मल्टीरोटर मानवरहित हवाई वाहनों के लिए ईंधन सेल: ऊर्जा भंडारण और प्रदर्शन विश्लेषण का एक तुलनात्मक अध्ययन

2019 में, वैश्विक कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन 920 मिलियन टन तक पहुंच गया [1]। परिवहन के सभी तरीकों से होने वाला कार्बन उत्सर्जन कुल उत्सर्जन का लगभग 21% है, जिसमें विमानन उद्योग का महत्वपूर्ण योगदान है। वर्तमान में, विमानन उत्सर्जन सभी परिवहन संबंधित उत्सर्जनों का लगभग 12% प्रतिनिधित्व करता है, विमानन उद्योग के उत्सर्जन का 79% विमानन केरोसिन के दहन के कारण होता है। हालांकि विमानन उद्योग से उत्सर्जन का समग्र अनुपात वर्तमान में विशेष रूप से महत्वपूर्ण नहीं लग सकता है, विमानन केरोसिन की डीकार्बोनाइजेशन प्रक्रिया अन्य परिवहन क्षेत्रों की तुलना में अपेक्षाकृत धीमी है। क्लाइमेट एक्शन ट्रैकर ने भी कार्बन तटस्थता में विमानन उद्योग की प्रगति को "अपर्याप्त" के रूप में चिह्नित किया है। जैसे-जैसे अन्य उद्योग डीकार्बोनाइजेशन को अपनाते हैं, विमानन जैसे उद्योगों का सापेक्ष उत्सर्जन हिस्सा, जिसे "कम करना मुश्किल" है, अनिवार्य रूप से बढ़ जाएगा। यदि विमानन उद्योग की अनुमानित वार्षिक वृद्धि दर अगले 20 वर्षों तक अनियंत्रित रही, तो 2040 तक उत्सर्जन में 11% की वृद्धि हो सकती है [2]। 2050 तक, एक चिंताजनक संभावना यह है कि वैश्विक कार्बन उत्सर्जन का 25% विमानन उद्योग से उत्पन्न हो सकता है। नतीजतन, वैकल्पिक ऊर्जा स्रोत जैसे हाइड्रोजन ईंधन सेल, जैव ईंधन और सौर पैनल विमानन क्षेत्र में महत्वपूर्ण शोध विषय बन गए हैं [3]। विमानन, विशेष रूप से नागरिक उड्डयन का डीकार्बोनाइजेशन और विद्युतीकरण, तत्काल वैश्विक अनिवार्यता बन गए हैं [4,5]।

मल्टीरोटर मानव रहित हवाई वाहन (यूएवी) विमानन उद्योग का एक अभिन्न अंग हैं और व्यापक रूप से कृषि, वानिकी, क्षेत्रीय निरीक्षण और छोटी दूरी के तीव्र परिवहन [6,7] जैसे अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं। उड़ान मापदंडों के नियंत्रण, पथ योजना और उड़ान संरचनाओं के अनुकूलन पर ध्यान केंद्रित करके प्रदर्शन को बढ़ाने के उद्देश्य से अनुरूप अनुसंधान भी तेजी से बढ़ रहा है [[8], [9], [10]]। हालाँकि, वर्तमान में उपलब्ध अधिकांश वाणिज्यिक मल्टीरोटर यूएवी की एक प्रमुख सीमा लिथियम बैटरी पर उनकी निर्भरता है। ये यूएवी आम तौर पर टेक-ऑफ द्रव्यमान प्रदर्शित करते हैं<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.

