siad córais chumhachta le cealla breosla aer-fhuaraithe do UAVanna a bhfuil éileamh cumhachta rátáilte de 4.8 kW acu. Ón méid thuas, is féidir a léiriú go bhfuil sé indéanta cruach análaithe saor in aisce fuaraithe a ghlacadh toisc go mbíonn cealla breosla a bhfuil cumhachtaí idir 0 agus 4.8 kW acu de ghnáth feistithe le gaothráin a sholáthraíonn an t-aersreabhadh riachtanach le haghaidh fuaraithe agus imoibriúcháin.

Cé go bhfuil buntáistí ag cealla breosla i dtéarmaí dlús fuinnimh, cuirtear bac ar a n-inlíochtúlacht ag a ndlús cumhachta réasúnta íseal, moilleanna fada ama, agus freagraí mall [33]. I gcodarsnacht leis sin, is féidir le cadhnraí litiam, a d’fhéadfadh easpa cumais-raoin fhada, aschur cumhachta níos airde a sheachadadh, ag soláthar cumais freagartha dinimiciúla feabhsaithe, go háirithe le linn trasdulta ardchumhachta amhail nuair a aistríonn UAV go tapa ó chúrsáil go dtí céimeanna ainlithe nó sleachta [34]. Dá bhrí sin, i gcásanna den sórt sin, is straitéis indéanta é cadhnraí litiam a chomhcheangal le cealla breosla chun córais tiomána hibrideacha a fhoirmiú chun ard-fhuinnimh agus dlús cumhachta a bhaint amach i UAVanna [35]. Cuireann straitéisí éifeachtacha bainistithe fuinnimh le leathnú a dhéanamh ar raon agus ar stóinseacht comhshaoil ​​na UAVanna breosla hibrideacha[36,37]. Mar sin, i gcás UAVanna cille breosla ísealchumhachta, is réiteach inmharthana é cealla breosla aerfhuaraithe a úsáid a mheasctar le cadhnraí litiam a chothromaíonn an raon uasta agus an t-am freagartha.

Ón méid thuas, is léir go bhfuil cealla breosla hidrigine agus eacnamaíocht airde íseal ag éirí níos fócasaí ar fud an domhain. Tá cealla breosla hidrigine, lena ndlús fuinnimh níos fearr, ag teacht chun cinn mar réiteach chun aghaidh a thabhairt ar easnaimh na UAVanna faoi thiomáint ceallraí litiam agus chun dícharbónú a chur chun cinn sa tionscal eitlíochta. Mar sin féin, in ainneoin go bhfuil UAVanna atá á gcumhachtú ag ceallraí litiam in easnamh marthanachta i bhfeidhmchláir phraiticiúla, rud a thugann le fios go bhfuil dlús fuinnimh na gcealla breosla níos airde ná an dlús atá ag cadhnraí litiam, díríonn formhór an taighde reatha ar straitéisí bainistithe fuinnimh UAVanna faoi thiomáint cealla breosla. Úsáideann na straitéisí seo éileamh cumhachta fíor-ama mar ionchur chun scéimeanna leithdháilte cumhachta a dhíorthú le haghaidh foinsí cumhachta éagsúla ag baint úsáide as algartaim. Níl sé seo difriúil go mór leis an taighde straitéise bainistíochta fuinnimh a rinne ár bhfoireann roimhe seo ar fheithiclí faoi thiomáint cille breosla [38,39]. Mar gheall ar easpa gabhálais casta, is minic go mbíonn buntáistí ag cadhnraí litiam laistigh de raonta cumhachta níos lú. Faoi láthair, tá ganntanas litríochta ar an tairseach ag a n-éiríonn le córais tiomána hibrideach cille breosla córais tiomána ceallraí litiam.

Sa staidéar seo, dírítear ar dhá shaincheist ar tugadh neamhaird orthu go minic i staidéir roimhe seo ar UAVanna atá á gcumhachtú le cille breosla. Ar an gcéad dul síos, maidir le samhlacha sonracha agus próifílí eitilte, beartaíodh modh chun na coinníollacha teorann a ríomh chun córais tiomána hibrideacha cille breosla a chur in ionad córais tiomána ceallraí litiam, trí chinneadh a dhéanamh ar an raon ina bhfuil cealla breosla níos oiriúnaí d'fheidhmchláir UAV. Ar an dara dul síos, déantar anailís ar ghnéithe uathúla cásanna iarratais UAV cille breosla; tá tábhacht ar leith ag baint lena dtionchar ar thaobh an éilimh chumhachta.

