ملٹی روٹر بغیر پائلٹ ہوائی گاڑیوں کے لیے فیول سیلز: انرجی سٹوریج اور کارکردگی کے تجزیہ کا تقابلی مطالعہ

2019 میں، عالمی کاربن ڈائی آکسائیڈ کا اخراج 920 ملین ٹن تک پہنچ گیا [1]۔ نقل و حمل کے تمام طریقوں سے کاربن کا اخراج کل اخراج کا تقریباً 21% ہے، جس میں ہوا بازی کی صنعت ایک اہم شراکت دار ہے۔ فی الحال، ہوابازی کے اخراج تمام نقل و حمل سے متعلق تقریباً 12 % کی نمائندگی کرتے ہیں اگرچہ ہوا بازی کی صنعت سے اخراج کا مجموعی تناسب اس وقت خاصا اہم نہیں لگتا ہے، لیکن ہوابازی کے مٹی کے تیل کی ڈیکاربنائزیشن کا عمل دیگر نقل و حمل کے شعبوں کے مقابلے نسبتاً سست ہے۔ موسمیاتی ایکشن ٹریکر نے کاربن غیرجانبداری میں ہوا بازی کی صنعت کی پیشرفت کو بھی "ناکافی" قرار دیا ہے۔ جیسا کہ دیگر صنعتیں ڈیکاربونائزیشن کو اپناتی ہیں، ہوابازی جیسی صنعتوں کے اخراج کا رشتہ دار حصہ، جسے "کم کرنا مشکل" ہے، لامحالہ بڑھے گا۔ اگر اگلے 20 سالوں تک ہوا بازی کی صنعت کی متوقع سالانہ ترقی کی شرح کو روکا نہیں جاتا ہے، تو 2040 تک اخراج میں 11 فیصد اضافہ ہو سکتا ہے [2]۔ 2050 تک، ایک متعلقہ امکان یہ ہے کہ عالمی کاربن کے اخراج کا 25٪ ہوا بازی کی صنعت سے نکل سکتا ہے۔ نتیجتاً، متبادل توانائی کے ذرائع جیسے کہ ہائیڈروجن فیول سیل، بائیو فیول، اور سولر پینل ایوی ایشن کے شعبے میں اہم تحقیقی موضوعات بن چکے ہیں [3]۔ ہوا بازی کا ڈیکاربونائزیشن اور برقی کاری، خاص طور پر شہری ہوا بازی، فوری عالمی ضروریات بن چکے ہیں [4,5]۔

ملٹی روٹر بغیر پائلٹ ہوائی گاڑیاں (UAVs) ہوا بازی کی صنعت کا ایک لازمی حصہ ہیں اور زراعت، جنگلات، علاقائی معائنہ، اور مختصر-سے درمیانے درجے کی رینج کی تیز رفتار نقل و حمل [6,7] جیسی ایپلی کیشنز میں وسیع پیمانے پر استعمال ہوتی ہیں۔ متعلقہ تحقیق جس کا مقصد پرواز کے پیرامیٹرز کے کنٹرول، راستے کی منصوبہ بندی، اور پرواز کے ڈھانچے کی اصلاح پر توجہ مرکوز کرتے ہوئے کارکردگی کو بڑھانا ہے، بھی تیزی سے بڑھ رہی ہے [[8], [9], [10]]۔ تاہم، فی الحال دستیاب کمرشل ملٹیروٹر UAVs کی ایک اہم حد ان کا لیتھیم بیٹریوں پر انحصار ہے۔ یہ UAVs عام طور پر بڑے پیمانے پر ٹیک آف-کی نمائش کرتے ہیں۔<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.

