Moderne letjelice u hitnim slučajevima, poput slučaja gubitka snage, koriste zračne turbine, poznatije pod nazivom RAT (engl. Ram Air Turbines). To su male turbine, povezane s hidrauličnom pumpom ili električnim generatorom, koje se koriste kao izvor dodatne energije. One generiraju električnu energiju i/ili hidraulični tlak putem pritiska zraka koji kruži oko zrakoplova u letu. Također one ovisi i o brzini letjelice. Budući da postoji potencijalna opasnost od preopterećenja takvih sustava pri nižim brzinama kada je zahtijevana snaga trošila približna nuli, potrebno je osigurati robusniji sustav za hitne slučajeve u svrhu sigurnog slijetanja letjelice. U ovom seminarskom radu promatrat će se integracija pomoćnih hibridnih sustava napajanja koja zamjenjuju postojeće RAT sustave za hitne slučajeve. Takvi hibridni sustavi temelje se na korištenju gorivnih ćelija (engl. Fuel Cell) za koje se drži da mogu zamijeniti RAT sustave. Uz to mogu i ponuditi drastično smanjenje emisije štetnih plinova.
No, unatoč svom potencijalu ove tehnologije, postoji ograničenje radi njihovih slabijih unutarnjih karakteristika, odnosno slabijeg odziva na trenutne zahtjeve snaga. Stoga se gorivne ćelije moraju koristiti zajedno s drugim izvorima energije pa im se u tu svrhu dodaju Li-ion (Litij-ionske) baterije i superkondenzatori (engl. Supercapacitor) što onda predstavlja hibridni sustav za opskrbu energijom odnosno to su onda hibridne letjelice. Zbog toga se ovakve letjelice nazivaju električnim letjelicama (engl. More Electric Aircraft ili kraće MEA). S vremenom se pokušavalo poboljšati efikasnost sustava smanjenjem dimenzija i cijene samih gorivnih ćelija u svrhu produljenja vijeka trajanja i povećanja energetske kapacitivnosti te sposobnosti samih sustava opskrbe energijom, ali ipak se ovakav hibridni sustav napajanja pokazao boljim. Kako prema zahtjevima hitne misije letjelica, zahtjevi vezani za opskrbu snagom uključuju važne brze izmjene snage u kratkim vremenskim intervalima, u tu svrhu koriste se superkondenzatori koji su se pokazali najboljima za tu primjenu.
Model Hibridnog sustava u MEA
Na slici ispod prikazan je alternativni model sustava za napajanje u nuždi koji se temelji na upotrebi gorivnih ćelija, Li-ion baterija i superkondenzatora, a dizajniran je na temelju profila za hitne misije u bombarderskim letjelicama.
Ovaj hibridni sustav sadrži gorivne ćelije (engl. Fuell Cell Power Module ili kraće FCPM) s nominalnom snagom od 10 kW (12.5 kW vršna vrijednost) te s mogućnosti razmjene protona u rasponu od 30-60 V. Sadrži sustav Litij-ionskih baterija koji daje napajanje od 48 V te ima kapacitet od 40 Ah. Koristi 6 ćelija superkondenzatora spojenih u seriju koje daju napajanje od 291.6 V (48.6 V svaka) te imaju ukupni kapacitet od 15.6 F. Koriste se dva DC/DC uzlazna pretvarača (engl. Boost Converter) od 4 kW za pražnjenje baterija odnosno gorivnih ćelija te jedan DC/DC silazni pretvarač (engl. Buck Converter) od 1.2 kW za punjenje baterija. U svrhu smanjenja težine sustava moguće je koristiti i jedan bidirekcijski pretvarač za baterije i superkondenzatore.
Bidirekcijski pretvarač je kombinacija silaznog i uzlaznog pretvarača. Kada je aktivna snaga prenesena sa ulazne strane, prosječna struja opterećenja je pozitivna (silazni pretvarač). Kada se aktivna snaga prenosi u suprotnom smjeru od strane opterećenja na ulaznoj strani, struja je negativna (uzlazni pretvarač). Korištenje bidirekcijskog DC/DC pretvarača omogućuje da možemo kontrolirati struju koja ide u oba smjera. Ovo je najjednostavnija struktura za implementaciju jer se sa stajališta upravljanja strujom može vrlo precizno pratiti svaki izvor energije budući da se izlazni napon ovih pretvarača regulira ograničenjem struje. Stoga, ovisno o zahtjevima željene snage koju možemo označiti kao , snaga se djelomično može dobiti iz gorivnih ćelija (), baterija () te superkondenzatora (). U svakom trenutku mora vrijediti ravnoteža dovedenih snaga na istosmjernu sabirnicu.