वर्तमान में, राज्य {{0}में से {{1}आर्ट लिथियम{{3}पॉलीमर बैटरियां 130-200 Wh/kg की सीमा में विशिष्ट ऊर्जा प्रदान करती हैं। भविष्य की बैटरी प्रौद्योगिकियों की क्षमता को ध्यान में रखते हुए, नई प्रौद्योगिकियों के साथ 250 Wh/kg तक पहुंचने वाली एक गणना सीमा का अनुमान है [14,15]। बर्क एट अल. [16] लिथियम-सल्फर बैटरियों के सामने आने वाली संभावनाओं और तकनीकी चुनौतियों को रेखांकित किया। यद्यपि 400 Wh/kg से अधिक उच्च विशिष्ट ऊर्जा घनत्व पारंपरिक बैटरियों की तुलना में प्रणोदन प्रणाली के द्रव्यमान को काफी कम कर सकता है, जो लिथियम सल्फर बैटरियों को प्रतिस्पर्धी बना देगा, उनका छोटा औसत जीवन उनके अनुप्रयोग में बाधा उत्पन्न करता है। याप एट अल. [17] 3डी प्रिंटिंग और टोपोलॉजिकल संरचना अनुकूलन का उपयोग करके एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के संयोजन के माध्यम से हल्के यूएवी की खोज की गई। युआन एट अल. [18] विमान की उड़ान की गतिशीलता और प्रदर्शन पर प्रोपेलर त्रिज्या, प्रोपेलर गति, प्रोपेलर ब्लेड की संख्या, तार की चौड़ाई और पूर्व मोड़ कोण जैसे डिज़ाइन मापदंडों के प्रभाव की जांच की गई। एडकिंस - लीबेक डिज़ाइन विधि का उपयोग करके, उन्होंने ब्लेड डिज़ाइन को अनुकूलित किया, जिसके परिणामस्वरूप विमान की बिजली खपत में लगभग 3% की कमी आई। हुआंग एट अल. [19] रसद के लिए यूएवी झुंडों की परिवहन दक्षता को बढ़ाने के लिए चींटी कॉलोनी एल्गोरिदम के आधार पर यूएवी और ट्रकों के संयुक्त बेड़े के लिए एक कार्य शेड्यूलिंग और पथ योजना विधि का प्रस्ताव दिया गया। इस दृष्टिकोण ने बैटरी चालित यूएवी के परिचालन कवरेज दायरे को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाया।

हालाँकि, लिथियम बैटरियों के ऊर्जा घनत्व का मतलब है कि उपर्युक्त तरीकों का यूएवी रेंज को बढ़ाने पर अपेक्षाकृत सीमित प्रभाव पड़ता है। इसके अतिरिक्त, अतिरिक्त द्रव्यमान की महत्वपूर्ण बिजली की मांग के कारण, केवल अधिक बैटरी जोड़ने से अधिकतम सीमा में पर्याप्त वृद्धि नहीं होती है। नतीजतन, विशिष्ट ऊर्जा को बढ़ावा देने के लिए पावरट्रेन सुधारों का पता लगाने की तत्काल आवश्यकता है।

हाइड्रोजन, पारंपरिक केरोसिन की तुलना में अपने तीन गुना अधिक ऊर्जा घनत्व के साथ, संभावित लंबी दूरी की उड़ान शक्ति समाधान के रूप में वादा करता है। वर्तमान में, सामान्य ईंधन सेल हाइब्रिड सिस्टम 250 से 540 Wh/kg [20] तक विशिष्ट ऊर्जा स्तर प्रदान करते हैं। ईंधन सेल प्रणोदन प्रणाली का अनुप्रयोग विमानन में एक लोकप्रिय शोध विषय है [21]। एक उदाहरण होराइजन एनर्जी सिस्टम्स एयरोस्टैक श्रृंखला [22] है। वायु-ठंडे ईंधन सेलों को अनेक यूएवी [[23], [24], [25], [26], [27]] में सफलतापूर्वक एकीकृत किया गया है।

यूएवी में कम तापमान वाले प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (पीईएमएफसी) स्टैक में हवा को ठंडा करने की प्राथमिकता कड़े वजन और जगह की कमी के कारण उत्पन्न होती है [28]। सैंटोस [29] और बाउकोबेरिन एट अल। [30] क्रमशः लगभग 300 डब्ल्यू और 1400 डब्ल्यू की बिजली मांग के साथ ईंधन सेल संचालित मल्टीरोटर यूएवी के लिए डिजाइन और फॉर्मूलेशन रणनीतियों को विकसित करने के लिए वास्तविक उड़ान परीक्षण डेटा का उपयोग किया गया। ली एट अल. [31] ने बताया कि निष्क्रिय वायु शीतलन, जिसका उपयोग अक्सर 1 से 2 किलोवाट तक की बिजली आवश्यकताओं वाले छोटे - पैमाने के पीईएमएफसी उपकरणों में किया जाता है, में एक ही पंखे का उपयोग करके पूरे स्टैक में प्रतिक्रियाशील और शीतलक हवा दोनों को खींचना और वितरित करना शामिल होता है। इंटेलिजेंट एनर्जी लिमिटेड [32] 4.8 किलोवाट की रेटेड बिजली मांग के साथ यूएवी के लिए वायु ठंडा ईंधन कोशिकाओं के साथ बिजली प्रणाली प्रदान करने का दावा करता है। उपरोक्त से, यह प्रदर्शित किया जा सकता है कि एक फ्री{22}ब्रीदिंग पैसिव-कूल्ड स्टैक को अपनाना संभव है क्योंकि 0 से 4.8 किलोवाट तक की शक्ति वाले ईंधन सेल आमतौर पर प्रशंसकों से सुसज्जित होते हैं जो शीतलन और प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक वायु प्रवाह प्रदान करते हैं।

