O projekcie

Projekt pt.: „Zwiększenie czasu lotu bezzałogowego aparatu latającego (UAV) poprzez  zastosowanie hybrydowego źródła energii” nr POIR.01.01.01-00-0682/17 realizowany w ramach działania 1.1: Projekty B+R przedsiębiorstw, Poddziałanie 1.1.1: Badania przemysłowe i prace rozwojowe realizowane przez przedsiębiorstwa.

Całkowity koszt realizacji Projektu wynosi 1 130 612,83 zł, dofinansowanie Projektu wynosi: 771 414,89 zł

Okres realizacji projektu: 01.11.2017-31.10.2018

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020.


Jednym z najtrudniejszych do rozwiązania problemów w zastosowaniu bezzałogowych aparatów latających (UAV) jest wydłużenie czasu ich lotu. Obecnie długość lotu przeciętnego UAV wykorzystującego baterie elektrochemiczne to od 15 minut do 45 minut. Niniejszy projekt dotyczy zwiększenia czasu lotu wirnikowca- bezzałogowego aparatu latającego (UAV) poprzez zastosowanie hybrydowego źródła energii oraz jego optymalnego sterowania. Jedną z realnych możliwości wydłużenia czasu lotu UAV jest zastosowanie układu zasilającego z wodorowo-tlenowymi ogniwami paliwowymi. Wnioskodawca jest producentem UAV, który posiada czas lotu nie krótszy od 45 minut jednak coraz więcej klientów z sektora rolnictwa, leśnictwa oraz ochrony i monitorowania obiektów wymaga aby czas ten był nie krótszy jak 4 godziny. Projekt będzie realizowany w 4 zadaniach (2 badania przemysłowe i 2 prace rozwojowe). Realizacja projektu potrwa 12 miesięcy, dotyczy on innowacji produktowej i wpisuje się w Krajową Inteligentną Specjalizację(KIS9). Głównym celem projektu jest opracowanie, a następnie wdrożenie do działalności Wnioskodawcy nowego produktu w postaci innowacyjnego źródła energii elektrycznej dedykowanego dla UAV. Przedmiotem projektu jest opracowanie konstrukcji źródła energii dla UAV w postaci zintegrowanego układu baterii oraz ogniwa paliwowego tak aby wydłużyć czas jego lotu do minimum 4 godzin przy zachowaniu masy układu zasilania ok. 4,5 kg.

Koncepcja wielowirnikowowca o układzie x8 z napędem woodrowym

W przypadku rozważanego przez Wnioskodawcę UAV, jak wynika z przeprowadzonych analiz, aby zapewnić jego 4 godzinny lot przy minimalnym obciążeniu instrumentem 1kg potrzeba 4kWh (14,4 MJ) co uzasadnia zastosowanie ogniwa paliwowego jako podstawowego źródła energii w świetle wyników badań przedstawionych w pracy [J. Sisco, P. Robinson, P. Osenar, New fuel cell technologies extended mission for vertical take off and landing unmanned aerial vehicles, AUVSI’S XPOTENTIAL 2017].

Opracowana w wyniku projektu konstrukcja będzie oparta o ogniwo paliwowe typy PEM (ang. Proton exchange membrane) zintegrowane z pakietem baterii litowo polimerowych i elektronicznym układem sterowania źródłem. Takie działanie ma prowadzić do bezpiecznej misji jaką ma zrealizować UAV przy zapewnieniu jak największej żywotności źródła. Ogniwa paliwowe typu PEMFC, jako uzupełnienie pakietu baterii (rozwiązanie klasyczne), wybrano ponieważ charakteryzują się niską temperaturą pracy, krótkim czasem rozruchu, niewielką masą, a także możliwością łatwego dostosowania parametrów elektrycznych (gęstości prądu, mocy oraz napięć) poprzez różne połączenia elektryczne do odbiornika energii. Stos ogniwa paliwowego PEMFC o mocy ok. 1.kW będzie integralnym elementem hybrydowego generatora energii. Będzie on zawierał układy: nawilżania, oczyszczania, chłodzenia, monitoringu temperatury na poszczególnych celach stosu PEMFC i ciśnienia pod jakim dostarczane jest paliwo zasilające. Przy stosie PEMFC zostaną też zainstalowane zminiaturyzowane sensory wodoru, których w trakcie pojawienia się wycieku paliwa zadaniem będzie przekazanie odpowiedniego sygnału do układu kontroli w celu poinformowania operatora o możliwej awarii. Takie rozwiązanie pozwoli na docelowe przesyłanie kompleksowych danych pomiarowych z pracy ogniw PEMFC w różnych fazach lotu i przy różnych misjach. Dane te zostaną wykorzystane do opracowania zintegrowanego systemu zarządzania energią w całej jednostce hybrydowej. W przypadku stosu ogniw paliwowych PEMFC kluczowym zagadnieniem, będzie określenie sprawności wytwarzania energii elektrycznej na podstawie monitorowanego zużycia wodoru w różnych warunkach obciążenia elektrycznego. Rozmieszczenie zminiaturyzowanych czujników temperatury w obrębie pojedynczych ogniw w stosie PEMFC pozwoli na monitorowanie temperatury pracy źródła kontrolując efektywność układu chłodzenia. W proponowanym rozwiązaniu elementy konstrukcyjne UAV, będą tak przekonstruowane aby strumień powietrza od każdego śmigła był częściowo kierowany na stos OP, a przepływ ilościowo będzie regulowany automatyczną zasuwą. Realizacja procesu nawilżania stosu PEMFC będzie realizowana poprzez zaprojektowany układ SCU (ang. short circuit unit, SCU). Sterowanie mocą oraz sterowanie dystrybucją mocy będzie realizował opracowany w ramach projektu układ BMS.

