Roj Cells Rau Multirotor Unmanned Aerial Vehicles: Kev Tshawb Fawb Sib Piv Ntawm Lub Zog Cia Thiab Kev Ntsuas Kev Ua Haujlwm

Hauv 2019, lub ntiaj teb carbon dioxide emissions mus txog 920 lab tons [1]. Cov pa roj carbon emissions los ntawm txhua hom kev thauj mus los suav txog kwv yees li 21% ntawm tag nrho cov emissions, nrog rau kev lag luam aviation yog qhov tseem ceeb. Tam sim no, aviation emissions sawv cev kwv yees li 12% ntawm tag nrho cov kev thauj mus los -txog emissions, nrog rau combustion ntawm aviation kerosene accounting rau 79% ntawm aviation kev lag luam emissions. Txawm hais tias tag nrho cov kev faib tawm ntawm emissions los ntawm kev lag luam aviation yuav tsis zoo li tshwj xeeb tshaj yog tam sim no, cov txheej txheem decarbonisation ntawm aviation kerosene kuj qeeb piv rau lwm cov kev thauj mus los. Lub Climate Action Tracker kuj tau kos npe rau kev lag luam aviation kev nce qib hauv carbon neutrality li "tsis txaus". Raws li lwm cov kev lag luam embraces decarbonisation, cov txheeb ze emissions feem ntawm kev lag luam xws li aviation, uas yog "nyuaj rau txo", yuav inevitably nce. Yog tias qhov kev loj hlob txhua xyoo ntawm kev lag luam aviation tseem tsis tau txheeb xyuas rau 20 xyoo tom ntej, emissions yuav nce 11% los ntawm 2040 [2]. Los ntawm 2050, qhov kev cia siab hais txog yog tias 25% ntawm cov pa roj carbon emissions thoob ntiaj teb tuaj yeem tshwm sim los ntawm kev lag luam aviation. Yog li ntawd, lwm qhov chaw siv hluav taws xob xws li hydrogen roj hlwb, biofuels, thiab hnub ci vaj huam sib luag tau dhau los ua cov ntsiab lus tshawb fawb tseem ceeb hauv aviation sector [3]. Decarbonisation thiab electrification ntawm aviation, tshwj xeeb tshaj yog pej xeem aviation, tau dhau los ua qhov tseem ceeb hauv ntiaj teb [4,5].

Multirotor unmanned aerial tsheb (UAVs) yog ib feem tseem ceeb ntawm kev lag luam aviation thiab tau siv dav hauv cov ntawv thov xws li kev ua liaj ua teb, hav zoov, kev tshuaj xyuas hauv cheeb tsam, thiab luv luv - mus rau nruab nrab - thauj ceev [6,7]. Cov kev tshawb fawb sib xws uas tsom rau kev txhim kho kev ua tau zoo los ntawm kev tsom mus rau kev tswj hwm ntawm kev ya davhlau, kev npaj txoj hauv kev, thiab kev ua kom zoo ntawm cov qauv dav hlau, kuj tseem muaj zog [[8], [9], [10]]. Txawm li cas los xij, qhov kev txwv tseem ceeb ntawm feem ntau tam sim no muaj kev lag luam multirotor UAVs yog lawv qhov kev cia siab ntawm lithium roj teeb. Cov UAVs no feem ntau nthuav tawm - tawm ntawm pawg<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.