Réamhriachtanas amháin chun straitéisí bainistithe fuinnimh a fhoirmiú agus úsáid á baint as éileamh cumhachta fíor-ama mar ionchur is ea tuiscint a fháil ar na héagsúlachtaí in éileamh agus soláthar cumhachta do UAVanna i dtimpeallachtaí éagsúla, ar coinníollacha teorann iad don phróiseas foirmithe straitéise. I bhfeidhmeanna praiticiúla, is gnách go mbíonn níos mó fuinnimh de dhíth ar UAVanna a oibríonn ar airde ard chun eitilt chobhsaí a choinneáil mar gheall ar athruithe ar theocht an chomhshaoil ​​agus ar dhlús an aeir [40]. Ina theannta sin, ní mór aird bhreise a thabhairt ar thionchar na n-athruithe airde ar fhuarú cille breosla [41]. Ozbek et al. [42] leag sé béim ar a riachtanaí atá sé riachtanais chumhachta UAV agus athruithe teochta a mheas ag an am céanna chun a gcomhordú a áirithiú. Tá an córas cille breosla suite taobh istigh d'fhiúsán an UAV, ag tarraingt aer comhthimpeallach isteach go díreach ón taobh amuigh, a mbíonn tionchar díreach ag fachtóirí comhshaoil ​​seachtracha air. Ar thaobh amháin, tá méadú ar éileamh cumhachta UAVanna mar thoradh ar laghdú ar dhlús aeir, rud a fhágann go dtiocfaidh méadú ar urscaoileadh teasa ón gcruach cille breosla. Ag an am céanna, is féidir le ráta diomailt teasa an chairn cille breosla a athrú de réir athruithe comhshaoil, agus laghdaíonn aer tanaí an comhéifeacht aistrithe teasa comhiompair. Mar sin féin, méadaíonn laghdú ar an teocht sheachtrach an difríocht teochta idir an chairn agus an timpeallacht, rud a chabhraíonn leis an malartú teasa idir an chairn agus an timpeallacht a fheabhsú.

Chuir an páipéar seo teorainn lena n-ábhar taighde do UAVanna heicseacaptair a raibh uas-tógáil-as-mheáchan (MTOW) de 25 kg acu agus rinne sé iniúchadh ar an tionchar a bhíonn ag airde ar UAVanna breosla-chumhachta. Agus straitéisí bainistíochta fuinnimh á gcur le chéile, ba é an cur chuige a glacadh ná aschur an chórais tiomána cille breosla a uasmhéadú agus ligean do chadhnraí litiam freagairt go tapa ar éilimh chumhachta seachas straitéisí a dhearadh chun an fuinneamh go léir atá ar fáil a úsáid nó an raon a uasmhéadú. Trí athbhreithniú litríochta, samhaltú Simulink, agus ionsamhlúchán ANSYS, tá sé mar aidhm ag an staidéar seo an raon ina bhfuil úsáid cealla breosla in UAVanna ina rogha níos eacnamaí a shoiléiriú, uasteorainneacha eitilte UAVanna faoi thiomáint cille breosla le maiseanna éagsúla a thuiscint, na dúshláin a bhaineann le cásanna feidhmchláir uathúla do UAVanna cumhachtaithe cille breosla a thuiscint, agus réitigh fhéideartha a aithint.

Tá an chuid eile den pháipéar seo eagraithe mar seo a leanas. Roinn 2 Modhanna chun éileamh cumhachta UAV a shamhaltú, 3 Modhanna chun an córas tiomána a dhearadh agus a mheaitseáil, 4 Modh chun an cóimheas stoichiometric aeir le haghaidh diomailt teasa a ríomh modhanna chun éileamh cumhachta UAV a ríomh, córais tiomána UAV faoi thiomáint cille breosla a mheaitseáil agus an t-aersreabh a theastaíonn le haghaidh fuarú cealla breosla a ríomh. Déantar torthaí an ionsamhlúcháin a phlé i Roinn 5. Ar deireadh, cuirtear plé agus conclúidí i láthair i Roinn 6.