यद्यपि ऊर्जा घनत्व के मामले में ईंधन कोशिकाओं के फायदे हैं, उनकी गतिशीलता उनके अपेक्षाकृत कम बिजली घनत्व, लंबे समय की देरी और धीमी प्रतिक्रियाओं से बाधित होती है [33]। इसके विपरीत, लिथियम बैटरियां, जिनमें संभावित रूप से लंबी दूरी की क्षमताओं का अभाव होता है, उच्च शक्ति उत्पादन प्रदान कर सकती हैं, और बढ़ी हुई गतिशील प्रतिक्रिया क्षमताएं प्रदान करती हैं, विशेष रूप से उच्च शक्ति परिवर्तनों के दौरान, जैसे कि जब यूएवी तेजी से क्रूज़ से होवर या डिसेंट चरणों में स्विच करता है [34]। इसलिए, ऐसे परिदृश्यों में, हाइब्रिड प्रणोदन प्रणाली बनाने के लिए ईंधन कोशिकाओं के साथ लिथियम बैटरी का संयोजन यूएवी में उच्च ऊर्जा और बिजली घनत्व प्राप्त करने के लिए एक व्यवहार्य रणनीति है [35]। प्रभावी ऊर्जा प्रबंधन रणनीतियाँ हाइब्रिड ईंधन सेल संचालित यूएवी की सीमा और पर्यावरणीय मजबूती को बढ़ाने में योगदान देती हैं [36,37]। इसलिए, कम शक्ति वाले ईंधन सेल यूएवी के लिए, लिथियम बैटरी के साथ मिश्रित वायु ठंडा ईंधन सेल का उपयोग एक व्यवहार्य समाधान है जो अधिकतम सीमा और प्रतिक्रिया समय को संतुलित करता है।

उपरोक्त से, यह स्पष्ट है कि हाइड्रोजन ईंधन सेल और कम ऊंचाई वाली अर्थव्यवस्था तेजी से वैश्विक ध्यान का केंद्र बिंदु बन रही है। हाइड्रोजन ईंधन सेल, अपने बेहतर ऊर्जा घनत्व के साथ, लिथियम बैटरी संचालित यूएवी की कमियों को दूर करने और विमानन उद्योग में डीकार्बोनाइजेशन को बढ़ावा देने के लिए एक समाधान के रूप में उभर रहे हैं। हालाँकि, लिथियम बैटरी संचालित यूएवी में व्यावहारिक अनुप्रयोगों में स्थायित्व की कमी होने के बावजूद, यह दर्शाता है कि ईंधन कोशिकाओं की ऊर्जा घनत्व लिथियम बैटरी की तुलना में अधिक है, अनुसंधान का वर्तमान बड़ा हिस्सा ईंधन सेल संचालित यूएवी की ऊर्जा प्रबंधन रणनीतियों पर केंद्रित है। ये रणनीतियाँ एल्गोरिदम का उपयोग करके विभिन्न बिजली स्रोतों के लिए बिजली आवंटन योजनाओं को प्राप्त करने के लिए इनपुट के रूप में वास्तविक समय बिजली की मांग का उपयोग करती हैं। यह हमारी टीम द्वारा पहले ईंधन सेल संचालित वाहनों [38,39] पर किए गए ऊर्जा प्रबंधन रणनीति अनुसंधान से काफी अलग नहीं है। जटिल सहायक उपकरणों की अनुपस्थिति के कारण, लिथियम बैटरियों में अक्सर छोटी बिजली रेंज के भीतर फायदे होते हैं। वर्तमान में, उस सीमा पर साहित्य की कमी है जिस पर ईंधन सेल हाइब्रिड प्रणोदन प्रणाली लिथियम बैटरी प्रणोदन प्रणाली से बेहतर प्रदर्शन करती है।

इस अध्ययन में, दो मुद्दों पर ध्यान केंद्रित किया गया है जिन्हें ईंधन सेल संचालित यूएवी पर पिछले अध्ययनों में अक्सर अनदेखा कर दिया गया था। सबसे पहले, विशिष्ट मॉडलों और उड़ान प्रोफाइलों के लिए, ईंधन सेल हाइब्रिड प्रणोदन प्रणालियों के साथ लिथियम बैटरी प्रणोदन प्रणालियों को बदलने के लिए सीमा स्थितियों की गणना करने के लिए एक विधि प्रस्तावित की गई थी, जिसमें उस सीमा का निर्धारण किया गया था जिसके भीतर ईंधन कोशिकाएं यूएवी अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त हैं। दूसरा, ईंधन सेल यूएवी अनुप्रयोग परिदृश्यों के अनूठे पहलुओं का विश्लेषण किया जाता है; बिजली मांग पक्ष पर उनका प्रभाव विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

