মাল্টিরোটার মানবহীন বায়বীয় যানবাহনের জন্য জ্বালানী কোষ: শক্তি সঞ্চয় এবং কর্মক্ষমতা বিশ্লেষণের একটি তুলনামূলক অধ্যয়ন

2019 সালে, বিশ্বব্যাপী কার্বন ডাই অক্সাইড নির্গমন 920 মিলিয়ন টনে পৌঁছেছে [1]। সব ধরনের পরিবহন থেকে কার্বন নির্গমন মোট নির্গমনের প্রায় 21% এর জন্য দায়ী, যার মধ্যে বিমান শিল্প একটি উল্লেখযোগ্য অবদানকারী। বর্তমানে, এভিয়েশন নির্গমন সমস্ত পরিবহন সম্পর্কিত নির্গমনের প্রায় 12% প্রতিনিধিত্ব করে,{7}}এভিয়েশন শিল্পের নির্গমনের 79% এর জন্য এভিয়েশন কেরোসিনের দহন। যদিও এভিয়েশন শিল্প থেকে নির্গমনের সামগ্রিক অনুপাত বর্তমানে বিশেষভাবে তাৎপর্যপূর্ণ মনে নাও হতে পারে, তবে অন্যান্য পরিবহন সেক্টরের তুলনায় এভিয়েশন কেরোসিনের ডিকার্বনাইজেশন প্রক্রিয়া তুলনামূলকভাবে ধীর। ক্লাইমেট অ্যাকশন ট্র্যাকার কার্বন নিরপেক্ষতার ক্ষেত্রে বিমান শিল্পের অগ্রগতিকে "অপ্রতুল" হিসাবে চিহ্নিত করেছে। অন্যান্য শিল্প যেমন ডিকার্বনাইজেশনকে আলিঙ্গন করে, বিমান চলাচলের মতো শিল্পগুলির আপেক্ষিক নির্গমনের ভাগ, যা "কমানো কঠিন", অনিবার্যভাবে বৃদ্ধি পাবে। যদি পরবর্তী 20 বছর ধরে বিমান শিল্পের প্রত্যাশিত বার্ষিক বৃদ্ধির হার অনিয়ন্ত্রিত থাকে, তাহলে 2040 সালের মধ্যে নির্গমন 11% বৃদ্ধি পেতে পারে [2]। 2050 সালের মধ্যে, একটি উদ্বেগজনক সম্ভাবনা হল যে বৈশ্বিক কার্বন নির্গমনের 25% বিমান শিল্প থেকে উদ্ভূত হতে পারে। ফলস্বরূপ, বিকল্প শক্তির উত্স যেমন হাইড্রোজেন জ্বালানী কোষ, জৈব জ্বালানী এবং সৌর প্যানেলগুলি বিমান চালনা খাতে উল্লেখযোগ্য গবেষণার বিষয় হয়ে উঠেছে [3]। এভিয়েশনের ডিকার্বোনাইজেশন এবং বিদ্যুতায়ন, বিশেষ করে সিভিল এভিয়েশন জরুরী বিশ্বব্যাপী বাধ্যতামূলক হয়ে উঠেছে [৪,৫]।

মাল্টিরোটার আনম্যানড এরিয়াল ভেহিকল (ইউএভি) হল এভিয়েশন শিল্পের একটি অবিচ্ছেদ্য অংশ এবং কৃষি, বনায়ন, আঞ্চলিক পরিদর্শন এবং স্বল্প-মাঝারি থেকে-পরিসরের দ্রুত পরিবহন [6,7] এর মতো অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। ফ্লাইট প্যারামিটার নিয়ন্ত্রণ, পথ পরিকল্পনা, এবং ফ্লাইট কাঠামোর অপ্টিমাইজেশানের উপর ফোকাস করে কর্মক্ষমতা বাড়ানোর লক্ষ্যে সংশ্লিষ্ট গবেষণাটিও বেড়ে চলেছে [[8], [9], [10]]৷ যাইহোক, বর্তমানে উপলব্ধ বাণিজ্যিক মাল্টিরোটার ইউএভিগুলির একটি মূল সীমাবদ্ধতা হল লিথিয়াম ব্যাটারির উপর তাদের নির্ভরতা। এই UAV গুলি সাধারণত টেক-বস্তু প্রদর্শন করে<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.

