Le Prime Celle a Combustibile a Idrogeno in Commercio per l’alimentazione di Droni utilizzati in Missioni Umanitarie

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Londra, 19 gennaio 2021 – Doosan Mobility Innovation (DMI) sta fornendo aiuti umanitari in luoghi remoti utilizzando droni alimentati dalle sue innovative Celle a combustibile a idrogeno ad alta densità di energia. Con una autonomia di due ore di volo, i droni hanno trasportato maschere e forniture di emergenza tra le Virgin Island americane e hanno distribuito DAE medicali  fin sulla cima del monte Hallasan (6388 piedi), la più alta montagna della Korea del Sud situata nelle isole Jeju. Grazie a portata e capacità di carico estese, questa tecnologia apre la strada allo sviluppo dei robot mobili. Oltre all’esempio precedente, ulteriori usi per i droni DMI a portata estesa sono stati fatti in applicazioni commerciali, in cui il tempo di volo prolungato ha permesso il monitoraggio di vasti parchi solari come il più grande impianto per la produzione di energia solare della Corea a Solasido, Haenam. Per eseguire la stessa missione utilizzando un drone non alimentato con Celle a Combustibile, sarebbero state necessarie più di sei sostituzioni delle batterie.

Figura 1: I droni DMI consegnano forniture mediche di emergenza alle Isole Vergini. Un gruppo di alimentazione con celle a combustibile a idrogeno lo ha reso possibile consentendo oltre due ore di volo UAV, ovvero tempi quattro volte superiori rispetto alla maggior parte dei droni alimentati a batteria.

Progettazione ad alta densità di potenza per ottimizzare le prestazioni del gruppo di propulsione

Lo sviluppo di una cella a combustibile a idrogeno per dispositivi mobili richiede un’innovazione tecnologica complessiva, dalla stessa scienza e tecnologia dei materiali all’ottimizzazione completa del progetto a livello di sistema. La chiave della mobilità è infatti la miniaturizzazione, ovvero l’aumento dell’efficienza cui deve corrispondere la riduzione del peso complessivo e dimensioni del sistema. Inoltre, l’elevata potenza erogata e la sua durata nel tempo dovrebbero essere aspetti fondamentali per un volo a lungo raggio e stabile.   Pertanto, è necessario ridurre il peso, configurare una sorgente  ad alta densità di energia e semplificare la progettazione del power pack complessivo, compresi i componenti periferici, per ottimizzare completamente il sistema.

 

Figura 2: L’ispezione dei pannelli solari è ottenuta con grande efficienza e velocità dai droni DMI. Utilizzando un drone alimentato a celle a combustibile a idrogeno equipaggiato con una telecamera comune ed una termografica, l’immagine di una centrale elettrica su un sito di circa 20 MW è stata ottenuta da soli due passaggi automatici. Quando si esegue la stessa missione utilizzando un drone alimentato a batterie, sono necessarie più di sei sostituzioni delle stesse.

Al centro di questi obiettivi di progettazione c’è l’architettura e l’implementazione della systems power delivery network (PDN). Il gruppo di alimentazione DP30 ha due linee di potenza principali che forniscono energia ai rotori del drone e al controller dei due rami. A causa dell’ampia gamma di oscillazione e della tensione di uscita del gruppo di celle a combustibile DP30, che varia da 40V a 74V, i regolatori sono stati progettati per garantire un’uscita 48V e 12A, strettamente regolata, ai motori dei rotori del drone, oltre ad una uscita 12V e 8A per la scheda di controllo del sistema e per le ventole.

 

Figura 3: Comparazione della densità di energia: Celle a Combustibile a Idrogeno in confronto a quelle al Litio

 

Figura 4: Struttura di un gruppo propulsore con Cella a Combustibile a Idrogeno

 

Nel PDN del rotore del drone, due regolatori buck-boost PRM (PRM48AF480T400A00) sono connessi in parallelo per fornire i 12A richiesti dai rotori. Il PDN per la scheda di controllo digitale si utilizza un PRM a bassa potenza (PRM48AH480T200A00) seguito da un regolatore buck ZVS da 48V a 12V. Per ottenere un’elevata efficienza ed una elevata densità di energia nel PDN, DMI ha selezionato i regolatori buck-boost Vicor PRM™ ed un regolatore buck ZVS. I PRM supportano  una tensione a vuoto delle celle a combustibile (OCV) fino a 74V ed eseguono una regolazione stabile della tensione a 48V, come mostrato in figura 5.

 

Figura 5: Per ottenere un’elevata efficienza e un’elevata densità dell’energia, sono stati utilizzati regolatori buck boost Vicor PRM™ ed un buck regulator ZVS. I PRM supportano una open circuit voltage (OCV) fino a 74V nello stack della cella a combustibile a idrogeno ed eseguono una regolazione molto stabile della tensione a 48V.

Diversificazione delle linee di prodotti per capacità di potenza

Oltre al power pack DP30 da 2,6 kW attualmente in produzione, DMI prevede di diversificare le linee di prodotti in base alla loro capacità di potenza. L’azienda dovrebbe sviluppare prodotti con varie capacità, che vanno dal power pack con celle a combustibile a idrogeno da 1,5 kW, che dovrebbe essere rilasciato l’anno prossimo, a uno da 10 kW, e lanciare, per ogni power pack,  droni corrispondenti adatti a quelle capacità. L’approccio modulare Vicor alla potenza consente la scalabilità, che rende possibile supportare linee di prodotti così diverse. Ciò consente inoltre a DMI di concentrarsi sulla risoluzione di altri problemi ingegneristici, come i cambiamenti della struttura del sistema, i propulsori e i componenti periferici, i metodi di dissipazione del calore, tutti derivanti dall’espansione progressiva della potenza disponibile. Con Vicor, DMI è in grado di perseguire meglio e più facilmente i suoi obiettivi principali, ovvero aumentare durata, stabilità, raggiungere la miniaturizzazione e l’alleggerimento delle celle a combustibile ad elevata densità di energia.

Scopri di più sui gruppi di alimentazione a celle a combustibile a idrogeno di Doosan Mobility Innovations

 

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