Tam sim no, lub xeev - ntawm - -art lithium - cov roj teeb polymer muab lub zog tshwj xeeb hauv thaj tsam ntawm 130-200 Wh / kg. Xav txog lub peev xwm ntawm lub roj teeb thev naus laus zis yav tom ntej, suav nrog ntau yam thev naus laus zis nce mus txog 250 Wh / kg tau cia siab [14,15]. Barke et al. [16] tau piav qhia txog qhov kev cia siab thiab cov teeb meem kev lag luam uas ntsib lithium{13}} roj teeb sulfur. Txawm hais tias lub zog tshwj xeeb muaj zog ntau dua 400 Wh / kg tuaj yeem txo qhov loj ntawm lub zog propulsion piv rau cov roj teeb lithium, uas yuav ua rau lithium{16}} roj teeb sulfur sib tw, lawv lub neej luv luv cuam tshuam lawv daim ntawv thov. Yap et al. [17] tshawb nrhiav lub teeb yuag UAVs los ntawm kev sib xyaw ua ke ntawm kev tsim khoom siv 3D luam ntawv thiab cov qauv topological optimisation. Yuan et al. [18] tshawb xyuas qhov cuam tshuam ntawm cov qauv tsim xws li lub vojvoog lub vojvoog, lub kiv cua ceev, tus naj npawb ntawm cov kiv cua, chord dav, thiab ua ntej-tws lub kaum sab xis ntawm lub davhlau dynamics thiab kev ua haujlwm ntawm lub dav hlau. Siv Adkins-Liebeck txoj kev tsim, lawv tau kho cov hniav tsim, ua rau txo qis ntawm kwv yees li 3% hauv kev siv dav hlau. Huang et al. [19] tau npaj lub sijhawm teem sijhawm ua haujlwm thiab txoj hauv kev- npaj txoj hauv kev rau kev sib xyaw ua ke ntawm UAVs thiab cov tsheb thauj khoom raws li tus ntsaum colony algorithm los txhim kho kev thauj mus los ntawm UAV swarms rau kev thauj mus los. Txoj hauv kev no tau txuas ntxiv kev ua haujlwm ntawm lub voj voog ntawm lub roj teeb -powered UAVs.

Txawm li cas los xij, lub zog ntom ntom ntawm lithium roj teeb txhais tau hais tias saum toj no -cov txheej txheem tau hais tseg muaj feem cuam tshuam rau kev txuas UAV ntau yam. Tsis tas li ntawd, vim qhov xav tau ntawm lub zog tseem ceeb ntawm cov khoom siv ntxiv, tsuas yog ntxiv cov roj teeb ntxiv tsis tau txuas ntxiv qhov siab tshaj plaws. Yog li ntawd, muaj ib qho kev xav tau los tshawb nrhiav kev txhim kho powertrain los txhawb lub zog tshwj xeeb.

Hydrogen, nrog nws peb -fold ntau zog ceev piv rau cov tshuaj kerosene ib txwm, tuav cov lus cog tseg raws li qhov muaj peev xwm ntev -ntau lub davhlau ya nyob twg. Tam sim no, cov roj cell hybrid systems muab cov zog tshwj xeeb xws li 250 txog 540 Wh / kg [20]. Daim ntawv thov ntawm roj cell propulsion systems yog ib lub ntsiab lus tshawb fawb nrov hauv aviation [21]. Ib qho piv txwv yog Horizon Energy Systems Aerostack series [22]. Cua-cov roj roj txias tau ua tiav hauv ntau UAVs [[23], [24], [25], [26], [27]].

Qhov kev nyiam rau huab cua- cua txias hauv qis- qhov kub thiab txias proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stacks hauv UAVs tshwm sim los ntawm qhov hnyav hnyav thiab qhov chaw txwv [28]. Santos [29] thiab Boukoberine et al. [30] siv cov ntaub ntawv sim davhlau tiag tiag los tsim cov qauv tsim thiab tsim cov tswv yim rau roj cell -powered multirotor UAVs nrog lub zog xav tau ntawm kwv yees li 300 W thiab 1400 W, feem. Lee et al. [31] tau taw qhia tias cov cua txias tsis zoo, uas nquag siv hauv me me - nplai PEMFC cov khoom siv nrog lub zog xav tau los ntawm 1 txog 2 kW, suav nrog kev kos duab thiab xa tawm ob qho tib si reactant thiab coolant cua thoob plaws hauv pawg, siv tib cov kiv cua. Intelligent Energy Ltd. [32] thov kom muab cov tshuab hluav taws xob nrog cua -cov roj roj txias rau UAVs nrog cov ntsuas hluav taws xob xav tau ntawm 4.8 kW. Los ntawm cov saum toj no, nws tuaj yeem pom tau tias kev txais yuav ib qho pub dawb -ua pa passive-txias pawg ua tau vim tias cov roj hlwb uas muaj hwj chim li ntawm 0 mus rau 4.8 kW feem ntau yog nruab nrog cov kiv cua uas tsim nyog airflow rau cua txias thiab cov tshuaj tiv thaiv.