فی الحال، ریاست-کی--آرٹ لتیم-پولیمر بیٹریاں 130–200 Wh/kg کی حد میں مخصوص توانائی فراہم کرتی ہیں۔ مستقبل کی بیٹری ٹیکنالوجیز کے امکانات کو مدنظر رکھتے ہوئے، نئی ٹیکنالوجیز کے ساتھ 250 Wh/kg تک پہنچنے والی ایک حسابی حد متوقع ہے [14,15]۔ Barke et al. [16] نے لیتھیم-سلفر بیٹریوں کو درپیش امکانات اور تکنیکی چیلنجوں کا خاکہ پیش کیا۔ اگرچہ 400 Wh/kg سے زیادہ مخصوص توانائی کی کثافت روایتی بیٹریوں کے مقابلے پروپلشن سسٹم کے بڑے پیمانے کو کم کر سکتی ہے، جو لیتھیم-سلفر بیٹریوں کو مسابقتی بناتی ہے، لیکن ان کی مختصر اوسط زندگی ان کے استعمال میں رکاوٹ بنتی ہے۔ یاپ وغیرہ۔ [17] نے 3D پرنٹنگ اور ٹاپولوجیکل ڈھانچے کی اصلاح کا استعمال کرتے ہوئے اضافی مینوفیکچرنگ کے امتزاج کے ذریعے ہلکے وزن والے UAVs کو دریافت کیا۔ یوآن وغیرہ۔ [18] نے ڈیزائن کے پیرامیٹرز جیسے پروپیلر کا رداس، پروپیلر کی رفتار، پروپیلر بلیڈ کی تعداد، راگ کی چوڑائی، اور پرواز کی حرکیات اور ہوائی جہاز کی کارکردگی پر پہلے سے- موڑ کے زاویے کے اثرات کی چھان بین کی۔ Adkins-لائبیک ڈیزائن کا طریقہ استعمال کرتے ہوئے، انہوں نے بلیڈ ڈیزائن کو بہتر بنایا، جس کے نتیجے میں ہوائی جہاز کی بجلی کی کھپت میں تقریباً 3% کی کمی واقع ہوئی۔ ہوانگ وغیرہ۔ [19] نے لاجسٹکس کے لیے UAV swarms کی نقل و حمل کی کارکردگی کو بڑھانے کے لیے ایک اینٹ کالونی الگورتھم کی بنیاد پر UAVs اور ٹرکوں کے مشترکہ بیڑے کے لیے ایک ٹاسک شیڈولنگ اور پاتھ کی منصوبہ بندی کا طریقہ تجویز کیا۔ اس نقطہ نظر نے بیٹری سے چلنے والے UAVs کے آپریشنل کوریج کے رداس کو نمایاں طور پر بڑھا دیا۔

تاہم، لیتھیم بیٹریوں کی توانائی کی کثافت کا مطلب ہے کہ مذکورہ بالا-طریقوں کا UAV رینج کو بڑھانے پر نسبتاً محدود اثر پڑتا ہے۔ مزید برآں، اضافی ماس کی اہم پاور ڈیمانڈ کی وجہ سے، محض زیادہ بیٹریاں شامل کرنے سے زیادہ سے زیادہ رینج میں خاطر خواہ توسیع نہیں ہوتی۔ نتیجتاً، مخصوص توانائی کو بڑھانے کے لیے پاور ٹرین میں بہتری کو تلاش کرنے کی سخت ضرورت ہے۔

ہائیڈروجن، روایتی مٹی کے تیل کے مقابلے اس کی تین-گنا زیادہ توانائی کی کثافت کے ساتھ، ایک ممکنہ طویل-فلائٹ پاور حل کے طور پر وعدہ کرتا ہے۔ فی الحال، عام فیول سیل ہائبرڈ سسٹمز 250 سے 540 Wh/kg تک مخصوص توانائی کی سطح فراہم کرتے ہیں [20]۔ فیول سیل پروپلشن سسٹم کا اطلاق ہوا بازی میں ایک مقبول تحقیقی موضوع ہے [21]۔ ایک مثال Horizon Energy Systems Aerostack سیریز ہے [22]۔ ایئر-ٹھنڈے ایندھن کے خلیات کو متعدد UAVs میں کامیابی کے ساتھ مربوط کیا گیا ہے [[23], [24], [25], [26], [27]]۔

