БПЛА переходят на водородное топливо
Новая водородная энергетическая технология может стать коммерческим прорывом для беспилотных летательных аппаратов, проложив путь для разработки мобильных роботов с расширенным диапазоном действия и грузоподъемностью. Компания Doosan Mobility Innovation (DMI), технологический лидер в области топливных элементов и солнечных электростанций, объявила, что успешно использует беспилотные летательные аппараты на водородном топливе для доставки гуманитарной помощи в отдаленные районы. Имея два часа полета (больше, чем большинство беспилотных летательных аппаратов на батарейках), водородные беспилотники перевозили маски и аварийные припасы между Американскими Виргинскими островами и доставляли медикаменты на вершину горы Халласан, самой высокой горы Южной Кореи, расположенной на острове Чеджудо.
DMI накопила многолетние знания в области материалов и систем, связанных с фосфорнокислотными топливными элементами (PAFCs) и протонообменными мембранными топливными элементами (PEMFC), также известными как полимерно-электролитные мембранные топливные элементы (PEM). PEMFC генерируют электроэнергию и работают по принципу, противоположному электролизу, который потребляет электроэнергию. Благодаря этому опыту Doosan разработала мобильный блок питания PEMFC для беспилотных летательных аппаратов.
В интервью EE Times Дживон-Ео, торговый представитель Doosan Mobility Innovation, подчеркнула, что использование водородных беспилотных летательных аппаратов на дальних расстояниях позволяет осуществлять коммерческий мониторинг больших территорий, таких, например, как крупнейшая корейская солнечная электростанция в Соласидо, Хаенам. “При выполнении той же миссии с использованием беспилотника на батарейках потребовалось более шести замен батарей. Благодаря высокой плотности энергии водородного топливного элемента, которая в 3-4 раза выше, чем у традиционных батарей, водородный топливный элемент является более эффективным источником энергии”, - сказала Дживон-Ео.
Разработка водородных энергетических решений охватывает целый ряд технологий - от разработки материалов до оптимизации силовой установки беспилотника. Будучи способными летать до двух часов на одном заряде, беспилотные летательные аппараты на водородных элементах могут охватывать значительно большие объекты за один полет, вместо использования нескольких батарей и нескольких точек запуска. Такие БПЛА также обладают преимуществами в области безопасности персонала и предотвращения несчастных случаев, поскольку воздушное сканирование объектов устраняет необходимость передвижения человека по сложным объектам.
Рис. 1 Пример инспекции солнечных панелей
Водород-самый легкий элемент на Земле. Когда он соединяется с воздухом (кислородом) в атмосфере, образуется вода, что делает водород экологически чистым газом. Усилия по сокращению выброса твердых частиц, снижению опасности ядерной энергетики и парниковых газов во всем мире повышают требования к использованию возобновляемых источников энергии. Таким образом, водород становится наиболее перспективной альтернативной энергией.
Водородный топливный элемент - это устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электричество и тепло без использования тепловых циклов. Водородные (H2) топливные элементы производят электричество и горячую воду из водорода и кислорода. Процесс прямо противоположен электролизу: при расщеплении воды (H2O) на H2 и O2 необходимо подавать ток, обратный процесс производит ток и воду. Обратный электролиз происходит в топливном элементе: водород поступает из бака, а воздух - из окружающей среды.
Дрон питается от электричества, генерируемого в “стеке” с использованием водорода и кислорода, как показано на рис. 2. Как указала Дживон-Ео, стек состоит из нескольких ячеек, состоящих из полимерной электролитной мембраны (ПЭМ) и двух электродов, которые генерируют ионы и электроны через реакцию водорода и реакцию кислорода. Водород сначала сжимается под высоким давлением перед использованием в ячейке, что обеспечивает высокий период подачи. “DMI предоставляет полную водородную систему, в которой заполненные водородом баллоны доставляются на объекты заказчика. Пользователям просто нужно будет заменить водородные баллоны, что займет около минуты”, - сказала Дживон-Ео и добавила: “Наши емкости прошли не только испытания, необходимые для получения сертификации водородных баков, но и различные испытания на летную безопасность.”
