Células de combustível para veículos aéreos não tripulados multirotores: um estudo comparativo de armazenamento de energia e análise de desempenho

Em 2019, as emissões globais de dióxido de carbono atingiram 920 milhões de toneladas [1]. As emissões de carbono provenientes de todos os modos de transporte representaram aproximadamente 21% das emissões totais, sendo a indústria da aviação um contribuinte significativo. Atualmente, as emissões da aviação representam aproximadamente 12% de todas as emissões-relacionadas ao transporte, sendo a combustão do querosene de aviação responsável por 79% das emissões da indústria da aviação. Embora a proporção global de emissões provenientes da indústria da aviação possa não parecer particularmente significativa neste momento, o processo de descarbonização do querosene de aviação é relativamente lento em comparação com o de outros sectores dos transportes. O Climate Action Tracker também classificou o progresso da indústria da aviação na neutralidade de carbono como “insuficiente”. À medida que outras indústrias adoptam a descarbonização, a quota relativa de emissões de indústrias como a aviação, que são “difíceis de reduzir”, aumentará inevitavelmente. Se a taxa de crescimento anual prevista para a indústria da aviação não for controlada durante os próximos 20 anos, as emissões poderão aumentar 11% até 2040 [2]. Até 2050, uma perspectiva preocupante é que 25% das emissões globais de carbono poderão ter origem na indústria da aviação. Consequentemente, fontes alternativas de energia, como células de combustível de hidrogénio, biocombustíveis e painéis solares, tornaram-se tópicos de investigação significativos no setor da aviação [3]. A descarbonização e a eletrificação da aviação, especialmente da aviação civil, tornaram-se imperativos globais urgentes [4,5].

Os veículos aéreos não tripulados (UAVs) multirotor são parte integrante da indústria da aviação e são amplamente utilizados em aplicações como agricultura, silvicultura, inspeções regionais e transporte rápido de curto-a médio-alcance [6,7]. A pesquisa correspondente destinada a melhorar o desempenho, concentrando-se no controle dos parâmetros de voo, planejamento de trajetória e otimização de estruturas de voo, também está florescendo [[8], [9], [10]]. No entanto, uma limitação importante da maioria dos UAVs multirotores comerciais disponíveis atualmente é a dependência de baterias de lítio. Esses UAVs normalmente exibem-massas de decolagem<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.

Atualmente, baterias de polímero-de{1}}última geração-de polímero de lítio-fornecem energias específicas na faixa de 130 a 200 Wh/kg. Considerando o potencial das futuras tecnologias de baterias, prevê-se um alcance calculado com novas tecnologias atingindo 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] descreveram as perspectivas e os desafios técnicos enfrentados pelas baterias de lítio-enxofre. Embora uma alta densidade de energia específica superior a 400 Wh/kg possa reduzir significativamente a massa do sistema de propulsão em comparação com baterias convencionais, o que tornaria as baterias de lítio-enxofre competitivas, sua curta vida média dificulta sua aplicação. Yap et al. [17] exploraram UAVs leves através de uma combinação de fabricação aditiva usando impressão 3D e otimização de estrutura topológica. Yuan et al. [18] investigaram o impacto de parâmetros de projeto, como raio da hélice, velocidade da hélice, número de pás da hélice, largura da corda e ângulo de pré-{24}}torção na dinâmica de vôo e no desempenho de uma aeronave. Usando o método de projeto Adkins-Liebeck, eles otimizaram o projeto da pá, resultando em uma redução de aproximadamente 3% no consumo de energia da aeronave. Huang et al. [19] propuseram um método de agendamento de tarefas e{31}}planejamento de caminho para uma frota combinada de UAVs e caminhões com base em um algoritmo de colônia de formigas para aumentar a eficiência do transporte de enxames de UAV para logística. Essa abordagem ampliou significativamente o raio de cobertura operacional dos UAVs-alimentados por bateria.

