Ko'p rotorli uchuvchisiz havo vositalari uchun yonilg'i xujayralari: energiyani saqlash va ishlash tahlilini qiyosiy o'rganish

2019 yilda global karbonat angidrid chiqindilari 920 million tonnaga yetdi [1]. Barcha transport turlaridan chiqadigan uglerod chiqindilari umumiy emissiyaning taxminan 21% ni tashkil etdi, bunda aviatsiya sanoati muhim hissa qo'shadi. Hozirgi vaqtda aviatsiya chiqindilari transport bilan bogʻliq barcha chiqindilarning taxminan 12% ini-, aviatsiya kerosinining yonishi esa aviatsiya sanoati chiqindilarining 79% ni tashkil qiladi. Aviatsiya sanoatidan chiqadigan chiqindilarning umumiy ulushi hozirda unchalik ahamiyatli bo'lmasa-da, aviatsiya kerosinining dekarbonizatsiya jarayoni boshqa transport tarmoqlariga nisbatan nisbatan sekin. Climate Action Tracker, shuningdek, aviatsiya sanoatining uglerod neytralligidagi muvaffaqiyatini "yetarli emas" deb belgiladi. Boshqa tarmoqlar dekarbonizatsiyani qo'llaganligi sababli, aviatsiya kabi "kamaytirish qiyin" bo'lgan tarmoqlarning nisbiy emissiya ulushi muqarrar ravishda oshadi. Agar aviatsiya sanoatining yillik o'sish sur'ati keyingi 20 yil davomida kuzatilmasa, 2040 yilga kelib emissiyalar 11 foizga oshishi mumkin [2]. 2050 yilga borib, global uglerod chiqindilarining 25 foizi aviatsiya sanoatidan kelib chiqishi mumkin. Shunday qilib, vodorod yonilg'i xujayralari, bioyoqilg'i va quyosh panellari kabi muqobil energiya manbalari aviatsiya sohasida muhim tadqiqot mavzulariga aylandi [3]. Aviatsiyani, ayniqsa fuqaro aviatsiyasini karbonsizlantirish va elektrlashtirish dolzarb global talablarga aylandi [4,5].

Ko‘p rotorli uchuvchisiz uchish apparatlari (UAV) aviatsiya sanoatining ajralmas qismi bo‘lib, qishloq xo‘jaligi, o‘rmon xo‘jaligi, hududiy inspeksiyalar va qisqa{1}}o‘rta masofaga{2}}tezkor transport kabi ilovalarda keng qo‘llaniladi [6,7]. Parvoz parametrlarini nazorat qilish, yo'lni rejalashtirish va parvoz tuzilmalarini optimallashtirishga e'tibor qaratish orqali samaradorlikni oshirishga qaratilgan tegishli tadqiqotlar ham jadal rivojlanmoqda [[8], [9], [10]]. Biroq, hozirda mavjud bo'lgan ko'p rotorli tijoriy UAVlarning asosiy cheklovi ularning lityum batareyalarga bog'liqligidir. Ushbu UAVlar odatda uchish massasini- namoyish etadi<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.