Opis načina rada
Za spajanje na trofazno izmjenično opterećenje koristi se izmjenjivač (15kVA, 270V DC, 270 V AC, 400Hz). Pri tomu se u svrhu oponašanja profila za hitne slučajeve, trofazno opterećenje implementira s promjenjivom snagom te promjenjivim faktorom snage. Također se koristi i zaštitni otpornik s ograničenjem na 15 kW u svrhu izbjegavanja prekomjernog punjenja kondenzatora i baterija. Sustav upravljanja energijom (engl. Energy Management Strategy) kontrolira, odnosno raspodjeljuje snagu svakom energetskom uređaju ovisno o odabranoj strategiji upravljanja. To je strategijski blok čija je glavna zadaća korektno upravljati hibridnim sustavom napajanja te osigurati kontinuirani i sigurni rad sustava. EMS kontrolira gorivne ćelije kako bi zadovoljile zahtjeve prosječne snage u dužem vremenskom period. Uz to kontrolira i baterije potpomognute superkondenzatorima tako da zadovoljavaju prolazne kratkotrajne zahtjeve za energijom u hitnim slučajevima. Pri tome između ostalog uzima u obzir sporu dinamiku (spori odziv) gorivnih ćelija i baterija kako bi im se produljio vijek trajanja.
Strategije upravljanja
Ovi zahtjevi mogu varirati ovisno o zadanoj hitnoj misiji te samoj letjelici. U ovom simulacijskom modelu moguće je izabrati između 5 različitih strategija unutar EMS bloka. To su redom strategije upravljanja ovisno o stanja stroja, klasičnim PI regulatorima, o stanju stroja i razdvajanju frekvencija, minimiziranja ekvivalenta potrošnje (ECMS) te maksimiziranja vanjske energije (EEMS). U ovom simulacijskom modelu koristi se kaskadna struktura s regulacijom napona istosmjerne sabirnice. Postoje još serijska i paralelna struktura koja ima mnogo prednosti. Ovakav način rada dobro je prilagođen i daje zadovoljavajuće karakteristike u pogledu kvalitete napajanja i upravljanja energijom. S tehnikom odvajanja frekvencija moguće je odvojiti snagu gorivnih ćelija. Pomoću EMS-a se dijeli zahtijevana snaga na dijelove ovisno o frekvenciji.
Korištenjem Butterworthovog NP filtra drugog reda s graničnom frekvencijom od 50 Hz, moguće je zahtijevanu snagu dijeliti ovisno o frekvenciji. Niske se frekvencije dobivaju se od gorivnih ćelija dok se visoke frekvencije apsorbiraju iz superkondenzatora i baterija. EMS određuje radnu točku svakog pretvarača, a u slučaju nepoznatog opterećenja, svaka promjena snage trošila mijenja napon na istosmjernoj sabirnici. To se dovodi EMS-u da bi izvršio estimaciju snage trošilima. Pri tome istosmjerni napon sa pretvarača mora pratiti napon sabirnice i omogućiti generiranje estimirane struje opterećenja.
Hibridni sustav napajanja
Temeljne karakteristike komponenti hibridnog sustava napajanja temelje se na dva osnovna svojstva, specifičnoj gustoći snage i energije. Specifična gustoća energije sustava je definirana kao količina energije (Wh) koja je pohranjena u sustavu po jedinici mase (kg). Specifična gustoća snage sustava je definirana kao iznos snage (W) koju sustav može isporučiti po jedinici mase (kg). Pregled osnovnih svojstava komponenti najbolje prikazuje Ragoneov dijagram prikazan na slici ispod. Gorivne ćelije imaju najveću gustoću energije do 1 kWh/kg s vremenom rada (engl. Run time) iznad 10 sati. Ipak njihova je gustoća snage vrlo mala u rasponu od 10 do 20 W/kg. Baterije imaju gustoću energije oko 10 Wh/kg, vrijeme rada od 1 sata te gustoću snage u rasponu od 10 do 200 Wh/kg. Budući da baterije imaju visoku energijsku gustoću, ali ograničenu gustoću snage sposobne su za dobavu snage za pokretanje motora. Međutim, nije moguće to učiniti u kratkom vremenskom periodu.