UAVs میں ہوا کے-کم درجہ حرارت میں ٹھنڈک-پروٹون ایکسچینج میمبرین فیول سیل (PEMFC) اسٹیک کی ترجیح سخت وزن اور جگہ کی رکاوٹوں سے پیدا ہوتی ہے [28]۔ سینٹوس [29] اور بوکوبیرین وغیرہ۔ بالترتیب تقریباً 300 W اور 1400 W کی پاور ڈیمانڈ کے ساتھ فیول سیل- پاورڈ ملٹی روٹر UAVs کے لیے ڈیزائن اور فارمولیشن کی حکمت عملی تیار کرنے کے لیے حقیقی فلائٹ ٹیسٹ ڈیٹا کا استعمال کیا۔ لی وغیرہ۔ [31] نے نشاندہی کی کہ غیر فعال ایئر کولنگ، جو اکثر چھوٹے پیمانے پر PEMFC آلات میں 1 سے 2 کلو واٹ تک بجلی کی ضروریات کے ساتھ استعمال ہوتی ہے، ایک ہی پنکھے کا استعمال کرتے ہوئے ری ایکٹنٹ اور کولنٹ ایئر دونوں کو اسٹیک میں کھینچنا اور تقسیم کرنا شامل ہے۔ Intelligent Energy Ltd. [32] 4.8 kW کی ریٹیڈ پاور ڈیمانڈ کے ساتھ UAVs کے لیے ہوا کے ٹھنڈے ایندھن کے خلیوں کے ساتھ پاور سسٹم فراہم کرنے کا دعویٰ کرتا ہے۔ مندرجہ بالا سے، یہ ظاہر کیا جا سکتا ہے کہ مفت-سانس لینے کے غیر فعال-ٹھنڈے اسٹیک کو اپنانا ممکن ہے کیونکہ 0 سے 4.8 کلو واٹ تک کی طاقتوں والے ایندھن کے خلیات عام طور پر پنکھوں سے لیس ہوتے ہیں جو ٹھنڈک اور ردعمل کے لیے ضروری ہوا کا بہاؤ فراہم کرتے ہیں۔

اگرچہ ایندھن کے خلیوں کو توانائی کی کثافت کے لحاظ سے فوائد حاصل ہوتے ہیں، لیکن ان کی چالاکیت ان کی نسبتاً کم طاقت کی کثافت، طویل وقت کی تاخیر، اور سست ردعمل کی وجہ سے متاثر ہوتی ہے [33]۔ اس کے برعکس، لیتھیم بیٹریاں، جن میں ممکنہ طور پر طویل-رینج کی صلاحیتوں کی کمی ہوتی ہے، زیادہ پاور آؤٹ پٹ فراہم کر سکتی ہے، جس سے بہتر متحرک ردعمل کی صلاحیتیں فراہم کی جا سکتی ہیں، خاص طور پر ہائی-پاور ٹرانزینٹس کے دوران جیسے کہ جب UAV تیزی سے کروز سے ہوور یا نزول کے مراحل [34] میں بدل جاتا ہے۔ لہذا، ایسے حالات میں، لتیم بیٹریوں کو ایندھن کے خلیوں کے ساتھ ملا کر ہائبرڈ پروپلشن سسٹم بنانا UAVs میں اعلی توانائی اور طاقت کی کثافت حاصل کرنے کے لیے ایک قابل عمل حکمت عملی ہے [35]۔ توانائی کے انتظام کی موثر حکمت عملی ہائبرڈ فیول سیل-طاقت سے چلنے والے UAVs [36,37] کی حد اور ماحولیاتی مضبوطی کو بڑھانے میں مزید معاون ہے۔ اس لیے، کم-پاور فیول سیل UAVs کے لیے، لیتھیم بیٹریوں کے ساتھ ملا ہوا ہوا-ٹھنڈا ایندھن سیل استعمال کرنا ایک قابل عمل حل ہے جو زیادہ سے زیادہ رینج اور رسپانس ٹائم کو متوازن رکھتا ہے۔