No entanto, a densidade de energia das baterias de lítio significa que os métodos-mencionados acima têm um impacto relativamente limitado na extensão do alcance do UAV. Além disso, devido à significativa demanda de energia da massa adicional, a simples adição de mais baterias não amplia substancialmente o alcance máximo. Consequentemente, há uma necessidade premente de explorar melhorias no trem de força para aumentar a energia específica.

O hidrogênio, com sua densidade de energia três{1}} vezes maior em comparação ao querosene tradicional, é promissor como uma potencial solução de energia para voos de longo-alcance. Atualmente, os sistemas híbridos de células de combustível comuns fornecem níveis de energia específicos que variam de 250 a 540 Wh/kg [20]. A aplicação de sistemas de propulsão com células de combustível é um tópico de pesquisa popular na aviação [21]. Um exemplo é a série Horizon Energy Systems Aerostack [22]. Células de combustível-resfriadas a ar foram integradas com sucesso em vários UAVs [[23], [24], [25], [26], [27]].

A preferência pelo resfriamento-a ar em pilhas de células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) de baixa-temperatura em UAVs surge de restrições rigorosas de peso e espaço [28]. Santos [29] e Boukoberine et al. [30] usaram dados reais de testes de voo para desenvolver estratégias de projeto e formulação para UAVs multirotores movidos a células de combustível com demandas de energia de aproximadamente 300 W e 1.400 W, respectivamente. Lee et al. [31] apontaram que o resfriamento de ar passivo, que é frequentemente usado em dispositivos PEMFC de pequena{13}escala com requisitos de energia de 1 a 2 kW, envolve a aspiração e distribuição de ar reagente e refrigerante por toda a pilha, usando os mesmos ventiladores. A Intelligent Energy Ltd. [32] afirma fornecer sistemas de energia com células de combustível-resfriadas a ar para UAVs com uma demanda de energia nominal de 4,8 kW. Pelo exposto, pode-se demonstrar que a adoção de uma pilha resfriada-passiva de respiração livre-é viável porque células de combustível com potências variando de 0 a 4,8 kW são normalmente equipadas com ventiladores que fornecem o fluxo de ar necessário para resfriamento e reação.

Embora as células de combustível tenham vantagens em termos de densidade de energia, a sua manobrabilidade é dificultada pela sua densidade de potência relativamente baixa, longos atrasos e respostas lentas [33]. Em contraste, as baterias de lítio, que potencialmente carecem de capacidades de longo{2}}alcance, podem fornecer uma saída de potência mais alta, fornecendo capacidades de resposta dinâmica aprimoradas, especialmente durante transientes-de alta potência, como quando um UAV muda rapidamente das fases de cruzeiro para pairar ou descer [34]. Portanto, em tais cenários, combinar baterias de lítio com células de combustível para formar sistemas de propulsão híbridos é uma estratégia viável para alcançar altas densidades de energia e potência em UAVs [35]. Estratégias eficazes de gerenciamento de energia contribuem ainda mais para ampliar o alcance e a robustez ambiental dos UAVs movidos a células de combustível híbridas [36,37]. Portanto, para UAVs de célula de combustível de baixa-potência, usar células de combustível-resfriadas a ar misturadas com baterias de lítio é uma solução viável que equilibra alcance máximo e tempo de resposta.

Do exposto, fica claro que as células de combustível de hidrogênio e a economia de baixa-altitude estão se tornando cada vez mais pontos focais de atenção global. As células de combustível de hidrogénio, com a sua densidade energética superior, estão a emergir como uma solução para colmatar as deficiências dos UAV alimentados por baterias de lítio-e promover a descarbonização na indústria da aviação. No entanto, apesar dos UAVs movidos a baterias de lítio não terem durabilidade em aplicações práticas, indicando que a densidade de energia das células de combustível é maior do que a das baterias de lítio, a maior parte da pesquisa atual concentra-se nas estratégias de gerenciamento de energia dos UAVs movidos a células de combustível. Essas estratégias usam a demanda de energia-em tempo real como entrada para derivar esquemas de alocação de energia para diferentes fontes de energia usando algoritmos. Isso não é substancialmente diferente da pesquisa de estratégia de gerenciamento de energia conduzida anteriormente por nossa equipe em veículos movidos a-células de combustível [38,39]. Devido à ausência de acessórios complexos, as baterias de lítio geralmente apresentam vantagens em faixas de potência menores. Atualmente, há escassez de literatura sobre o limite em que os sistemas de propulsão híbridos com células de combustível superam os sistemas de propulsão com baterias de lítio.