বর্তমানে, রাজ্যের---আর্ট লিথিয়াম-পলিমার ব্যাটারিগুলি 130-200 Wh/kg পরিসরে নির্দিষ্ট শক্তি প্রদান করে৷ ভবিষ্যতের ব্যাটারি প্রযুক্তির সম্ভাব্যতা বিবেচনা করে, নতুন প্রযুক্তির সাথে একটি গণনাকৃত পরিসর 250 Wh/kg এ পৌঁছানো প্রত্যাশিত [14,15]। বার্ক এট আল। [১৬] লিথিয়াম-সালফার ব্যাটারির সম্মুখিন সম্ভাবনা এবং প্রযুক্তিগত চ্যালেঞ্জের রূপরেখা তুলে ধরেন। যদিও একটি উচ্চ নির্দিষ্ট শক্তির ঘনত্ব 400 Wh/kg এর বেশি হলে তা প্রচলিত ব্যাটারির তুলনায় প্রপালশন সিস্টেমের ভরকে উল্লেখযোগ্যভাবে কমাতে পারে, যা লিথিয়াম-সালফার ব্যাটারিকে প্রতিযোগিতামূলক করে তুলবে, তবে তাদের স্বল্প গড় আয়ু তাদের প্রয়োগে বাধা দেয়। ইয়াপ এট আল। [১৭] 3D প্রিন্টিং এবং টপোলজিক্যাল স্ট্রাকচার অপ্টিমাইজেশন ব্যবহার করে অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিংয়ের সংমিশ্রণের মাধ্যমে লাইটওয়েট ইউএভিগুলি অন্বেষণ করা হয়েছে। ইউয়ান এট আল। [18] প্রপেলার ব্যাসার্ধ, প্রপেলারের গতি, প্রপেলার ব্লেডের সংখ্যা, জ্যা প্রস্থ, এবং বিমানের ফ্লাইট গতিবিদ্যা এবং কর্মক্ষমতার উপর প্রি-মোচন কোণের মতো ডিজাইনের পরামিতিগুলির প্রভাব তদন্ত করেছেন। অ্যাডকিন্স-লাইবেক ডিজাইন পদ্ধতি ব্যবহার করে, তারা ব্লেড ডিজাইনকে অপ্টিমাইজ করেছে, যার ফলে বিমানের শক্তি খরচ প্রায় 3% কমে গেছে। হুয়াং এট আল। [১৯] লজিস্টিক্সের জন্য UAV ঝাঁকের পরিবহন দক্ষতা বাড়ানোর জন্য একটি পিঁপড়া কলোনি অ্যালগরিদমের উপর ভিত্তি করে UAV এবং ট্রাকের সম্মিলিত বহরের জন্য একটি টাস্ক শিডিউলিং এবং পথ পরিকল্পনা পদ্ধতির প্রস্তাব করেছে। এই পদ্ধতিটি ব্যাটারি চালিত UAV-এর অপারেশনাল কভারেজ ব্যাসার্ধকে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রসারিত করেছে।

যাইহোক, লিথিয়াম ব্যাটারির শক্তির ঘনত্বের মানে হল যে উপরে উল্লিখিত পদ্ধতিগুলি UAV পরিসর প্রসারিত করার ক্ষেত্রে তুলনামূলকভাবে সীমিত প্রভাব ফেলে। উপরন্তু, অতিরিক্ত ভরের উল্লেখযোগ্য বিদ্যুতের চাহিদার কারণে, কেবলমাত্র আরও ব্যাটারি যোগ করলে সর্বাধিক পরিসর উল্লেখযোগ্যভাবে প্রসারিত হয় না। ফলস্বরূপ, নির্দিষ্ট শক্তি বাড়ানোর জন্য পাওয়ারট্রেনের উন্নতিগুলি অন্বেষণ করার একটি গুরুত্বপূর্ণ প্রয়োজন রয়েছে।

হাইড্রোজেন, ঐতিহ্যগত কেরোসিনের তুলনায় এর তিনগুণ উচ্চতর শক্তির ঘনত্বের সাথে, সম্ভাব্য দীর্ঘ-ফ্লাইট পাওয়ার সলিউশন হিসেবে প্রতিশ্রুতি রাখে। বর্তমানে, সাধারণ ফুয়েল সেল হাইব্রিড সিস্টেম 250 থেকে 540 Wh/kg [20] পর্যন্ত নির্দিষ্ট শক্তির মাত্রা প্রদান করে। ফুয়েল সেল প্রপালশন সিস্টেমের প্রয়োগ বিমান চালনায় একটি জনপ্রিয় গবেষণা বিষয় [২১]। একটি উদাহরণ হরাইজন এনার্জি সিস্টেমস অ্যারোস্ট্যাক সিরিজ [22]। এয়ার-কুলড ফুয়েল সেলগুলিকে সফলভাবে অসংখ্য UAV তে একত্রিত করা হয়েছে [[23], [24], [25], [26], [27]]৷