Txawm hais tias cov roj hlwb muaj qhov zoo ntawm lub zog ntom ntom, lawv qhov kev ua tau zoo yog cuam tshuam los ntawm lawv lub zog tsis tshua muaj zog, ncua sij hawm ntev, thiab cov lus teb qeeb [33]. Hauv qhov sib piv, cov roj teeb lithium, uas muaj peev xwm tsis muaj peev xwm ntev - ntau lub peev xwm, tuaj yeem xa tawm lub zog ntau dua, muab cov peev xwm ua tau zoo dua, tshwj xeeb tshaj yog thaum lub sijhawm siab - lub zog hloov pauv xws li thaum UAV hloov pauv sai sai ntawm kev caij nkoj mus rau hover lossis qhovntsej thiaj tsis mob theem [34]. Yog li ntawd, nyob rau hauv cov xwm txheej zoo li no, kev sib txuas cov roj teeb lithium nrog cov roj hlwb los tsim hybrid propulsion systems yog lub tswv yim ua tau kom ua tiav lub zog siab thiab lub zog ntom ntom hauv UAVs [35]. Cov tswv yim tswj kev siv hluav taws xob zoo ntxiv ua rau txuas ntxiv qhov ntau thiab ib puag ncig muaj zog ntawm hybrid roj cell-powered UAVs [36,37]. Yog li ntawd, rau qis- fais fab roj cell UAVs, siv cua- cov roj roj txias sib xyaw nrog cov roj teeb lithium yog qhov kev daws teeb meem zoo uas sib npaug ntau qhov ntau thiab lub sijhawm teb.

Los ntawm cov saum toj no, nws yog tseeb hais tias hydrogen roj hlwb thiab qis -altitude economics yog nce los ua focal point ntawm lub ntiaj teb no saib. Hydrogen roj hlwb, nrog rau lawv lub zog zoo dua, tau tshwm sim los daws qhov tsis txaus ntawm lithium roj teeb - siv UAVs thiab txhawb kev decarbonisation hauv kev lag luam aviation. Txawm li cas los xij, txawm hais tias lithium roj teeb -powered UAVs tsis muaj zog nyob rau hauv cov ntaub ntawv siv tau, qhia tau hais tias lub zog ceev ntawm cov roj hlwb yog siab dua li ntawm lithium roj teeb, tam sim no feem ntau ntawm kev tshawb fawb tsom rau lub zog tswj cov tswv yim ntawm roj cell -powered UAVs. Cov tswv yim no siv lub sijhawm tiag tiag - lub sijhawm xav tau lub zog los ua cov tswv yim los muab cov phiaj xwm faib hluav taws xob rau cov khoom siv hluav taws xob sib txawv siv cov txheej txheem. Qhov no tsis yog qhov txawv ntawm qhov kev tshawb fawb txog kev tswj hwm lub zog uas tau ua los ntawm peb pab pawg ntawm cov roj hluav taws xob- lub tsheb muaj zog [38,39]. Vim tias tsis muaj cov khoom siv nyuaj, cov roj teeb lithium feem ntau muaj qhov zoo nyob rau hauv cov fais fab me me. Tam sim no, muaj cov ntaub ntawv tsis txaus ntseeg ntawm qhov pib ntawm cov roj cell hybrid propulsion systems outperform lithium roj teeb propulsion systems.

Hauv txoj kev tshawb no, ob qhov teeb meem uas feem ntau tau saib tsis pom hauv kev tshawb fawb yav dhau los ntawm roj cell -powered UAVs yog tsom rau. Ua ntej, rau cov qauv tshwj xeeb thiab cov davhlau ya nyob twg, ib txoj hauv kev tau npaj los suav cov ciam teb rau kev hloov cov lithium roj teeb propulsion systems nrog roj cell hybrid propulsion systems, los ntawm kev txiav txim siab qhov ntau ntawm cov roj hlwb tsim nyog rau kev siv UAV. Qhov thib ob, qhov tshwj xeeb ntawm cov roj cell UAV daim ntawv thov scenarios raug tshuaj xyuas; tshwj xeeb yog qhov tseem ceeb yog lawv qhov cuam tshuam rau lub zog xav tau sab.