Neste estudo, enfocamos duas questões que muitas vezes foram ignoradas em estudos anteriores sobre UAVs movidos a células de combustível-. Primeiro, para modelos e perfis de voo específicos, foi proposto um método para calcular as condições de contorno para a substituição de sistemas de propulsão com baterias de lítio por sistemas de propulsão híbridos de células de combustível, determinando a faixa dentro da qual as células de combustível são mais apropriadas para aplicações de UAV. Em segundo lugar, são analisados ​​os aspectos únicos dos cenários de aplicação de UAV com célula de combustível; particularmente importante é o seu impacto no lado da procura de energia.

Um pré-requisito para formular estratégias de gerenciamento de energia usando a demanda de energia em tempo real-como entrada é compreender as variações na demanda e no fornecimento de energia para UAVs em diferentes ambientes, que são condições limite para o processo de formulação de estratégia. Em aplicações práticas, os UAVs que operam em grandes altitudes normalmente requerem mais energia para manter um voo estável devido às mudanças na temperatura ambiente e na densidade do ar [40]. Além disso, o impacto das mudanças de altitude no resfriamento das células de combustível requer mais atenção [41]. Ozbek et al. [42] enfatizaram a necessidade de considerar simultaneamente os requisitos de potência do UAV e as mudanças de temperatura para garantir sua coordenação. O sistema de célula de combustível está localizado dentro da fuselagem do UAV, atraindo diretamente o ar ambiente de fora, que é diretamente influenciado por fatores ambientais externos. Por um lado, uma diminuição na densidade do ar leva a um aumento na demanda de energia dos UAVs, resultando num aumento da descarga de calor da pilha de células de combustível. Simultaneamente, a taxa de dissipação de calor da pilha de células de combustível pode variar com as mudanças ambientais, e o ar rarefeito reduz o coeficiente de transferência de calor por convecção. Porém, uma diminuição na temperatura externa aumenta a diferença de temperatura entre a pilha e o ambiente, o que ajuda a melhorar a troca de calor entre a pilha e o ambiente.

Este artigo limitou seu objeto de pesquisa a UAVs hexacópteros com peso máximo de decolagem (MTOW) de 25 kg e explorou o impacto da altitude em UAVs movidos a células de combustível-. Na formulação de estratégias de gestão de energia, a abordagem adoptada foi maximizar a produção do sistema de propulsão da célula de combustível, permitindo ao mesmo tempo que as baterias de lítio respondessem rapidamente às exigências de energia, em vez de conceber estratégias para utilizar toda a energia disponível ou maximizar a autonomia. Por meio de uma revisão da literatura, modelagem Simulink e simulação ANSYS, este estudo tem como objetivo esclarecer até que ponto o uso de células de combustível em UAVs é uma escolha mais econômica, compreender os limites máximos de voo de UAVs movidos a células de combustível-com diferentes massas, compreender os desafios que cenários de aplicação únicos representam para UAVs movidos a células de combustível-e identificar possíveis soluções.

O restante deste artigo está organizado da seguinte forma. As Seções 2 Métodos para modelar a demanda de energia do UAV, 3 Métodos para projetar e combinar o sistema de propulsão, 4 Método para calcular a razão estequiométrica do ar para dissipação de calor apresentam métodos para calcular a demanda de energia do UAV, combinar sistemas de propulsão de UAV alimentados por células de combustível e calcular o fluxo de ar necessário para resfriar células de combustível. Os resultados da simulação são discutidos na Seção 5. Finalmente, uma discussão e conclusões são apresentadas na Seção 6.