멀티로터 무인 항공기용 연료전지: 에너지 저장 및 성능 분석에 대한 비교 연구 원문보기 KCI 원문보기 인용

2019년 전 세계 이산화탄소 배출량은 9억 2천만 톤에 달했습니다[1]. 모든 운송 수단에서 배출되는 탄소 배출량은 전체 배출량의 약 21%를 차지하며, 항공 산업이 상당한 기여를 하고 있습니다. 현재 항공 배출량은 모든 운송 관련 배출량의 약 12%를 차지하며-항공 등유 연소는 항공 산업 배출량의 79%를 차지합니다. 항공 산업의 전체 배출량 비율은 현재 특별히 중요하지 않은 것처럼 보이지만 항공 등유의 탈탄소화 과정은 다른 운송 부문에 비해 상대적으로 느립니다. Climate Action Tracker는 또한 항공 산업의 탄소 중립 진전을 "불충분"으로 표시했습니다. 다른 산업이 탈탄소화를 수용함에 따라, "감소하기 어려운" 항공과 같은 산업의 상대적 배출량 비율은 필연적으로 증가할 것입니다. 항공 산업의 예상 연간 성장률이 향후 20년 동안 유지된다면 배출량은 2040년까지 11% 증가할 수 있습니다[2]. 2050년까지 우려되는 전망은 전 세계 탄소 배출량의 25%가 항공 산업에서 발생할 수 있다는 것입니다. 결과적으로, 수소 연료 전지, 바이오 연료, 태양광 패널과 같은 대체 에너지원은 항공 분야에서 중요한 연구 주제가 되었습니다[3]. 항공, 특히 민간 항공의 탈탄소화와 전기화는 전 세계적으로 시급한 과제가 되었습니다[4,5].

멀티로터 무인 항공기(UAV)는 항공 산업의 필수적인 부분이며 농업, 임업, 지역 검사 및 단거리-~중간- 고속 운송과 같은 응용 분야에서 널리 사용됩니다[6,7]. 비행 매개 변수 제어, 경로 계획 및 비행 구조 최적화에 중점을 두고 성능을 향상시키기 위한 해당 연구도 급성장하고 있습니다[[8], [9], [10]]. 그러나 현재 사용 가능한 대부분의 상용 멀티로터 UAV의 주요 제한 사항은 리튬 배터리에 대한 의존도입니다. 이러한 UAV는 일반적으로 이륙-질량을 나타냅니다.<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.

현재, 최첨단-최신--리튬-폴리머 배터리는 130~200Wh/kg 범위의 특정 에너지를 제공합니다. 미래 배터리 기술의 잠재력을 고려하면 신기술로 계산된 범위는 250Wh/kg에 이를 것으로 예상됩니다[14,15]. Barkeet al. [16]은 리튬{13}}황 배터리가 직면한 전망과 기술적 과제를 설명했습니다. 400Wh/kg를 초과하는 높은 비에너지 밀도는 기존 배터리에 비해 추진 시스템의 질량을 크게 줄여 리튬{16}}황 배터리의 경쟁력을 높일 수 있지만 평균 수명이 짧아 적용에 방해가 됩니다. Yapet al. [17]은 3D 프린팅과 토폴로지 구조 최적화를 사용한 적층 제조의 조합을 통해 경량 UAV를 탐색했습니다. Yuan et al. [18]은 프로펠러 반경, 프로펠러 속도, 프로펠러 블레이드 수, 코드 너비 및 사전-비틀림 각도와 같은 설계 매개변수가 항공기의 비행 역학 및 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. Adkins-Liebeck 설계 방법을 사용하여 블레이드 설계를 최적화하여 항공기 전력 소비를 약 3% 줄였습니다. Huang et al. [19]는 물류를 위한 UAV 떼의 운송 효율성을 향상시키기 위해 개미 식민지 알고리즘을 기반으로 UAV와 트럭의 결합 함대에 대한 작업 예약 및 경로 계획 방법을 제안했습니다. 이 접근 방식은 배터리 구동 UAV의 작동 범위 반경을 크게 확장했습니다.

그러나 리튬 배터리의 에너지 밀도는 위에서 언급한{0}}방법이 UAV 범위 확장에 상대적으로 제한된 영향을 미친다는 것을 의미합니다. 또한, 추가 질량에 따른 상당한 전력 수요로 인해 단순히 배터리를 추가하는 것만으로는 최대 주행 거리가 실질적으로 확장되지 않습니다. 결과적으로, 특정 에너지를 높이기 위해 파워트레인 개선을 모색해야 할 절박한 필요성이 있습니다.

