Pilas de combustible para vehículos aéreos no tripulados multirrotor: un estudio comparativo de almacenamiento de energía y análisis de rendimiento

En 2019, las emisiones mundiales de dióxido de carbono alcanzaron los 920 millones de toneladas [1]. Las emisiones de carbono de todos los modos de transporte representaron aproximadamente el 21 % de las emisiones totales, siendo la industria de la aviación un contribuyente importante. Actualmente, las emisiones de la aviación representan aproximadamente el 12 % de todas las emisiones-relacionadas con el transporte, y la combustión de queroseno de aviación representa el 79 % de las emisiones de la industria de la aviación. Si bien la proporción general de emisiones de la industria de la aviación puede no parecer particularmente significativa en la actualidad, el proceso de descarbonización del queroseno de aviación es relativamente lento en comparación con el de otros sectores del transporte. El Climate Action Tracker también ha calificado de "insuficientes" los avances de la industria de la aviación en materia de neutralidad de carbono. A medida que otras industrias adopten la descarbonización, la proporción relativa de emisiones de industrias como la aviación, que son "difíciles de reducir", aumentará inevitablemente. Si la tasa de crecimiento anual prevista para la industria de la aviación no se controla durante los próximos 20 años, las emisiones podrían aumentar un 11 % de aquí a 2040 [2]. Para 2050, una perspectiva preocupante es que el 25 % de las emisiones globales de carbono podrían provenir de la industria de la aviación. En consecuencia, las fuentes de energía alternativas, como las pilas de combustible de hidrógeno, los biocombustibles y los paneles solares, se han convertido en importantes temas de investigación en el sector de la aviación [3]. La descarbonización y la electrificación de la aviación, especialmente la aviación civil, se han convertido en imperativos globales urgentes [4,5].

Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) multirotor son una parte integral de la industria de la aviación y se utilizan ampliamente en aplicaciones como agricultura, silvicultura, inspecciones regionales y transporte rápido de corto-a medio-rango [6,7]. También está en auge la investigación correspondiente destinada a mejorar el rendimiento centrándose en el control de los parámetros de vuelo, la planificación de rutas y la optimización de las estructuras de vuelo [[8], [9], [10]]. Sin embargo, una limitación clave de la mayoría de los vehículos aéreos no tripulados multirrotor comerciales actualmente disponibles es su dependencia de las baterías de litio. Estos vehículos aéreos no tripulados suelen presentar masas de despegue-<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.

Actualmente, las baterías-de-ultima generación-de polímero de litio-proporcionan energías específicas en el rango de 130 a 200 Wh/kg. Teniendo en cuenta el potencial de las futuras tecnologías de baterías, se prevé una autonomía calculada con nuevas tecnologías que alcance los 250 Wh/kg [14,15]. Barke et al. [16] describió las perspectivas y los desafíos técnicos que enfrentan las baterías de litio-azufre. Aunque una alta densidad de energía específica, superior a 400 Wh/kg, podría reducir significativamente la masa del sistema de propulsión en comparación con las baterías convencionales, lo que haría competitivas las baterías de litio-azufre, su corta vida media dificulta su aplicación. Yap et al. [17] exploraron vehículos aéreos no tripulados ligeros mediante una combinación de fabricación aditiva mediante impresión 3D y optimización de la estructura topológica. Yuan et al. [18] investigaron el impacto de parámetros de diseño como el radio de la hélice, la velocidad de la hélice, el número de palas de la hélice, el ancho de la cuerda y el ángulo de pre-giro en la dinámica de vuelo y el rendimiento de una aeronave. Utilizando el método de diseño de Adkins-Liebeck, optimizaron el diseño de las palas, lo que dio como resultado una reducción de aproximadamente el 3 % en el consumo de energía de la aeronave. Huang et al. [19] propusieron un método de programación de tareas y planificación de rutas-para una flota combinada de vehículos aéreos no tripulados y camiones basado en un algoritmo de colonia de hormigas para mejorar la eficiencia del transporte de enjambres de vehículos aéreos no tripulados para logística. Este enfoque amplió significativamente el radio de cobertura operativa de los vehículos aéreos no tripulados-a batería.

