Mehitamata lennuki SWAN III hübriidajami energiasalvestuslahendus

Tänapäeval on olemas mitmeid erinevaid energiasalvestuse tehnoloogiad, kuid lähtudes antud diplomitöö eesmärgist ja objektist ehk mehitamata lennukist SWAN III, siis võimalike sobilike lahendustena vaadeldi akusid, kütuselemente, hooratasajameid, vesiniku energia salvestamist ja ülikondensaatoreid. Lõputöö teoreetilisest osast selgus, et nimetatud energiasalvestuse tehnoloogiatest, osutusid kõige sobilikumaks ülikondensaatorid tänu nende suurele erivõimsusele, sobilikule töökeskkonna temperatuur, väikesele massile ja mõõtmetele. Lisaks on ülikondensaatoritel suur kasutegur ja energia väljastamine toimub väga kiiresti ning seetõttu sobib hästi hübriidajami käivitamiseks. Samuti on nende eluiga väga pikk, nad oma olemuselt lihtsad, ei nõu palju ruumi ega lisaseadmeid ning selletõttu on neid lihtne paigutada kavandatavasse rakendusse. Lähtudes käesoleva töö metoodilisest uuringust, mis põhines teoreetilisel uurimismeetodil, koostati hübriidajami energasalvestuslahendus, mis koosneb liitium-ioon polümeer akudest ja Skelcap 2500 ülikondensaatoritest. Selle lahenduse kohaselt kasutatakse akusid ainult elektrimootori toiteks „vaikse lennu“ režiimi ajal ja ülikondensaatorid annavad vajaliku energia sisepõlemismootori taaskäivituseks ning samal ajal toetavad ka lendamist ning akud lülitatakse sisepõlemismootori taaskäivitusel vooluringist täielikult välja. Lõputöö hüpotees - hübriidajami korduvaks käivitamiseks vajaliku hetkvõimsuse saaks tagada ülikondensaatoritega - leidis osalist kinnitust. Ülikondensaatorid tagavad vajaliku hetkvõimsuse sisepõlemismootori korduvaks käivitamiseks, aga nende otstarbelisus sõltub, kui mitu korda käivitatakse sisepõlemismootorit ühe lennu ajal ning lennuki töötemperatuurist. Juhul kui sisepõlemismootorit taaskäivitatakse ainult paar korda ühe lennu jooksul, siis on võimalik kogu energiasalvestuslahendus üle ehitada ainult kasutades liitium-ioon polümeer akusid, kuna sellisel juhul on energiavajadus väiksem ja akud suudavad toetada korduvat sisepõlemismootori käivitust. 50 Juhul kui sisepõlemismootorit taaskäivitus toimub üle paari korra, siis annab ülikondensaatorite kasutamine loodud energiasalvestuslahenduses mitmeid eeliseid, pikendades 6% „vaikse lennu“ aega ja lühendades akude täislaadimise aega 10,8 minuti. Lisaks ei muutu ülikondensaatorite mahtuvus temperatuuri langedes ja töötsüklite käigus. Oluline on ka see, et antud lahenduses toimub ülikondensaatorite ja akude täislaadimine eraldi ning kui akudes ilmneb mingi viga, siis sisepõlemismootori käivitumine on võimalik tänu ülikondensaatoritele ja lendu saab jätkata. Lähtudes majanduslikust tasuvusest, siis Skelcap ülikondensaatorite tööiga on 4000 korda pikem kui liitium-ioon polümeer akudel, mis tähendab rahalist kokkuhoidu. Mehitamata lennuki SWAN III hübriidajami energiasalvestuslahenduse parendamiseks tuleks teada saada sisepõlemismootori tinglik keskmine taaskäivituste arv ning läbi viia saadud tulemuste katseline kontroll ehk eksperiment katsestendil.

Objective of this thesis was to design an energy storage solution, which supports two-way energy transfer for the hybrid drive. To reach the objective, following hypotheses was made: to restart the gasoline engine, hybrid drive needs momentary power which can be provided practically by supercapacitors. The research consists of theoretical and practical part. The theoretical part introduces different kind of energy storage solutions for example batteries, fuel cells, flywheels, hydrogen energy storage systems and supercapacitors. In this theorethical part the comparision is based on literature. According to theoretical comparision supercapacitors were chosen for the practical part because of its high power density, light weight, operating temperature range. In the practical part lithium ion polymer battery and supercapacitor technology parameters were calculated and resulting system properties were matched against the requirements. For the batteries the important parameter was total amount of energy stored as well as the specific power. The capacitors were chosen for the energy required to start the gasolin engine. Due to the different working voltage of batteries and supercapacitors a simple solution for current division was introduced. The result of the hypothesis were found partially true. The research supercapacitors can be useful addition to the energy storage solution depending of the flight profile of the unmanned aerial vehicle. Benefits of the supecapacitors are not limited to the energy storage because they can provide a stable energy source regardless of ambient temperature and they are more resistant to aging as batteries.