기존 등유에 비해 에너지 밀도가 3배-더 높은 수소는 잠재적인 장거리 비행 동력 솔루션으로서의 가능성을 갖고 있습니다. 현재 일반적인 연료전지 하이브리드 시스템은 250~540Wh/kg 범위의 특정 에너지 수준을 제공합니다[20]. 연료전지 추진 시스템의 적용은 항공 분야에서 인기 있는 연구 주제입니다[21]. 한 가지 예가 Horizon Energy Systems Aerostack 시리즈[22]입니다. 공랭식 연료 전지는 수많은 UAV [[23], [24], [25], [26], [27]]에 성공적으로 통합되었습니다.

UAV의 저온-양성자 교환막 연료 전지(PEMFC) 스택에서 공랭식을 선호하는 이유는 엄격한 무게와 공간 제약 때문입니다[28]. Santos [29] 및 Boukoberine et al. [30]은 실제 비행 테스트 데이터를 사용하여 각각 약 300W와 1400W의 전력 수요를 갖는 연료 전지 구동 멀티로터 UAV의 설계 및 공식화 전략을 개발했습니다. Lee et al. [31]은 전력 요구 사항이 1~2kW인 소규모 PEMFC 장치에 자주 사용되는 수동 공기 냉각에는 동일한 팬을 사용하여 반응물과 냉각제 공기를 스택 전체에 끌어들이고 분배하는 작업이 포함된다고 지적했습니다. Intelligent Energy Ltd.[32]는 정격 전력 수요가 4.8kW인 UAV용 공랭식 연료 전지를 갖춘 전력 시스템을 제공한다고 주장합니다. 위에서부터 0~4.8kW 범위의 출력을 갖는 연료 전지에는 일반적으로 냉각 및 반응에 필요한 공기 흐름을 제공하는 팬이 장착되어 있기 때문에 자유{22}}호흡 수동-냉각 스택의 채택이 가능하다는 것을 입증할 수 있습니다.

연료전지는 에너지 밀도 측면에서 장점이 있지만 상대적으로 낮은 전력 밀도, 긴 시간 지연 및 느린 응답으로 인해 기동성이 저하됩니다. 이와 대조적으로, 잠재적으로 장거리- 범위 기능이 부족한 리튬 배터리는 더 높은 전력 출력을 제공할 수 있으며, 특히 UAV가 순항에서 호버링 또는 하강 단계로 빠르게 전환할 때와 같은 고전력 과도 상태에서 향상된 동적 응답 기능을 제공할 수 있습니다[34]. 따라서 이러한 시나리오에서는 리튬 배터리와 연료 전지를 결합하여 하이브리드 추진 시스템을 형성하는 것이 UAV에서 높은 에너지 및 출력 밀도를 달성하기 위한 실행 가능한 전략입니다[35]. 효과적인 에너지 관리 전략은 하이브리드 연료 전지 구동 UAV의 범위와 환경 견고성을 확장하는 데 더욱 기여합니다[36,37]. 따라서 저전력-연료 전지 UAV의 경우 공랭식 연료 전지와 리튬 배터리를 혼합하여 사용하는 것이 최대 범위와 응답 시간의 균형을 맞추는 실행 가능한 솔루션입니다.

위에서 볼 때, 수소 연료 전지와 저고도 경제성이 점점 더 세계적인 관심의 초점이 되고 있다는 것이 분명합니다. 뛰어난 에너지 밀도를 갖춘 수소 연료 전지는 리튬 배터리-로 구동되는 UAV의 단점을 해결하고 항공 산업의 탈탄소화를 촉진하기 위한 솔루션으로 떠오르고 있습니다. 그러나 리튬 배터리{4}}로 구동되는 UAV는 실제 응용 분야에서 내구성이 부족하여 연료 전지의 에너지 밀도가 리튬 배터리보다 높다는 것을 나타냄에도 불구하고 현재 대부분의 연구는 연료 전지로 구동되는 UAV의 에너지 관리 전략에 집중되어 있습니다. 이러한 전략은-실시간 전력 수요를 입력으로 사용하여 알고리즘을 사용하여 다양한 전원에 대한 전력 할당 방식을 도출합니다. 이는 이전에 우리 팀이 연료 전지{9}} 구동 차량에 대해 수행한 에너지 관리 전략 연구와 크게 다르지 않습니다[38,39]. 복잡한 액세서리가 없기 때문에 리튬 배터리는 더 작은 전력 범위 내에서 장점을 갖는 경우가 많습니다. 현재 연료전지 하이브리드 추진 시스템이 리튬 배터리 추진 시스템을 능가하는 임계값에 대한 문헌이 부족합니다.