इनपुट के रूप में वास्तविक समय की बिजली मांग का उपयोग करके ऊर्जा प्रबंधन रणनीतियों को तैयार करने की एक शर्त विभिन्न वातावरणों में यूएवी के लिए बिजली की मांग और आपूर्ति में भिन्नता को समझना है, जो रणनीति निर्माण प्रक्रिया के लिए सीमा स्थितियां हैं। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, उच्च ऊंचाई पर काम करने वाले यूएवी को पर्यावरणीय तापमान और वायु घनत्व में परिवर्तन के कारण स्थिर उड़ान बनाए रखने के लिए आमतौर पर अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है [40]। इसके अलावा, ईंधन सेल शीतलन पर ऊंचाई परिवर्तन के प्रभाव पर और अधिक ध्यान देने की आवश्यकता है [41]। ओज़बेक एट अल. [42] उनके समन्वय को सुनिश्चित करने के लिए यूएवी बिजली आवश्यकताओं और तापमान परिवर्तनों पर एक साथ विचार करने की आवश्यकता पर जोर दिया गया। ईंधन सेल प्रणाली यूएवी के धड़ के अंदर स्थित है, जो सीधे बाहर से परिवेशी वायु को अंदर खींचती है, जो सीधे बाहरी पर्यावरणीय कारकों से प्रभावित होती है। एक ओर, वायु घनत्व में कमी से यूएवी की बिजली की मांग में वृद्धि होती है, जिसके परिणामस्वरूप ईंधन सेल स्टैक से गर्मी का निर्वहन बढ़ जाता है। इसके साथ ही, ईंधन सेल स्टैक की गर्मी अपव्यय दर पर्यावरणीय परिवर्तनों के साथ भिन्न हो सकती है, और पतली हवा संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक को कम कर देती है। हालाँकि, बाहरी तापमान में कमी से स्टैक और पर्यावरण के बीच तापमान का अंतर बढ़ जाता है, जो स्टैक और पर्यावरण के बीच ताप विनिमय को बढ़ाने में मदद करता है।

इस पेपर ने अपने अनुसंधान उद्देश्य को 25 किलोग्राम के अधिकतम टेक-ऑफ वजन (MTOW) वाले हेक्साकॉप्टर यूएवी तक सीमित कर दिया और ईंधन सेल संचालित यूएवी पर ऊंचाई के प्रभाव का पता लगाया। ऊर्जा प्रबंधन रणनीतियों को तैयार करने में, अपनाया गया दृष्टिकोण ईंधन सेल प्रणोदन प्रणाली के आउटपुट को अधिकतम करना था, जबकि लिथियम बैटरी को सभी उपलब्ध ऊर्जा का उपयोग करने या सीमा को अधिकतम करने के लिए रणनीतियों को डिजाइन करने के बजाय बिजली की मांगों पर तुरंत प्रतिक्रिया करने की अनुमति देना था। एक साहित्य समीक्षा, सिमुलिंक मॉडलिंग और एएनएसवाईएस सिमुलेशन के माध्यम से, इस अध्ययन का उद्देश्य उस सीमा को स्पष्ट करना है जिसके भीतर यूएवी में ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करना अधिक किफायती विकल्प है, विभिन्न द्रव्यमानों के साथ ईंधन सेल संचालित यूएवी की अधिकतम उड़ान सीमाओं को समझना, ईंधन सेल संचालित यूएवी के लिए अद्वितीय अनुप्रयोग परिदृश्यों के सामने आने वाली चुनौतियों को समझना और संभावित समाधानों की पहचान करना है।

इस पेपर का अनुस्मारक निम्न अनुसार व्यवस्थित हैं। अनुभाग 2 यूएवी बिजली की मांग को मॉडलिंग करने के तरीके, प्रणोदन प्रणाली को डिजाइन करने और मिलान करने के लिए 3 तरीके, गर्मी अपव्यय के लिए वायु स्टोइकोमेट्रिक अनुपात की गणना करने के लिए 4 तरीके, यूएवी बिजली की मांग की गणना करने के लिए वर्तमान तरीके, ईंधन सेल संचालित यूएवी प्रणोदन प्रणाली का मिलान और ईंधन कोशिकाओं को ठंडा करने के लिए आवश्यक वायु प्रवाह की गणना। सिमुलेशन परिणामों पर धारा 5 में चर्चा की गई है। अंत में, धारा 6 में एक चर्चा और निष्कर्ष प्रस्तुत किए गए हैं।