Ячейки с полимерной мембраной обладают высокой проводимостью и работают при температурах от 70 до 100°C. Они в основном используются для тяги и мелкомасштабной генерации/когенерации (1- 250 кВт). Камеры сгорания обеспечивают высокую электрическую эффективность, значения которой варьируются от 40 до 60 процентов, в зависимости от используемых температур. Модульность системы позволяет увеличивать мощность. Ячейки могут быть расположены последовательно, образуя “стек”, который может быть собран в модули для получения требуемой мощности.
“Одной из самых больших проблем будет отсутствие водородной инфраструктуры. Мы считаем, что увеличение мобильности водородных топливных элементов, таких как беспилотные летательные аппараты, будет стимулировать рынок. Благодаря местным партнерствам мы построили цепочку поставок водорода в Корею, Китай и США. Мы сотрудничаем с местными газовыми компаниями, чтобы заряжать наши водородные баллоны, которые сертифицированы DOT, TPED и KGS”, - сказала Дживон-Ео.
Рис. 2 Как вырабатывается энергия от топливных элементов
Рис. 3 Сравнение плотности энергии: водородный топливный элемент и литиевая батарея
Питанием БПЛА на водородных элементах управляет 48-вольтовая система, при помощи сети распределенного питания (PDN). При проектировании энергосистемы PDN является одним из наиболее важных элементов из-за нескольких факторов, которые оказывают значительное влияние на выбор конструкции. Эти факторы являются рыночными, а не технологическими. Оптимизация источника питания в конструкции печатной платы является общесистемной проблемой. PDN предназначен для обеспечения определенных уровней напряжения и тока для различных потребителей в системе. Поскольку требования к мощности системы растут, традиционные PDN находятся под огромным давлением, чтобы обеспечить достаточную производительность. Сети PDN на основе нового стандарта, например 48В, состоят из нескольких подсистем.
Система питания DP30 мощностью 2,6 кВт, используемая DMI (рис. 4), имеет две основные группы, которые питают роторы дронов и контроллеры для двух стеков. Благодаря широкому диапазону и переменному выходному напряжению источника питания DP30, от 40 до 74В, выходные блоки питания работают на 48В-12А для двигателей и на 12В-8А для цепей управления и вентиляторов. Структура поддерживается импульсными преобразователями напряжения Vicor RPM топологий buck-boost и ZVS buck.
Рис.4 Устройство системы питания DP30 компании Doosan
“Широкий диапазон напряжения топливных элементов и гибридное подключение к обычной Li-Pol батарее - это ключевая конфигурация нашей системы управления питанием. Это позволяет литиевым батареям автоматически заряжаться от топливных элементов при необходимости или разряжаться, когда топливные элементы нуждаются в дополнительной мощности во время работы дрона. Температурный контроль очень важен для водородного топливного элемента, и у нас для этого есть внутренний охлаждающий вентилятор”, - сказала Дживон-Ео.
DMI планирует диверсифицировать свои продуктовые линейки в зависимости от мощности. Дживон-Ео отметила, что вскоре компания будет разрабатывать продукты с различными мощностями, начиная от блока питания на водородных топливных элементах мощностью 1,5 кВт, который должен быть выпущен в следующем году, и заканчивая блоком питания мощностью 10 кВт, а также будет создавать соответствующие дроны для каждого блока питания.
Увеличенное время полета в сочетании с быстрой дозаправкой открывает широкий спектр новых бизнес-возможностей для компаний, использующих беспилотники для осмотра морских платформ, поисково-спасательных операций, высококачественной аэрофотосъемки, точного земледелия, поставок и многого другого.
Google, Amazon и Alibaba уже экспериментируют с планами запуска службы доставки с использованием беспилотных летательных аппаратов. Если беспилотные летательные аппараты на топливных элементах будут успешными, они могут создать низкоуглеродную систему доставки по всему миру, ограничить загрязнение воздуха и выбросы и заменить автомобильный транспорт. Создание этих воздушных судов должно будет осуществляться в соответствии с правилами воздушного движения, которые должны быть пересмотрены и адаптированы к новым сценариям мобильности. Действительно, безопасность должна быть гарантирована до того, как мириады транспортных средств пересекут небоскребы мегаполисов. Значит, сценарий в фильме 2015 года “Назад в будущее” не так уж далек!
Источник: www.eetimes.com