W pierwszej kolejności jako źródło wodoru zostanie zastosowany ultralekki zbiornik ze zgromadzonym gazowym wodorem pod ciśnieniem powyżej 300 bar, zgodny z Europejską Dyrektywą Wodorową. Problem napełniania butli będzie rozwiązany poprzez zastosowanie dostępnego na rynku boostera (na rynku dostępne jest kilka typów umożliwiających ładowanie butli wodorem do 300-350 bar). W ramach projektu zostanie wybrane rozwiązanie optymalne pod kątem technicznym i ekonomicznym. Dla klienta końcowego będzie oferowana usługa ładowania butli, co spowoduje, że producent generatora będzie miał bezpośredni wgląd w stan techniczny butli i zaworów, co z kolei zwiększy bezpieczeństwo eksploatacji UAV z hybrydowym źródłem zasilania. Wykonanie takiej stacji jest konieczne w projekcie ze względu na odmienne standardy połączeń gazowych (np. instalacji wodorowych) w Polsce w odniesieniu do innych regionów świata (Singapur), gdzie istnieje już infrastruktura wodorowa wytworzona na potrzeby zasilania UAV wodorowo-tlenowymi ogniwami paliwowymi. Zaprojektowany dwustopniowy reduktor, będzie miał możliwość pomiaru ciśnienia wodoru w butli oraz przekazywanie w formie sygnału cyfrowego wartości zmierzonego ciśnienia do systemu BMS (Battery Management System) odpowiedzialnego za sterowanie źródłem energii. Na podstawie tego sygnału oraz przewidywanej do realizacji misji, BMS będzie szacował pozostały bezpieczny czas lotu i przekazywał go do stacji naziemnej. Dzięki temu użytkownik będzie mógł odpowiednio korygować misję aby zapewnić bezpieczeństwo lotu UAV. Po uzyskaniu zadawalających rezultatów dotyczących parametrów pracy jednostki hybrydowej z ogniwami paliwowymi podjęte zostaną prace zmierzające do opracowania chemicznego źródła wodoru do zasilania ogniw paliowych.

Dodatkowym zadaniem opracowanego systemu BMS będzie optymalizacja procesu ładowania pakietu baterii oraz sterowanie procesem ich rozładowywania, w taki sposób aby zapewnić możliwie długą żywotność baterii oraz monitorowanie naładowania baterii (SOC) oraz ich stanu (SOH), co jest niezbędne dla szacowania zasobów energii możliwych do uzyskania w czasie planowanych misji. Informacje te w opracowanym rozwiązaniu będą dostępne z poziomu stacji naziemnej. Ładowanie baterii będzie optymalizowane na poziomie doładowania w czasie lotu, z nadmiaru energii produkowanej przez ogniwo paliwowe oraz ładowanie z zasilacza w czasie parkowania UAV. Przewiduje się opublikowanie wyników badania modeli źródeł energii dedykowanych dla UAV oraz porównanie osiągów UAV ze źródłami w postaci pakietów baterii, w postaci ogniw paliwowych i w postaci docelowej, czyli hybrydowego źródła energii. Drugim z tematów, jakie będą opublikowane to wyniki badań zapotrzebowania mocy w różnych fazach lotu, przy uwzględnieniu różnych warunków atmosferycznych. Efektem końcowym projektu będzie opracowanie nowoczesnych technologii zasilania w energię elektryczną, z zastosowaniem hybrydowego źródła energii, bezzałogowych platform latających i zaprezentowanie demonstratorów które pozwolą ocenić stopień osiągania założonych parametrów techniczno–użytkowych. Otrzymane rozwiązania będą gotowe do wdrożenia do seryjnej produkcji. Generalnie projekt będzie polegał na doborze i integracji elementów dostępnych komercyjnie, wprowadzona do źródła energii elektrycznej inteligencja, będzie powodować, że źródło będzie miało charakter innowacyjny o innowacji produktowej na poziomie światowym. Nowy produkt będzie miał modułowy charakter i w zależności od specyfikacji klienta będzie mógł być sprzedawany jako źródło energii dla UAV w postaci; pakietu baterii, ogniwa paliwowego lub źródła hybrydowego. Takie rozwiązanie znacznie zwiększy szanse rynkowe nowego rozwiązania źródła energii dla UAV.