UAV-তে বাতাসের-নিম্ন তাপমাত্রায় ঠাণ্ডা করার-প্রোটন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন ফুয়েল সেল (PEMFC) স্ট্যাকের জন্য পছন্দ কঠোর ওজন এবং স্থানের সীমাবদ্ধতা থেকে উদ্ভূত হয় [২৮]। সান্তোস [২৯] এবং বোকোবেরিন এট আল। [৩০] ফুয়েল সেল-চালিত মাল্টিরোটার ইউএভিগুলির জন্য যথাক্রমে প্রায় 300 ওয়াট এবং 1400 ওয়াটের পাওয়ার চাহিদা সহ ডিজাইন এবং প্রণয়ন কৌশল বিকাশের জন্য বাস্তব ফ্লাইট পরীক্ষার ডেটা ব্যবহার করেছে। লি এট আল। [৩১] উল্লেখ করেছেন যে প্যাসিভ এয়ার কুলিং, যা প্রায়শই ছোট-স্কেলের PEMFC ডিভাইসগুলিতে 1 থেকে 2 কিলোওয়াট শক্তির প্রয়োজনে ব্যবহৃত হয়, একই ফ্যান ব্যবহার করে স্ট্যাকের জুড়ে বিক্রিয়াক এবং কুল্যান্ট বায়ু উভয়ই অঙ্কন করা এবং বিতরণ করা জড়িত। ইন্টেলিজেন্ট এনার্জি লিমিটেড। উপরোক্ত থেকে, এটি প্রমাণ করা যেতে পারে যে একটি বিনামূল্যে-প্রশ্বাস নেওয়ার প্যাসিভ-ঠান্ডা স্ট্যাক গ্রহণ করা সম্ভব কারণ 0 থেকে 4.8 কিলোওয়াট শক্তির জ্বালানী কোষগুলি সাধারণত ফ্যান দিয়ে সজ্জিত থাকে যা শীতল এবং প্রতিক্রিয়ার জন্য প্রয়োজনীয় বায়ুপ্রবাহ সরবরাহ করে।

যদিও জ্বালানী কোষগুলির শক্তির ঘনত্বের ক্ষেত্রে সুবিধা রয়েছে, তাদের চালচলন তাদের অপেক্ষাকৃত কম শক্তি ঘনত্ব, দীর্ঘ সময় বিলম্ব এবং ধীর প্রতিক্রিয়া দ্বারা বাধাগ্রস্ত হয় [৩৩]। বিপরীতে, লিথিয়াম ব্যাটারি, যার সম্ভাব্য দীর্ঘ-পরিসীমা ক্ষমতার অভাব রয়েছে, উচ্চতর পাওয়ার আউটপুট প্রদান করতে পারে, উন্নত গতিশীল প্রতিক্রিয়া ক্ষমতা প্রদান করে, বিশেষ করে উচ্চ-পাওয়ার ট্রানজিয়েন্টের সময় যেমন একটি UAV দ্রুত ক্রুজ থেকে হভার বা ডিসেন্ট ফেজগুলিতে [34] স্যুইচ করে। অতএব, এই জাতীয় পরিস্থিতিতে, হাইব্রিড প্রপালশন সিস্টেম গঠনের জন্য জ্বালানী কোষের সাথে লিথিয়াম ব্যাটারিগুলিকে একত্রিত করা UAV তে উচ্চ শক্তি এবং শক্তি ঘনত্ব অর্জনের জন্য একটি সম্ভাব্য কৌশল [35]। কার্যকর শক্তি ব্যবস্থাপনা কৌশলগুলি হাইব্রিড ফুয়েল সেল-চালিত UAVs [36,37] এর পরিসর এবং পরিবেশগত দৃঢ়তা প্রসারিত করতে আরও অবদান রাখে। তাই, কম-শক্তির জ্বালানী সেল UAV-এর জন্য, লিথিয়াম ব্যাটারির সাথে মিশ্রিত বায়ু{13}}ঠান্ডা জ্বালানী কোষ ব্যবহার করা হল একটি কার্যকর সমাধান যা সর্বাধিক পরিসর এবং প্রতিক্রিয়া সময়কে ভারসাম্য বজায় রাখে।