Sin embargo, la densidad de energía de las baterías de litio significa que los métodos-mencionados anteriormente tienen un impacto relativamente limitado en la ampliación del alcance de los UAV. Además, debido a la importante demanda de energía de la masa adicional, simplemente agregar más baterías no amplía sustancialmente el alcance máximo. En consecuencia, existe una necesidad apremiante de explorar mejoras en el sistema de propulsión para aumentar la energía específica.

El hidrógeno, con su densidad de energía tres-veces mayor en comparación con el queroseno tradicional, es prometedor como una posible solución de energía para vuelos de largo-alcance. Actualmente, los sistemas híbridos de pila de combustible comunes proporcionan niveles de energía específicos que oscilan entre 250 y 540 Wh/kg [20]. La aplicación de sistemas de propulsión de pilas de combustible es un tema de investigación popular en la aviación [21]. Un ejemplo es la serie Aerostack de Horizon Energy Systems [22]. Las pilas de combustible-enfriadas por aire se han integrado con éxito en numerosos vehículos aéreos no tripulados [[23], [24], [25], [26], [27]].

La preferencia por la refrigeración por aire-en pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) de baja-temperatura en vehículos aéreos no tripulados surge de estrictas limitaciones de peso y espacio [28]. Santos [29] y Boukoberine et al. [30] utilizaron datos de pruebas de vuelo reales para desarrollar estrategias de diseño y formulación para vehículos aéreos no tripulados multirrotor propulsados ​​por pilas de combustible- con demandas de potencia de aproximadamente 300 W y 1400 W, respectivamente. Lee y cols. [31] señalaron que la refrigeración por aire pasiva, que se utiliza con frecuencia en dispositivos PEMFC de pequeña escala con requisitos de potencia de 1 a 2 kW, implica aspirar y distribuir aire reactivo y refrigerante por toda la chimenea, utilizando los mismos ventiladores. Intelligent Energy Ltd. [32] afirma proporcionar sistemas de energía con celdas de combustible-enfriadas por aire para vehículos aéreos no tripulados con una demanda de energía nominal de 4,8 kW. A partir de lo anterior, se puede demostrar que la adopción de una pila refrigerada-pasiva-de respiración libre es factible porque las pilas de combustible con potencias que oscilan entre 0 y 4,8 kW suelen estar equipadas con ventiladores que proporcionan el flujo de aire necesario para la refrigeración y la reacción.

Aunque las pilas de combustible tienen ventajas en términos de densidad de energía, su maniobrabilidad se ve obstaculizada por su densidad de potencia relativamente baja, largos retrasos y respuestas lentas [33]. Por el contrario, las baterías de litio, que potencialmente carecen de capacidades de largo-alcance, pueden ofrecer una mayor potencia de salida, proporcionando capacidades de respuesta dinámica mejoradas, particularmente durante transitorios de alta-potencia, como cuando un UAV cambia rápidamente de las fases de crucero a las de vuelo estacionario o descenso [34]. Por lo tanto, en tales escenarios, combinar baterías de litio con celdas de combustible para formar sistemas de propulsión híbridos es una estrategia factible para lograr altas densidades de energía y potencia en los UAV [35]. Las estrategias eficaces de gestión de la energía contribuyen aún más a ampliar el alcance y la solidez medioambiental de los UAV híbridos propulsados ​​por pilas de combustible-[36,37]. Por lo tanto, para los vehículos aéreos no tripulados de pila de combustible-de baja potencia, el uso de pilas de combustible-enfriadas por aire mezcladas con baterías de litio es una solución viable que equilibra el alcance máximo y el tiempo de respuesta.

De lo anterior se desprende claramente que las pilas de combustible de hidrógeno y la economía de baja-altura se están convirtiendo cada vez más en puntos focales de atención mundial. Las pilas de combustible de hidrógeno, con su densidad energética superior, están surgiendo como una solución para abordar las deficiencias de los vehículos aéreos no tripulados propulsados ​​por baterías de litio-y promover la descarbonización en la industria de la aviación. Sin embargo, a pesar de que los UAV propulsados ​​por baterías de litio- carecen de durabilidad en aplicaciones prácticas, lo que indica que la densidad de energía de las pilas de combustible es mayor que la de las baterías de litio, la mayor parte actual de la investigación se concentra en las estrategias de gestión de energía de los UAV propulsados ​​por pilas de combustible-. Estas estrategias utilizan la demanda de energía en tiempo real-como entrada para derivar esquemas de asignación de energía para diferentes fuentes de energía mediante algoritmos. Esto no es sustancialmente diferente de la investigación sobre estrategias de gestión de energía realizada anteriormente por nuestro equipo en vehículos propulsados ​​por pilas de combustible-[38,39]. Debido a la ausencia de accesorios complejos, las baterías de litio suelen tener ventajas dentro de rangos de potencia más pequeños. Actualmente, hay escasez de literatura sobre el umbral en el que los sistemas de propulsión híbridos con pilas de combustible superan a los sistemas de propulsión con baterías de litio.