Suprotno tome, superkondenzatori imaju nisku energijsku gustoću i kraće vrijeme rada, ali njihova gustoća snage može doseći čak i do 5 kW/kg. Zbog toga superkondenzatori integrirani u sustav napajanja, zajedno s gorivnim ćelijama i baterijama, mogu povećati gustoću snage energetskog sustava. Također tako mogu i zaštititi baterije i gorivne ćelije od visokih napona. Dakle, hibridnim spojem navedenih komponenti moguće je smanjiti gubitke sustava i povećati učinkovitost. To doprinosi duljem životnom vijeku i nižoj radnoj temperaturi svih komponenata.
Spremnici energije
Gorivne ćelije ili gorivni članci su elektrokemijski uređaji koji pretvaraju energiju pohranjenu u kemijskom obliku, u električnu energiju. U ovom simulacijskom modelu koriste se polimerne gorivne ćelije (engl. Polymer electrolite membrane fuel cell ili kraće PEMFC) koje imaju najveću gustoću snage te mogućnost zaustavljanja i ponovnog pokretanja kemijske reakcije. U njima se vodikovi ioni koriste kao nositelji pozitivnog naboja, a budući da brzina njihova prolaska kroz elektrolit utječe na strujno-naponske karakteristike gorivne ćelije, cilj je reducirati duljinu njihova puta pa se nastoji smanjiti dimenzija samih ćelija. PEMFC daju mogućnost kontrole izlazne snage pa je stoga primjena u ovakvom hibridnom sustavu napajanja opravdana.
Uz PEMFC u ovom simulacijskom modelu koriste se i Litij-ionske baterije s visokom specifičnom energijom (300 do 400 kW/m3) te specifičnom snagom do 130 kW/t. Djelotvornost punjenja i pražnjenja ovakvih baterija dostiže i do 100 %. Imaju dug životni vijek do čak 3000 ciklusa punjenja i pražnjenja. Ipak, na većim snagama one zahtijevaju složen sustav hlađenja te zahtijevaju zaštitu od prekomjernog punjenja jer bi u suprotnom došlo do gomilanja litija na negativnoj elektrodi i mogućnosti eksplozije. U danom modelu zaštita od eksplozije stvara se korištenjem već navedenog zaštitnog otpornika, a za veće snage izbjegava se upotreba baterija korištenjem superkondenzatora.
U slučajevima kada baterija koja ima malu gustoću snage mora dati veliku količinu snage u kratkim vremenskim intervalima, pad napona baterije bude prevelik te na trošilu bude manji napon od zahtijevanog i stvara se veće opterećenje na bateriju te joj se time smanjuje životni vijek trajanja. Stoga se u tom slučaju koriste superkondenzatori. Dakle, superkondenzatori se koriste kao sekundarni izvor energije kada baterije ne mogu dovoljno brzo dati energiju trošilu. Na taj se način poboljšava upravljivost u paralelnom spoju superkondenzatora i baterije.
Superkondenzatori
Kako kapacitet kondenzatora određuje količinu pohranjene energije, važno je u tu svrhu povećati ga do krajnjih granica kako bi nastao superkondenzator. Takvi se kondenzatori zbog toga nazivaju elektrokemijski kondenzatori. Budući da se većinom koriste elektrokemijski dvoslojni kondenzatori (engl. Electrochemical Double-Layer Capacitors ili kraće EDLC), danas su na tržištu poznati upravo pod tim nazivom. Dakle, radi se o električnoj komponenti koja umjesto pohranjivanja naboja izravno u dielektrične materijale koristi elektrolite iona. Elektroliti iona stvaraju napunjenost spremišta u dvostrukim slojevima. Dvostruki slojevi sa povećanjem površine i smanjenjem udaljenosti između elektroda omogućuju EDLC-u postići veću gustoću energije od konvencionalnih kondenzatora. Kako je aktivni ugljik cjenovno najpristupačniji i ima veću površinu od ostalih izvedbi, on se najčešće koristi za elektrode EDLC-a. Odabir cjenovno najpristupačnijeg materijala za izradu elektroda, najteži je zadatak u postupku izrade samih superkondenzatora.