উপরোক্ত থেকে, এটা স্পষ্ট যে হাইড্রোজেন জ্বালানী কোষ এবং কম{0}}উচ্চতা অর্থনীতি ক্রমশ বিশ্ব মনোযোগের কেন্দ্রবিন্দু হয়ে উঠছে। হাইড্রোজেন ফুয়েল সেল, তাদের উচ্চতর শক্তির ঘনত্ব সহ, লিথিয়াম ব্যাটারি চালিত UAV-এর ত্রুটিগুলি-এবং এভিয়েশন শিল্পে ডিকার্বনাইজেশনকে উন্নীত করার জন্য একটি সমাধান হিসাবে আবির্ভূত হচ্ছে৷ যাইহোক, লিথিয়াম ব্যাটারি চালিত UAV-এর ব্যবহারিক প্রয়োগে স্থায়িত্বের অভাব থাকা সত্ত্বেও, ইঙ্গিত করে যে জ্বালানী কোষের শক্তির ঘনত্ব লিথিয়াম ব্যাটারির তুলনায় বেশি, বর্তমান গবেষণার বেশিরভাগ অংশ জ্বালানী কোষ চালিত UAV-এর শক্তি ব্যবস্থাপনার কৌশলগুলিতে মনোনিবেশ করে। এই কৌশলগুলি অ্যালগরিদম ব্যবহার করে বিভিন্ন পাওয়ার উত্সের জন্য পাওয়ার বরাদ্দ স্কিমগুলি পেতে একটি ইনপুট হিসাবে বাস্তব-সময়ের পাওয়ার চাহিদা ব্যবহার করে৷ এটি আমাদের টিম দ্বারা ফুয়েল সেল-চালিত যানবাহনের উপর পূর্বে পরিচালিত শক্তি ব্যবস্থাপনা কৌশল গবেষণার থেকে যথেষ্ট আলাদা নয় [৩৮,৩৯]। জটিল আনুষাঙ্গিক অনুপস্থিতির কারণে, লিথিয়াম ব্যাটারির প্রায়শই ছোট পাওয়ার রেঞ্জের মধ্যে সুবিধা থাকে। বর্তমানে, থ্রেশহোল্ডে সাহিত্যের ঘাটতি রয়েছে যেখানে ফুয়েল সেল হাইব্রিড প্রপালশন সিস্টেম লিথিয়াম ব্যাটারি প্রপালশন সিস্টেমকে ছাড়িয়ে যায়।

এই সমীক্ষায়, ফুয়েল সেল-চালিত UAV-এর উপর পূর্ববর্তী গবেষণায় প্রায়শই উপেক্ষা করা দুটি বিষয়ের উপর ফোকাস করা হয়েছে। প্রথমত, নির্দিষ্ট মডেল এবং ফ্লাইট প্রোফাইলের জন্য, ফুয়েল সেল হাইব্রিড প্রপালশন সিস্টেমের সাথে লিথিয়াম ব্যাটারি প্রপালশন সিস্টেম প্রতিস্থাপনের জন্য সীমানা শর্ত গণনা করার জন্য একটি পদ্ধতি প্রস্তাব করা হয়েছিল, যে পরিসীমার মধ্যে জ্বালানী কোষগুলি UAV অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য আরও উপযুক্ত তা নির্ধারণ করে। দ্বিতীয়ত, ফুয়েল সেল ইউএভি অ্যাপ্লিকেশন পরিস্থিতির অনন্য দিকগুলি বিশ্লেষণ করা হয়; বিশেষ করে গুরুত্বপূর্ণ শক্তি চাহিদা দিকে তাদের প্রভাব.