Ib qho yuav tsum tau ua ua ntej rau kev tsim cov tswv yim tswj kev siv hluav taws xob siv lub sijhawm tiag tiag - lub sijhawm xav tau lub zog raws li qhov kev tawm tswv yim yog kom nkag siab txog cov kev hloov pauv ntawm lub zog xav tau thiab cov khoom siv rau UAVs hauv ib puag ncig sib txawv, uas yog ciam teb rau cov txheej txheem tsim cov tswv yim. Hauv kev siv tswv yim, UAVs ua haujlwm ntawm qhov siab siab feem ntau xav tau ntau lub zog los tswj lub davhlau ruaj khov vim muaj kev hloov pauv ntawm ib puag ncig kub thiab huab cua ceev [40]. Tsis tas li ntawd, qhov cuam tshuam ntawm qhov siab hloov pauv ntawm cov roj hluav taws xob txias yuav tsum tau saib xyuas ntxiv [41]. Ozbek et al. [42] tau hais txog qhov tsim nyog ntawm ib txhij xav txog UAV lub zog xav tau thiab kev hloov pauv kub kom ntseeg tau tias lawv muaj kev sib koom tes. Cov roj cell system nyob rau hauv lub fuselage ntawm UAV, ncaj qha kos ambient huab cua los ntawm sab nraud, uas yog ncaj qha cuam tshuam los ntawm lwm yam ib puag ncig. Ntawm qhov tod tes, qhov txo qis hauv huab cua ceev ua rau muaj kev xav tau ntawm lub zog ntawm UAVs, uas ua rau muaj kev kub ntxhov los ntawm cov roj cell. Nyob rau tib lub sijhawm, cov cua kub dissipation tus nqi ntawm cov roj cell pawg tuaj yeem sib txawv nrog cov kev hloov pauv ib puag ncig, thiab cov cua nyias yuav txo tau cov cua sov hloov pauv coefficient. Txawm li cas los xij, qhov txo qis hauv qhov kub ntawm sab nraud ua rau muaj qhov sib txawv ntawm qhov sib txawv ntawm cov pawg thiab ib puag ncig, uas yuav pab txhim kho cov cua kub sib txawv ntawm pawg thiab ib puag ncig.

Daim ntawv no txwv nws cov khoom tshawb fawb rau hexacopter UAVs nrog qhov siab tshaj plaws coj - tawm qhov hnyav (MTOW) ntawm 25 kg thiab tshawb nrhiav qhov cuam tshuam ntawm qhov siab ntawm cov roj cell -powered UAVs. Hauv kev tsim cov tswv yim tswj hwm lub zog, txoj hauv kev tau coj los ua kom muaj txiaj ntsig zoo tshaj plaws ntawm cov roj hluav taws xob hluav taws xob hluav taws xob thaum tso cai rau cov roj teeb lithium los teb sai rau cov kev xav tau ntawm lub zog es tsis tsim cov tswv yim los siv tag nrho cov muaj zog los yog ua kom muaj ntau yam. Los ntawm kev tshuaj xyuas cov ntaub ntawv, Simulink qauv, thiab ANSYS simulation, txoj kev tshawb no yog tsom kom paub meej txog qhov ntau ntawm kev siv roj hlwb hauv UAVs yog kev xaiv nyiaj txiag ntau dua, nkag siab txog qhov dav dav dav dav ntawm cov roj cell -powered UAVs nrog ntau pawg, nkag siab txog cov kev cov nyom uas tshwj xeeb daim ntawv thov scenarios tsim rau roj cell - thiab kev daws teeb meem UAV muaj peev xwm

Cov seem ntawm daim ntawv no tau teeb tsa raws li hauv qab no. Tshooj 2 Txoj Kev rau kev ua qauv UAV fais fab xav tau, 3 Txoj kev tsim thiab sib piv cov txheej txheem propulsion, 4 Txoj kev rau kev xam cov huab cua stoichiometric piv rau cov cua kub dissipation tam sim no txoj kev rau xam UAV fais fab xav tau, sib piv roj cell-powered UAV propulsion systems thiab calculating cua txias. Cov txiaj ntsig simulation tau tham hauv Tshooj 5. Thaum kawg, kev sib tham thiab cov lus xaus tau nthuav tawm hauv Tshooj 6.