Nova vrsta ugljikovog materijala s dobrim potencijalom za uređaje za pohranu energije (elektrode) jest grafen čiji sloj pokazuje bolje karakteristike u odnosu na druge ugljikove materijale (visoka specifična površina od 2675 m2/g , specifičnog kapaciteta od 550 F/g te manja debljina superkondenzatora). Osim velikog kapaciteta, superkondenzator karakterizira mali ekvivalentni serijski otpor (engl. Equivalent Series Resistor, ESR), dug životni vijek, izrazito mala masa i dimenzije, neograničeni broj ciklusa punjenja i pražnjena, visoka efikasnost (97-98%), bolja sigurnost od baterija (nema pregrijavanja), radna temperatura širokog područja (-50 do 85 C), te sporije starenje i degradacija svojstava. . Najveći nedostatak superkondenzatora je vrlo mali maksimalan napon po ćeliji pa je za postizanje većeg napona potrebno serijski spojiti više superkondenzatora što onda zahtjeva i sklopovlje za zaštitu od prenapona (izjednačavanje napona).
Simulacija hitnog slijetanja letjelice
Unutar bloka EMS odabiremo prvi način upravljanja energijom gdje se energijom upravlja ovisno o stanju samog stroja koji pokreće letjelicu. Odabrana strategija upravljanja određuje način kontrole snage svakog energetskog uređaja putem referentnih signala DC/DC pretvarača (izlazni napon i maksimalna struja). Ovim modelom možemo prikazati karakteristike hibridnog sustava s gorivnim ćelijama tijekom scenarija petominutnog hitnog slijetanja na zemlju (300 sekundi) gdje hibridni sustav opskrbljuje energijom bitna opterećenja tijekom gubitaka svih generatora, kod pokretanja hidrauličnih pumpi, gibanja pokretnih dijelova te kod evakuacije putnika.
Na sljedećim slikama prikazani su valni oblici snage dobivene od gorivnih ćelija, baterija i superkondenzatora te zahtijevane snage trošila. Prikazane su i strujno-naponske karakteristike svih izvora energije.. U svrhu ubrzanja simulacije koriste se prosječni pretvarači i izmjenjivači, a u svrhu uštede memorije valni oblici prikazuju s faktorom 100. Možemo odabrati i neku drugu strategiju upravljanja te usporediti karakteristike u pogledu potrošnje vodika, korištene energije superkondenzatora i baterija te ukupne učinkovitosti. Strategijom razdvajanja frekvencija dobivaju se vrlo slični rezultati simulacije samo se raspodjela snage odvija ovisno o frekvencijama kako je već opisano. Korištenjem strategije minimiziranja ekvivalenta potrošnje smanjuje se potrošnja vodika, no tada se povećava upotreba drugih izvora energije.
Opis rezultata simulacije
U trenutku t = 0 [s] sva trošila opskrbljuju se putem glavnih generatora, a hibridni sustav napajanja je spreman za slučaj misije hitnog slijetanja (napon superkondenzatora na 270 V, napon gorivnih ćelija na 55.5 V te napon baterija na 52. V). Nakon 5 [s] gorivne ćelije započinju puniti baterije optimalnom snagom od oko 1kW.
GUBITAK SVIH GENERATORA
U trenutku t = 40 [s] dolazi do gubitka svih generatora te hibridni sustav preuzima trošila. Upravo u ovom trenutku potrebna je dodatna snaga trošilima pa se ona dobiva iz superkondenzatora dok se snaga gorivnih ćelija polako povećava. 5 [s] nakon toga superkondenzator se isprazni ispod vrijednosti potrebnog napona sabirnice od 270 V te baterije započinju dobavljati snagu kako bi se regulirao napon sabirnice. U t = 48.5 [s] napon sabirnice vraća se na 270 V te baterija tada reducira svoju snagu polako prema nuli, dok pri tome gorivne ćelije daju maksimalnu zahtijevanu snagu i nastavljaju puniti superkondenzatore. Do problema ponovno dolazi u t = 60 [s] kada se pokreće hidraulična pumpa pa superkondenzatori pružaju prolaznu dodatnu snagu, a snaga gorivnih ćelija ponovno polako raste. 1.5 [s] nakon toga baterija regulira napon sabirnice te pomaže ćelijama pružiti dodatnu snagu trošilima.