একটি ইনপুট হিসাবে বাস্তব-সময়ের বিদ্যুতের চাহিদা ব্যবহার করে শক্তি ব্যবস্থাপনার কৌশল প্রণয়নের একটি পূর্বশর্ত হল বিভিন্ন পরিবেশে UAV-এর জন্য বিদ্যুতের চাহিদা এবং সরবরাহের তারতম্য বোঝা, যা কৌশল প্রণয়ন প্রক্রিয়ার সীমানা শর্ত। ব্যবহারিক প্রয়োগে, পরিবেশের তাপমাত্রা এবং বায়ুর ঘনত্ব [৪০] পরিবর্তনের কারণে উচ্চ উচ্চতায় পরিচালিত UAV-গুলিকে সাধারণত স্থিতিশীল ফ্লাইট বজায় রাখতে আরও শক্তির প্রয়োজন হয়। উপরন্তু, জ্বালানী কোষ শীতল উপর উচ্চতা পরিবর্তনের প্রভাব আরো মনোযোগ প্রয়োজন [41]। ওজবেক এট আল। [৪২] তাদের সমন্বয় নিশ্চিত করার জন্য UAV শক্তির প্রয়োজনীয়তা এবং তাপমাত্রা পরিবর্তনগুলি একযোগে বিবেচনা করার প্রয়োজনীয়তার উপর জোর দিয়েছে। ফুয়েল সেল সিস্টেমটি UAV-এর ফুসেলেজের ভিতরে অবস্থিত, যা সরাসরি বাইরে থেকে পরিবেষ্টিত বায়ু আঁকতে পারে, যা বাহ্যিক পরিবেশগত কারণগুলির দ্বারা সরাসরি প্রভাবিত হয়। একদিকে, বায়ুর ঘনত্ব হ্রাসের ফলে UAV-এর বিদ্যুতের চাহিদা বৃদ্ধি পায়, যার ফলে ফুয়েল সেল স্ট্যাক থেকে তাপ নিঃসরণ বৃদ্ধি পায়। একই সাথে, জ্বালানী কোষ স্ট্যাকের তাপ অপচয়ের হার পরিবেশগত পরিবর্তনের সাথে পরিবর্তিত হতে পারে এবং পাতলা বাতাস পরিবাহী তাপ স্থানান্তর সহগকে হ্রাস করে। যাইহোক, বাহ্যিক তাপমাত্রা হ্রাস স্ট্যাক এবং পরিবেশের মধ্যে তাপমাত্রার পার্থক্য বাড়ায়, যা স্ট্যাক এবং পরিবেশের মধ্যে তাপ বিনিময়কে উন্নত করতে সহায়তা করে।

এই গবেষণাপত্রটি 25 কেজির সর্বোচ্চ টেক অফ ওয়েট (MTOW) সহ হেক্সাকপ্টার UAV-এর মধ্যে তার গবেষণার বস্তুকে সীমাবদ্ধ করে এবং জ্বালানী সেল-চালিত UAV-এর উপর উচ্চতার প্রভাব অন্বেষণ করে। এনার্জি ম্যানেজমেন্ট কৌশল প্রণয়নের ক্ষেত্রে, গৃহীত পদ্ধতিটি ছিল জ্বালানী সেল প্রপালশন সিস্টেমের আউটপুট সর্বাধিক করা যখন লিথিয়াম ব্যাটারিগুলিকে সমস্ত উপলব্ধ শক্তি ব্যবহার করার কৌশল বা পরিসীমা সর্বাধিক করার জন্য কৌশলগুলি ডিজাইন করার পরিবর্তে বিদ্যুতের চাহিদাগুলিতে দ্রুত সাড়া দেওয়ার অনুমতি দেয়। একটি সাহিত্য পর্যালোচনা, সিমুলিঙ্ক মডেলিং, এবং ANSYS সিমুলেশনের মাধ্যমে, এই অধ্যয়নের লক্ষ্য হল UAV-তে জ্বালানী কোষ ব্যবহার করা আরও অর্থনৈতিক পছন্দের পরিধিকে স্পষ্ট করা, বিভিন্ন ভরের সাথে জ্বালানী সেল-চালিত UAV-এর সর্বোচ্চ ফ্লাইট সীমানা বোঝা, অনন্য প্রয়োগের পরিস্থিতিগুলিকে বুঝতে পারে যেগুলি জ্বালানি, UAV সেল এবং সম্ভাব্য সমাধানের জন্য অনন্য প্রয়োগের পরিস্থিতিগুলি চিহ্নিত করে।

এই কাগজের অবশিষ্টাংশ নিম্নরূপ সংগঠিত হয়. বিভাগ 2 UAV পাওয়ার চাহিদা মডেল করার পদ্ধতি, 3 প্রপালশন সিস্টেম ডিজাইন এবং ম্যাচ করার পদ্ধতি, 4 তাপ অপচয়ের জন্য বায়ু স্টোইচিওমেট্রিক অনুপাত গণনা করার পদ্ধতি UAV পাওয়ার চাহিদা গণনার জন্য বর্তমান পদ্ধতি, জ্বালানী সেল-চালিত ইউএভি প্রোপালশন সিস্টেমের সাথে মিল এবং বায়ু প্রবাহের জন্য প্রয়োজনীয় কোষগুলিকে শীতল করার জন্য। অনুকরণের ফলাফলগুলি 5 অধ্যায়ে আলোচনা করা হয়েছে৷ অবশেষে, একটি আলোচনা এবং উপসংহার 6 তে উপস্থাপন করা হয়েছে৷