اوپر سے، یہ واضح ہے کہ ہائیڈروجن ایندھن کے خلیات اور کم-اقتصادیات تیزی سے عالمی توجہ کا مرکز بن رہے ہیں۔ ہائیڈروجن ایندھن کے خلیے، اپنی اعلیٰ توانائی کی کثافت کے ساتھ، لیتھیم بیٹری سے چلنے والی UAVs کی خامیوں کو دور کرنے اور ہوا بازی کی صنعت میں ڈیکاربونائزیشن کو فروغ دینے کے حل کے طور پر ابھر رہے ہیں۔ تاہم، عملی ایپلی کیشنز میں لتیم بیٹری سے چلنے والے UAVs میں پائیداری کی کمی کے باوجود، یہ ظاہر کرتا ہے کہ ایندھن کے خلیوں کی توانائی کی کثافت لیتھیم بیٹریوں سے زیادہ ہے، موجودہ تحقیق کا زیادہ تر حصہ ایندھن کے سیل سے چلنے والے UAVs کی توانائی کے انتظام کی حکمت عملیوں پر مرکوز ہے۔ یہ حکمت عملی الگورتھم کا استعمال کرتے ہوئے مختلف پاور سورسز کے لیے پاور ایلوکیشن اسکیم حاصل کرنے کے لیے حقیقی وقت کی پاور ڈیمانڈ کو بطور ان پٹ استعمال کرتی ہے۔ یہ توانائی کے انتظام کی حکمت عملی کی تحقیق سے کافی مختلف نہیں ہے جو اس سے قبل ہماری ٹیم کی طرف سے فیول سیل-طاقت سے چلنے والی گاڑیوں پر کی گئی تھی [38,39]۔ پیچیدہ لوازمات کی عدم موجودگی کی وجہ سے، لتیم بیٹریاں اکثر چھوٹے پاور رینج میں فوائد رکھتی ہیں۔ فی الحال، اس دہلیز پر لٹریچر کی کمی ہے جس پر فیول سیل ہائبرڈ پروپلشن سسٹم لیتھیم بیٹری پروپلشن سسٹم کو پیچھے چھوڑ دیتے ہیں۔

اس مطالعہ میں، ایندھن کے سیل- سے چلنے والے UAVs کے بارے میں پچھلے مطالعات میں دو مسائل پر توجہ مرکوز کی گئی ہے۔ سب سے پہلے، مخصوص ماڈلز اور فلائٹ پروفائلز کے لیے، لیتھیم بیٹری پروپلشن سسٹم کو فیول سیل ہائبرڈ پروپلشن سسٹمز کے ساتھ تبدیل کرنے کے لیے حدود کے حالات کا حساب لگانے کے لیے ایک طریقہ تجویز کیا گیا تھا، اس حد کا تعین کرتے ہوئے کہ جس کے اندر فیول سیلز UAV ایپلی کیشنز کے لیے زیادہ موزوں ہیں۔ دوسرا، فیول سیل UAV ایپلیکیشن کے منظرناموں کے منفرد پہلوؤں کا تجزیہ کیا جاتا ہے۔ خاص طور پر اہم پاور ڈیمانڈ سائیڈ پر ان کا اثر ہے۔