Kada gorivne ćelije postignu svoju maksimalnu snagu zbog ograničenja na 9kW zbog opsega ulaznog napona pretvarača, u t = 70 [s] dodatna snaga dobavlja se iz baterija. Zatim baterija dostiže maksimalnu snagu od 4 kW u t = 110 [s] pa dodatnu snagu daju superkondenzatori. 15 [s] nakon toga zahtjevana snaga opterećenja smanjuje se ispod maksimalne snage ćelija pa se s obzirom na njihovu sporu dinamiku za vrijeme prijelazne pojave dodatna snaga prenosi opet na superkondenzatore. Samo sekundu nakon toga napon sabirnice dostiže referentnu vrijednost i snaga iz baterije pada na nulu. U trenutku t = 130 [s] pokreće se druga hitna hidraulična pumpa i hibridni sustav napajanja ponaša se slično kao kod pokretanja prve pumpe sve do 170 [s] kada se napon sabirnice vraća na svoju zadanu vrijednost.
PRISILNO SLIJETANJE
Za spajanje na trofazno izmjenično opterećenje koristi se izmjenjivač (15kVA, 270V DC, 270 V AC, 400Hz). Pri tomu se u svrhu oponašanja profila za hitne slučajeve, trofazno opterećenje implementira s promjenjivom snagom te promjenjivim faktorom snage. Također se koristi i zaštitni otpornik s ograničenjem na 15 kW u svrhu izbjegavanja prekomjernog punjenja kondenzatora i baterija. Sustav upravljanja energijom (engl. Energy Management Strategy) kontrolira, odnosno raspodjeljuje snagu svakom energetskom uređaju ovisno o odabranoj strategiji upravljanja. To je strategijski blok čija je glavna zadaća korektno upravljati hibridnim sustavom napajanja te osigurati kontinuirani i sigurni rad sustava. EMS kontrolira gorivne ćelije kako bi zadovoljile zahtjeve prosječne snage u dužem vremenskom period. Uz to kontrolira i baterije potpomognute superkondenzatorima tako da zadovoljavaju prolazne kratkotrajne zahtjeve za energijom u hitnim slučajevima. Pri tome između ostalog uzima u obzir sporu dinamiku (spori odziv) gorivnih ćelija i baterija kako bi im se produljio vijek trajanja.
Strategije upravljanja
Problem se ponovno pojavljuje u t = 180 [s] kada se opterećenje naglo povećava zbog gibanja pokretnih dijelova (zalisci i letvice), a riješava se brzom reakcijom superkondenzatora. 5 [s] nakon toga baterija se ponovno prazni u svrhu regulacije napona sabirnice te istovremeno pomaže ćelijama pri davanju dodatne snage trošilima. Razni problemi dovode do potrebe slijetanja letjelice na zemlju u t= 235 [s] što se očituje naglim smanjenjem zahtjevane snage trošile. U tom trenutku dodatna energija gorivnih ćelija pohrani se u baterije i superkondenzatore. U t = 250 [s] letjelica je na zemlji te za takvo kretanje gorivne ćelije daju skoro ukupnu zahtjevanu snagu trošila. Na kraju ovog petominutnog scenarija u trenutku t= 330 [s] putnici su evakuirani i zahtjevana snaga trošila smanjuje se na nulu, a gorivne ćelije smanjuju svoju snagu na optimalnu puneći iznova baterije.
Strujna karakteristika gorivnih ćelija nije prikazana grafički, ali je prikazana potrošnja goriva gorivnih ćelija čija karakteristika odgovara karakteristici struje. Na slici 5. uz strujno-naponsku karakteristiku možemo pratiti i glavni parametar razine napunjenosti baterije (engl. State of charge) koji je na samom početku priključenja hibridnog sustava napajanja, na 65 % i opada sve do slijetanja letjelice kada raste.
Ukoliko želite sami pratiti što se događa promjenom parametara i scenarija same letjelice, preuzmite opisani model i krenite na posao. –> MATLAB model