En este estudio, se centran en dos cuestiones que a menudo se han pasado por alto en estudios anteriores sobre vehículos aéreos no tripulados{0}}propulsados ​​por pilas de combustible. En primer lugar, para modelos y perfiles de vuelo específicos, se propuso un método para calcular las condiciones límite para reemplazar los sistemas de propulsión con baterías de litio por sistemas de propulsión híbridos con pilas de combustible, determinando el rango dentro del cual las pilas de combustible son más apropiadas para aplicaciones de vehículos aéreos no tripulados. En segundo lugar, se analizan los aspectos únicos de los escenarios de aplicación de vehículos aéreos no tripulados con pila de combustible; Particularmente importante es su impacto en el lado de la demanda de energía.

Un requisito previo para formular estrategias de gestión de energía utilizando la demanda de energía en tiempo real-como insumo es comprender las variaciones en la demanda y el suministro de energía para los vehículos aéreos no tripulados en diferentes entornos, que son condiciones límite para el proceso de formulación de estrategias. En aplicaciones prácticas, los UAV que operan a grandes altitudes normalmente requieren más energía para mantener un vuelo estable debido a los cambios en la temperatura ambiental y la densidad del aire [40]. Además, el impacto de los cambios de altitud en el enfriamiento de las pilas de combustible requiere mayor atención [41]. Özbek et al. [42] enfatizó la necesidad de considerar simultáneamente los requisitos de potencia del UAV y los cambios de temperatura para garantizar su coordinación. El sistema de pila de combustible está ubicado dentro del fuselaje del UAV y aspira directamente aire ambiente desde el exterior, que está directamente influenciado por factores ambientales externos. Por un lado, una disminución de la densidad del aire provoca un aumento de la demanda de energía de los vehículos aéreos no tripulados, lo que da lugar a una mayor descarga de calor de la pila de combustible. Al mismo tiempo, la tasa de disipación de calor de la pila de pilas de combustible puede variar con los cambios ambientales, y el aire enrarecido reduce el coeficiente de transferencia de calor por convección. Sin embargo, una disminución en la temperatura externa aumenta la diferencia de temperatura entre la chimenea y el ambiente, lo que ayuda a mejorar el intercambio de calor entre la chimenea y el ambiente.

Este artículo limitó su objeto de investigación a los UAV hexacópteros con un peso máximo de despegue-(MTOW) de 25 kg y exploró el impacto de la altitud en los UAV propulsados ​​por pilas de combustible-. Al formular estrategias de gestión de energía, el enfoque adoptado fue maximizar la producción del sistema de propulsión de celda de combustible y al mismo tiempo permitir que las baterías de litio respondieran rápidamente a las demandas de energía en lugar de diseñar estrategias para utilizar toda la energía disponible o maximizar el alcance. A través de una revisión de la literatura, modelado de Simulink y simulación de ANSYS, este estudio tiene como objetivo aclarar el rango dentro del cual el uso de celdas de combustible en UAV es una opción más económica, comprender los límites máximos de vuelo de los UAV propulsados ​​por celdas de combustible-con diferentes masas, comprender los desafíos que plantean los escenarios de aplicación únicos para los UAV propulsados ​​por celdas de combustible-e identificar posibles soluciones.

El resto de este documento está organizado de la siguiente manera. Las secciones 2 Métodos para modelar la demanda de energía de los UAV, 3 Métodos para diseñar y combinar el sistema de propulsión, 4 Método para calcular la relación estequiométrica del aire para la disipación de calor presentan métodos para calcular la demanda de energía de los UAV, hacer coincidir los sistemas de propulsión de UAV propulsados ​​por celdas de combustible-y calcular el flujo de aire requerido para enfriar las celdas de combustible. Los resultados de la simulación se analizan en la Sección 5. Finalmente, se presentan una discusión y conclusiones en la Sección 6.