توانائی کے انتظام کی حکمت عملیوں کو ان پٹ کے طور پر استعمال کرتے ہوئے توانائی کے انتظام کی حکمت عملی بنانے کی ایک شرط یہ ہے کہ مختلف ماحول میں UAVs کے لیے پاور ڈیمانڈ اور سپلائی میں فرق کو سمجھنا ہے، جو کہ حکمت عملی بنانے کے عمل کے لیے حدود کی شرائط ہیں۔ عملی ایپلی کیشنز میں، اونچائی پر کام کرنے والے UAVs کو عام طور پر ماحولیاتی درجہ حرارت اور ہوا کی کثافت میں تبدیلی کی وجہ سے مستحکم پرواز کو برقرار رکھنے کے لیے زیادہ توانائی کی ضرورت ہوتی ہے [40]۔ اس کے علاوہ، فیول سیل کولنگ پر اونچائی میں ہونے والی تبدیلیوں کے اثرات پر مزید توجہ کی ضرورت ہے [41]۔ اوزبیک وغیرہ۔ [42] ان کے ہم آہنگی کو یقینی بنانے کے لئے UAV بجلی کی ضروریات اور درجہ حرارت کی تبدیلیوں پر بیک وقت غور کرنے کی ضرورت پر زور دیا۔ ایندھن کے سیل کا نظام UAV کے جسم کے اندر واقع ہے، باہر سے محیطی ہوا کو براہ راست کھینچتا ہے، جو بیرونی ماحولیاتی عوامل سے براہ راست متاثر ہوتا ہے۔ ایک طرف، ہوا کی کثافت میں کمی UAVs کی بجلی کی طلب میں اضافے کا باعث بنتی ہے، جس کے نتیجے میں فیول سیل اسٹیک سے گرمی کے اخراج میں اضافہ ہوتا ہے۔ اس کے ساتھ ہی، ایندھن کے سیل اسٹیک کی گرمی کی کھپت کی شرح ماحولیاتی تبدیلیوں کے ساتھ مختلف ہو سکتی ہے، اور پتلی ہوا حرارت کی منتقلی کے قابلیت کو کم کر دیتی ہے۔ تاہم، بیرونی درجہ حرارت میں کمی اسٹیک اور ماحول کے درمیان درجہ حرارت کے فرق کو بڑھاتا ہے، جو اسٹیک اور ماحول کے درمیان گرمی کے تبادلے کو بڑھانے میں مدد کرتا ہے۔

اس مقالے نے 25 کلوگرام کے زیادہ سے زیادہ ٹیک آف ویٹ (MTOW) کے ساتھ اپنے تحقیقی مقصد کو ہیکسا کاپٹر UAVs تک محدود رکھا اور فیول سیل- سے چلنے والے UAVs پر اونچائی کے اثرات کو دریافت کیا۔ توانائی کے انتظام کی حکمت عملیوں کی تشکیل میں، جو طریقہ اختیار کیا گیا وہ فیول سیل پروپلشن سسٹم کی پیداوار کو زیادہ سے زیادہ کرنا تھا جبکہ لیتھیم بیٹریوں کو تمام دستیاب توانائی کو استعمال کرنے یا حد کو زیادہ سے زیادہ استعمال کرنے کے لیے حکمت عملی تیار کرنے کے بجائے بجلی کی طلب کا فوری جواب دینے کی اجازت دی گئی۔ ایک لٹریچر ریویو، Simulink ماڈلنگ، اور ANSYS سمولیشن کے ذریعے، اس مطالعہ کا مقصد اس حد کو واضح کرنا ہے جس کے اندر UAVs میں فیول سیلز کا استعمال ایک زیادہ معاشی انتخاب ہے، مختلف ماسز کے ساتھ فیول سیل-طاقت سے چلنے والے UAVs کی زیادہ سے زیادہ پرواز کی حدود کو سمجھیں، ان چیلنجوں کو سمجھیں جو منفرد ایپلیکیشن منظرنامے ایندھن کے لیے لاحق ہیں اور UAVs کے ممکنہ حل کی شناخت کرتے ہیں۔

اس مقالے کا بقیہ حصہ حسب ذیل ترتیب دیا گیا ہے۔ سیکشنز 2 UAV پاور ڈیمانڈ کی ماڈلنگ کے طریقے، 3 پروپلشن سسٹم کو ڈیزائن اور میچ کرنے کے طریقے، 4 ہیٹ ڈسپیپشن کے لیے ایئر سٹوچیومیٹرک ریشو کا حساب لگانے کا طریقہ UAV پاور ڈیمانڈ کا حساب لگانے کے موجودہ طریقے، ایندھن کے سیل-طاقت سے چلنے والے UAV پروپلشن سسٹم کو ملانا اور ہوا کے بہاؤ کو ٹھنڈا کرنے کے لیے درکار سیل۔ نقلی نتائج پر سیکشن 5 میں بحث کی گئی ہے۔ آخر میں، سیکشن 6 میں ایک بحث اور نتائج پیش کیے گئے ہیں۔