Hozirda{0}}zamonaviy lityum{2}}polimer batareyalar-130-200 Vt/kg oralig'ida maxsus energiya beradi. Kelajakdagi akkumulyator texnologiyalarining imkoniyatlarini hisobga olgan holda, yangi texnologiyalar bilan hisoblangan diapazon 250 Vt / kg ga etadi [14,15]. Barke va boshqalar. [16] litiy{13}}oltingugurtli akkumulyatorlarning istiqbollari va texnik muammolarini bayon qildi. Yuqori o'ziga xos energiya zichligi 400 Vt/kg dan ortiq bo'lsa-da, an'anaviy akkumulyatorlar bilan solishtirganda harakatlantiruvchi tizimning massasini sezilarli darajada kamaytirishi mumkin, bu esa lityum{16}}oltingugurtli batareyalarni raqobatbardosh qiladi, ammo ularning qisqa o'rtacha ishlash muddati ularni qo'llashga to'sqinlik qiladi. Yap va boshqalar. [17] 3D bosib chiqarish va topologik tuzilmani optimallashtirish yordamida qo'shimchalar ishlab chiqarish kombinatsiyasi orqali engil UAVlarni o'rgandi. Yuan va boshqalar. [18] parvona radiusi, pervanel tezligi, pervanel qanotlari soni, akkord kengligi va{24}}burilishdan oldingi burchak kabi dizayn parametrlarining samolyotning parvoz dinamikasiga va unumdorligiga taʼsirini oʻrganib chiqdi. Adkins{26}}Liebeck dizayn usulidan foydalanib, ular pichoq dizaynini optimallashtirdi, natijada samolyot quvvat sarfini taxminan 3% ga qisqartirdi. Huang va boshqalar. [19] logistika uchun UAV toʻdalarini tashish samaradorligini oshirish maqsadida chumolilar koloniyasi algoritmiga asoslangan UAV va yuk mashinalarining birlashgan parki uchun vazifalarni rejalashtirish va yoʻlni rejalashtirish usulini taklif qildi. Ushbu yondashuv akkumulyatorli UAVlarning ishlay olish radiusini- sezilarli darajada kengaytirdi.

Biroq, litiy batareyalarning energiya zichligi yuqorida aytib o'tilgan usullarning -UAV diapazonini kengaytirishga nisbatan cheklangan ta'siri borligini bildiradi. Bundan tashqari, qo'shimcha massaning sezilarli quvvat talabi tufayli, shunchaki ko'proq batareyalarni qo'shish maksimal diapazonni sezilarli darajada kengaytirmaydi. Binobarin, ma'lum energiyani oshirish uchun kuch-quvvat tizimini yaxshilashni o'rganish zarurati tug'iladi.

Vodorod an'anaviy kerosinga nisbatan uch baravar yuqori energiya zichligi-bilan uzoq masofaga parvoz qilish uchun potentsial yechim sifatida va'da beradi. Hozirgi vaqtda umumiy yoqilg'i xujayrasi gibrid tizimlari 250 dan 540 Vt / kg gacha bo'lgan o'ziga xos energiya darajasini ta'minlaydi [20]. Yoqilg'i xujayralarining harakatlantiruvchi tizimlarini qo'llash aviatsiyada mashhur tadqiqot mavzusidir [21]. Masalan, Horizon Energy Systems Aerostack seriyasi [22]. Havo sovutgichli yonilg'i xujayralari-ko'plab UAVlarga muvaffaqiyatli birlashtirilgan [[23], [24], [25], [26], [27]].

UAVlarda past haroratli proton almashinadigan membrana yonilg'i xujayrasi (PEMFC) qatlamlarida havo-sovutish afzalligi qattiq og'irlik va bo'sh joy cheklovlaridan kelib chiqadi [28]. Santos [29] va Boukoberine va boshqalar. [30] mos ravishda taxminan 300 Vt va 1400 Vt quvvat talab qiladigan yonilg'i xujayrasi bilan ishlaydigan ko'p rotorli UAVlarni loyihalash va shakllantirish strategiyalarini ishlab chiqishda haqiqiy parvoz sinovidan foydalangan. Li va boshqalar. [31] taʼkidlaganidek, 1 dan 2 kVt gacha quvvat talab qiladigan kichik oʻlchamli PEMFC qurilmalarida tez-tez qoʻllaniladigan passiv havo sovutish bir xil fanatlar yordamida reaktiv va sovutish suvi havosini yigʻish boʻylab tortish va tarqatishni oʻz ichiga oladi. Intelligent Energy Ltd. [32] quvvat tizimlarini havo{19}}sovutuvchi yonilgʻi xujayralari bilan taʼminlab berishini daʼvo qiladi. Yuqoridagilardan shuni ko'rsatish mumkinki, erkin{22}}nafas oluvchi passiv-sovutgichni qabul qilish mumkin, chunki quvvati 0 dan 4,8 kVt gacha bo'lgan yonilg'i xujayralari odatda sovutish va reaktsiya uchun zarur havo oqimini ta'minlaydigan fanatlar bilan jihozlangan.