본 연구에서는 연료전지 구동 UAV에 대한 이전 연구에서 종종 간과되었던 두 가지 문제에 초점을 맞췄습니다. 첫째, 특정 모델 및 비행 프로파일에 대해 연료전지가 UAV 응용에 더 적합한 범위를 결정함으로써 리튬 배터리 추진 시스템을 연료전지 하이브리드 추진 시스템으로 교체하기 위한 경계 조건을 계산하는 방법이 제안되었습니다. 둘째, 연료전지 UAV 응용 시나리오의 고유한 측면을 분석합니다. 특히 중요한 것은 전력 수요 측면에 미치는 영향입니다.

실시간 전력 수요를 입력으로 사용하여 에너지 관리 전략을 수립하기 위한 전제 조건 중 하나는 전략 수립 프로세스의 경계 조건인 다양한 환경에서 UAV에 대한 전력 수요 및 공급의 변화를 이해하는 것입니다. 실제 응용 분야에서 높은 고도에서 작동하는 UAV는 일반적으로 환경 온도와 공기 밀도의 변화로 인해 안정적인 비행을 유지하기 위해 더 많은 에너지가 필요합니다[40]. 또한, 연료전지 냉각에 대한 고도 변화의 영향에는 더 많은 주의가 필요합니다[41]. Ozbeket al. [42]는 조정을 보장하기 위해 UAV 전력 요구 사항과 온도 변화를 동시에 고려할 필요성을 강조했습니다. 연료전지 시스템은 무인항공기 동체 내부에 위치하여 외부 공기를 직접 끌어들이는데, 이는 외부 환경 요인의 직접적인 영향을 받습니다. 한편, 공기 밀도의 감소는 무인항공기의 전력 수요 증가로 이어지며, 결과적으로 연료전지 스택의 열 방출이 증가합니다. 동시에, 연료전지 스택의 방열률은 환경 변화에 따라 달라질 수 있으며, 공기가 부족하면 대류 열전달 계수가 감소합니다. 그러나 외부 온도의 감소는 스택과 환경 사이의 온도차를 증가시켜 스택과 환경 사이의 열 교환을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

이 논문에서는 연구 대상을 최대 이륙 중량(MTOW)이 25kg인 헥사콥터 UAV로 제한하고 연료 전지{2}}구동 UAV에 대한 고도의 영향을 조사했습니다. 에너지 관리 전략을 수립할 때, 사용 가능한 모든 에너지를 사용하거나 주행 거리를 최대화하는 전략을 설계하기보다는 리튬 배터리가 전력 수요에 신속하게 대응하면서 연료전지 추진 시스템의 출력을 극대화하는 접근 방식을 취했습니다. 문헌 검토, Simulink 모델링 및 ANSYS 시뮬레이션을 통해 이 연구는 UAV에서 연료 전지를 사용하는 것이 더 경제적인 선택의 범위를 명확히 하고, 다양한 질량을 가진 연료 전지 구동 UAV의 최대 비행 경계를 이해하고, 연료 전지 구동 UAV에 대한 고유한 적용 시나리오가 제기하는 과제를 파악하고, 가능한 솔루션을 식별하는 것을 목표로 합니다.

본 논문의 나머지 부분은 다음과 같이 구성된다. 섹션 2 UAV 전력 수요 모델링 방법, 3 추진 시스템 설계 및 매칭 방법, 4 열 방출을 위한 공기 화학양론비 계산 방법 UAV 전력 수요 계산, 연료 전지{4}} 구동 UAV 추진 시스템 매칭 및 연료 전지 냉각에 필요한 공기 흐름 계산을 위한 현재 방법. 시뮬레이션 결과는 섹션 5에서 논의됩니다. 마지막으로 섹션 6에서 논의와 결론을 제시합니다.