title: Μελέτη και προσομοίωση της χρήσης κυψελών καυσίμου για την τροφοδοσία συστήματος ισχύος έκτακτης ανάγκης αεροσκαφών
title: Study and simulation of the use of fuel cells for the supply of aircraft emergency power system
Creators: name: Καρτσωνακης Γεωργιος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2022

description: Στις μέρες μας η διαχείριση της ενέργειας και η μείωση του περιβαλλοντικού κόστους αποτελούν μία από τις μεγαλύτερες ανησυχίες παγκοσμίως. Οι επιπτώσεις από την καύση των συμβατικών καυσίμων, μαζί με την εξαντλησιμότητα των καυσίμων, δικαιολογημένα καθιστούν επιτακτική την ανάγκη έρευνας και ανάπτυξης νέων καυσίμων καθώς και την αξιοποίηση διαφορετικών μορφών ενέργειας. Η συνεχόμενη ανάπτυξη τομέων όπως των ηλεκτρονικών ισχύων, των μέσων ενεργειακής αποθήκευσης κτλ σε συνδυασμό με την αλματώδη ανάπτυξη των υπολογιστικών συστημάτων ωρίμασαν τις προϋποθέσεις για την χρήση ηλεκτρικών μέσων μεταφοράς. Στον τομέα των μεταφορών η προοπτική αντικατάστασης των κινητήρων εσωτερικής καύσης με εναλλακτικές τεχνολογίες παροχής ενέργειας-ισχύος, αποτελεί τις τελευταίες δεκαετίες αντικείμενο δεκάδων ερευνών. Μία από τις πιο πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες ως προς την καλύτερη μελλοντική αντικατάσταση των κινητήρων εσωτερικής καύσης αποτελούν οι κυψέλες καυσίμου (FCs), των οποίων το μηδενικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα σε συνδυασμό με την υψηλή αποτελεσματικότητά τους αποσκοπούν στο άμεσο μέλλον στην ευρεία χρήση τους σε λεωφορεία, τρένα, πλοία και αεροσκάφη. Στο τομέα των αεροσκαφών η προοπτική αντικατάστασης των προωθητικών τους συστημάτων με ηλεκτρικής φύσεως συστήματα αποτελεί εξαιτίας της πολυπλοκότητας των απαιτήσεων μια ιδιαίτερη πρόκληση. Σε πρώτο στάδιο η προσπάθεια αντικατάστασης της τροφοδοσίας των μη προωθητικών συστημάτων των αεροσκαφών με συστήματα που βασίζονται στην χρήση ηλεκτρικής ενέργειας έχει ήδη αρχίσει να εμφανίζεται στον τομέα των αερομεταφορών. Υβριδικά συστήματα βασισμένα σε τεχνολογία κυψελών καυσίμου έχουν τραβήξει το ενδιαφέρον των ερευνητών. Η υβριδοποίηση των συστημάτων κυψελών καυσίμου με συστήματα αποθήκευσης ενέργειας όπως είναι οι μπαταρίες και οι υπερπυκνωτές, κρίνεται αναγκαία για την αύξηση της αποτελεσματικότητας τους, της οικονομίας καυσίμου και την ταχύτατη αποκρισιμότητα του συστήματος στις απαιτούμενες μεταβολές του φορτίου ζήτησης. Προκειμένου να γίνουν εμφανή τα πλεονεκτήματα της υβριδοποίησης ο σχεδιασμός αποτελεσματικών στρατηγικών διαχείρισης ενέργειας (EMS) των οποίων σκοπός αποτελεί η σωστή κατανομή της απαιτούμενης ισχύς μεταξύ των κυψελών καυσίμου και των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να προτείνει έναν εναλλακτικό τρόπο τροφοδοσίας των μη προωθητικών συστημάτων των αεροσκαφών πέρα από τον συμβατικό που μέχρι στιγμής στηρίζεται στην τροφοδοσία από τους κύριους κινητήρες. Συγκεκριμένα στο περιβάλλον Simulink του Matlab μοντελοποιείται ένα υβριδικό σύστημα ενέργειας κυψελών καυσίμου σε συνδυασμό με μπαταρία και υπερπυκνωτή με σκοπό την προοπτική της αντικατάστασης τροφοδοσίας του συστήματος ισχύος έκτακτης ανάγκης των αεροσκαφών, το όποιο μέχρι στιγμής αποτελείται από έναν συμβατικό αεροστρόβιλο εμβόλου είτε από μια γεννήτρια αέρος. Η σύγκριση και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την αποτελεσματικότητα των εφαρμοζόμενων στρατηγικών διαχείρισης ενέργειας ως προς την εξοικονόμηση του καυσίμου, την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας, το ποσοστό συμμετοχής της κάθε πηγής στην κάλυψη του απαιτούμενου φορτίου, η συνολική αποτελεσματικότητα και η τήρηση των τεχνικών περιορισμών του συστήματος αποτελεί ένα ακόμη αντικείμενο έρευνας την παρούσας εργασίας.
description: Nowadays energy management and reduction of environmental costs is one of the biggest concerns worldwide. The effects of burning conventional fuels, together with the exhaustibility of fuels, justifiably make the need for research and development of new fuels as well as the utilization of different forms of energy imperative. The continuous development of sectors such as electronic power, energy storage media, etc., combined with the rapid development of computer systems, have matured the conditions for the use of electric means of transport. In the field of transportation the prospect of replacing internal combustion engines with alternative energy-power supply technologies has been the subject of dozens of researches in recent decades. One of the most promising technologies for the best future replacement of internal combustion engines are fuel cells (FCs), whose zero environmental footprint combined with their high efficiency aim for their widespread use in the near future on buses, trains, ships and planes. In the aircraft sector, the prospect of replacing their propulsion systems with electrical systems is a particular challenge due to the complexity of the requirements. In the first stage, the attempt to replace the power supply of the non-propulsion systems of aircraft with systems based on the use of electrical energy,  has already begun to appear in the aviation sector. Hybrid systems based on fuel cell technology have attracted the interest of researchers. The hybridization of fuel cell systems with energy storage systems such as batteries and supercapacitors is considered necessary to increase their efficiency, fuel economy and the rapid responsiveness of the system to the required changes in demand load. In order to realize the advantages of hybridization, the design of efficient energy management strategies (EMS) whose purpose is the correct distribution of the required power between fuel cells and energy storage systems, is a necessary condition. The purpose of this thesis is to propose an alternative way of powering the nonpropulsion systems of aircraft beyond the conventional one that so far relies on powering from the main engines. Specifically a hybrid fuel cell electrical energy system combined with battery and supercapacitor is modeled through Matlab’s Simulink environment with a view to replacement of power supply of aircraft emergency power system, which so far consists of a piston air turbine either of an air generator. The comparison and the drawing of conclusions regarding the efficient of the applied energy management strategies in terms of saving fuel, battery state of charge, the percentage of each source participation in covering the required load, the overall efficiency  and observance of system technical limitations, is one more subject of research in this paper.