Yoqilg'i xujayralari energiya zichligi bo'yicha afzalliklarga ega bo'lsa-da, ularning manevr qobiliyati nisbatan past quvvat zichligi, uzoq vaqt kechikishlari va sekin javoblar bilan to'sqinlik qiladi [33]. Aksincha, potentsial uzoq masofaga ishlash qobiliyatiga ega bo'lmagan lityum batareyalar yuqori quvvat chiqishini ta'minlay oladi, bu esa dinamik javob berish imkoniyatlarini kengaytiradi, ayniqsa yuqori quvvatli o'tish jarayonlarida, masalan, UAV tez sur'atlar bilan kruizdan havoga ko'tarilish yoki tushish fazalariga o'tganda [34]. Shu sababli, bunday stsenariylarda lityum batareyalarni yonilg'i xujayralari bilan gibrid qo'zg'alish tizimlarini yaratish UAVlarda yuqori energiya va quvvat zichligiga erishish mumkin bo'lgan strategiyadir [35]. Energiyani samarali boshqarish strategiyalari gibrid yonilg'i xujayrasi{8}}quvvatlanadigan UAVlarning diapazoni va atrof-muhitga chidamliligini kengaytirishga yordam beradi [36,37]. Demak, kam quvvatli yonilgʻi xujayrali UAVlar uchun litiy batareyalar bilan aralashtirilgan havo-sovutilgan yonilgʻi xujayralari foydalanish maksimal masofa va javob vaqtini muvozanatlashtiradigan samarali yechim hisoblanadi.

Yuqoridagilardan ko‘rinib turibdiki, vodorod yonilg‘i xujayralari va past{0}}balandlik iqtisodiyoti tobora ko‘proq global diqqat markaziga aylanib bormoqda. Vodorod yonilg'i xujayralari yuqori energiya zichligi bilan lityum akkumulyatorli UAVlarning kamchiliklarini bartaraf etish-va aviatsiya sanoatida dekarbonizatsiyani rivojlantirish uchun yechim sifatida paydo bo'lmoqda. Biroq, lityum batareyalar bilan ishlaydigan UAVlarning amaliy qo'llanilishida chidamliligi yo'qligiga qaramay, bu yoqilg'i xujayralarining energiya zichligi lityum batareyalarga qaraganda yuqori ekanligini ko'rsatsa ham, hozirgi tadqiqotning asosiy qismi yoqilg'i xujayrasi bilan ishlaydigan UAVlarning energiyani boshqarish strategiyalariga- e'tibor qaratmoqda. Bu strategiyalar algoritmlar yordamida turli quvvat manbalari uchun quvvat taqsimlash sxemalarini olish uchun kirish sifatida real vaqtdagi quvvat talabidan foydalanadi. Bu bizning jamoamiz tomonidan yoqilg'i xujayrasi{9}}bilan ishlaydigan avtomobillar bo'yicha ilgari o'tkazilgan energiyani boshqarish strategiyasi tadqiqotidan unchalik farq qilmaydi [38,39]. Murakkab aksessuarlar yo'qligi sababli, lityum batareyalar ko'pincha kichik quvvat diapazonlarida afzalliklarga ega. Hozirgi vaqtda yonilg'i xujayrasi gibrid qo'zg'alish tizimlari lityum batareyali qo'zg'alish tizimlaridan ustun bo'lgan ostona haqida adabiyotlar kam.

Ushbu tadqiqotda yonilg'i xujayrasi bilan ishlaydigan UAVlar-bo'yicha oldingi tadqiqotlarda ko'pincha e'tibordan chetda qolgan ikkita masalaga e'tibor qaratilgan. Birinchidan, ma'lum modellar va parvoz profillari uchun yonilg'i xujayralari UAV ilovalari uchun ko'proq mos keladigan diapazonni aniqlash orqali lityum batareyali qo'zg'alish tizimlarini yonilg'i xujayrasi gibrid qo'zg'alish tizimlari bilan almashtirishning chegara shartlarini hisoblash usuli taklif qilindi. Ikkinchidan, yonilg'i xujayrasi UAVni qo'llash stsenariylarining o'ziga xos jihatlari tahlil qilinadi; ayniqsa, ularning energiya talabiga ta'siri muhim ahamiyatga ega.

Energiyani boshqarish strategiyasini ishlab chiqishning zaruriy shartlaridan biri bu strategiyani ishlab chiqish jarayonining chegaraviy shartlari bo‘lgan turli muhitlarda UAVlar uchun energiya talabi va taklifidagi o‘zgarishlarni tushunishdir. Amaliy qo'llanmalarda yuqori balandlikda ishlaydigan UAVlar atrof-muhit harorati va havo zichligi o'zgarishi tufayli barqaror parvozni ta'minlash uchun odatda ko'proq energiya talab qiladi [40]. Bundan tashqari, balandlik o'zgarishining yonilg'i xujayrasini sovutishga ta'siri qo'shimcha e'tiborni talab qiladi [41]. O'zbek va boshqalar. [42] bir vaqtning o'zida UAV quvvat talablarini va ularning muvofiqlashtirilishini ta'minlash uchun harorat o'zgarishini hisobga olish zarurligini ta'kidladi. Yoqilg'i xujayrasi tizimi UAVning fyuzelyaji ichida joylashgan bo'lib, tashqi muhit omillarining bevosita ta'siri ostida tashqi havoni to'g'ridan-to'g'ri tortib oladi. Bir tomondan, havo zichligining pasayishi UAVlarning quvvatga bo'lgan talabining oshishiga olib keladi, buning natijasida yonilg'i xujayrasi to'plamidan issiqlik chiqishi ko'payadi. Bir vaqtning o'zida yonilg'i xujayrasi to'plamining issiqlik tarqalish tezligi atrof-muhit o'zgarishiga qarab o'zgarishi mumkin va nozik havo konvektiv issiqlik uzatish koeffitsientini kamaytiradi. Biroq, tashqi haroratning pasayishi stack va atrof-muhit o'rtasidagi harorat farqini oshiradi, bu esa stack va atrof-muhit o'rtasidagi issiqlik almashinuvini kuchaytirishga yordam beradi.

Ushbu maqola tadqiqot ob'ektini maksimal uchish og'irligi (MTOW) 25 kg bo'lgan hexacopter UAVlar bilan cheklab qo'ydi va balandlikning yoqilg'i xujayrasi bilan ishlaydigan UAVlarga-ta'sirini o'rgandi. Energiyani boshqarish strategiyalarini ishlab chiqishda, yonilg'i xujayrasi harakatlanish tizimining maksimal mahsuldorligini oshirish, shu bilan birga lityum batareyalarga barcha mavjud energiyadan foydalanish yoki diapazonni maksimal darajada oshirish strategiyalarini ishlab chiqish o'rniga quvvat talablariga tezda javob berishga imkon berishdan foydalanilgan. Adabiyotlarni oʻrganish, Simulink modellashtirish va ANSYS simulyatsiyasi orqali ushbu tadqiqot UAVlarda yonilgʻi xujayralaridan foydalanish koʻproq iqtisodiy tanlov boʻlgan diapazonni aniqlash, turli massaga ega yoqilgʻi xujayrasi bilan ishlaydigan UAVlarning maksimal parvoz chegaralarini tushunish, noyob dastur stsenariylari yonilgʻi xujayrasi{{6} uchun yuzaga keladigan muammolarni tushunish va mumkin boʻlgan yechimlarni aniqlashga qaratilgan.

Ushbu maqolaning qolgan qismi quyidagicha tuzilgan. 2-bo'limlar UAV quvvatiga bo'lgan talabni modellashtirish usullari, 3 Qo'zg'alish tizimini loyihalash va moslashtirish usullari, 4 Issiqlik tarqalishi uchun havo stexiometrik nisbatlarini hisoblash usuli, UAV quvvatiga bo'lgan ehtiyojni hisoblash, yoqilg'i xujayrasi{4}} quvvatlanadigan UAV qo'zg'alish tizimlarini moslashtirish va yonilg'i xujayralarini sovutish uchun zarur bo'lgan havo oqimini hisoblash usullari mavjud. Simulyatsiya natijalari 5-bo'limda muhokama qilinadi. Va nihoyat, muhokama va xulosalar 6-bo'limda keltirilgan.