Các nhà nghiên cứu của FAMU-FSU thiết kế hệ thống lưu trữ và phân phối hydro đông lạnh cho máy bay thế hệ tiếp theo
Bản vẽ của một nghệ sĩ về máy bay lai điện 100 hành khách sử dụng hydro làm nhiên liệu. (Jonathan C. Gladin / Georgia Tech)
Các nhà nghiên cứu tại Cao đẳng Kỹ thuật FAMU-FSU đã thiết kế một hệ thống lưu trữ và phân phối hydro lỏng có thể giúp hiện thực hóa mục tiêu hàng không không phát thải. Công trình của họ phác thảo một hệ thống tích hợp, có khả năng mở rộng, giải quyết một số thách thức về kỹ thuật cùng một lúc bằng cách cho phép sử dụng hydro làm nhiên liệu sạch và cũng là môi trường làm mát tích hợp cho các hệ thống điện quan trọng trên máy bay chạy bằng điện.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Applied Energy, giới thiệu một thiết kế dành riêng cho máy bay lai điện 100 hành khách, lấy năng lượng từ cả pin nhiên liệu hydro và máy phát siêu dẫn chạy bằng tua-bin hydro. Nghiên cứu cho thấy hydro lỏng có thể được lưu trữ hiệu quả, chuyển giao an toàn và sử dụng để làm mát các hệ thống quan trọng trên máy bay như thế nào — đồng thời hỗ trợ nhu cầu điện năng trong các giai đoạn bay khác nhau như cất cánh, bay hành trình và hạ cánh.
“Mục tiêu của chúng tôi là tạo ra một hệ thống duy nhất xử lý nhiều nhiệm vụ quan trọng: lưu trữ nhiên liệu, làm mát và kiểm soát phân phối”, Wei Guo, giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí và là tác giả liên hệ của nghiên cứu cho biết. “Thiết kế này đặt nền tảng cho các hệ thống hàng không hydro trong thế giới thực”.
Từ trái sang, sinh viên tốt nghiệp Parmit Singh Virdi và Giáo sư Wei Guo làm việc tại một cơ sở thử nghiệm được xây dựng riêng để đo hệ số truyền nhiệt của chất lỏng làm việc đông lạnh tại Phòng thí nghiệm từ trường cao quốc gia. Dữ liệu từ các thí nghiệm này rất quan trọng để thiết kế các bộ trao đổi nhiệt hiệu quả sẽ được sử dụng trong máy bay chạy bằng hydro lỏng. (Scott Holstein/Cao đẳng Kỹ thuật FAMU-FSU)
HỌ ĐÃ LÀM GÌ
Hydro được coi là nhiên liệu sạch đầy hứa hẹn cho hàng không vì nó chứa nhiều năng lượng hơn trên một kilôgam so với nhiên liệu phản lực và không thải ra carbon dioxide. Nhưng nó cũng ít đặc hơn nhiều, nghĩa là nó chiếm nhiều không gian hơn trừ khi được lưu trữ dưới dạng chất lỏng siêu lạnh ở nhiệt độ -253°C.
Để giải quyết thách thức này, nhóm đã tiến hành tối ưu hóa toàn diện ở cấp độ hệ thống để thiết kế các bồn chứa lạnh và các hệ thống con liên quan. Thay vì chỉ tập trung vào bồn chứa, họ đã xác định một chỉ số trọng lượng mới, là tỷ lệ giữa khối lượng nhiên liệu và toàn bộ hệ thống nhiên liệu. Chỉ số của họ bao gồm khối lượng nhiên liệu hydro, cấu trúc bồn chứa, lớp cách nhiệt, bộ trao đổi nhiệt, thiết bị tuần hoàn và chất lỏng làm việc.
Bằng cách điều chỉnh nhiều lần các thông số thiết kế chính, chẳng hạn như áp suất lỗ thông hơi và kích thước bộ trao đổi nhiệt, họ đã xác định được cấu hình tạo ra khối lượng nhiên liệu tối đa so với tổng khối lượng hệ thống. Cấu hình tối ưu thu được đạt chỉ số trọng lượng là 0,62, nghĩa là 62% tổng trọng lượng của hệ thống là nhiên liệu hydro có thể sử dụng, một cải tiến đáng kể so với các thiết kế thông thường.
Chức năng chính khác của hệ thống là quản lý nhiệt. Thay vì lắp đặt một hệ thống làm mát riêng biệt, thiết kế này định tuyến hydro siêu lạnh qua một loạt bộ trao đổi nhiệt giúp loại bỏ nhiệt thải từ các thành phần trên tàu như máy phát siêu dẫn, động cơ, cáp và thiết bị điện tử công suất. Khi hydro hấp thụ nhiệt này, nhiệt độ của nó sẽ tăng dần, một quá trình cần thiết vì hydro phải được làm nóng trước khi đi vào các pin nhiên liệu và tua-bin.
Sơ đồ cho thấy thiết kế của một máy bay chạy bằng hydro. (Ảnh của Wei Guo)
CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG
Việc cung cấp hydro lỏng trên toàn bộ máy bay cũng có những thách thức riêng. Các máy bơm cơ học làm tăng trọng lượng và độ phức tạp, đồng thời có thể tạo ra nhiệt không mong muốn hoặc có nguy cơ hỏng hóc trong điều kiện nhiệt độ cực thấp. Để tránh những vấn đề này, nhóm đã phát triển một hệ thống không cần máy bơm, sử dụng áp suất bình để kiểm soát dòng nhiên liệu hydro.
Áp suất được điều chỉnh bằng hai phương pháp: phun khí hydro từ một bình áp suất cao tiêu chuẩn để tăng áp suất và xả hơi hydro để giảm áp suất. Một vòng phản hồi liên kết các cảm biến áp suất với cấu hình nhu cầu điện của máy bay, cho phép điều chỉnh áp suất bình theo thời gian thực để đảm bảo lưu lượng hydro chính xác trong tất cả các giai đoạn bay. Các mô phỏng cho thấy hệ thống có thể cung cấp hydro với tốc độ lên tới 0,25 kg mỗi giây, đủ để đáp ứng nhu cầu điện 16,2 megawatt trong quá trình cất cánh hoặc quay lại khẩn cấp.
Bộ trao đổi nhiệt được sắp xếp theo trình tự phân giai đoạn. Khi hydro chảy qua hệ thống, trước tiên nó làm mát các thành phần hiệu suất cao hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, chẳng hạn như máy phát điện siêu dẫn nhiệt độ cao và cáp. Sau đó, nó hấp thụ nhiệt từ các thành phần nhiệt độ cao hơn, bao gồm động cơ điện, bộ truyền động động cơ và thiết bị điện tử công suất. Cuối cùng, trước khi đến pin nhiên liệu, hydro được làm nóng trước để phù hợp với điều kiện đầu vào tối ưu của pin nhiên liệu.
Tích hợp nhiệt theo giai đoạn này cho phép hydro lỏng đóng vai trò vừa là chất làm mát vừa là nhiên liệu, tối đa hóa hiệu quả của hệ thống đồng thời giảm thiểu độ phức tạp của phần cứng.
“Trước đây, mọi người chúng tôi
Guo cho biết: "Tôi không chắc chắn về cách di chuyển hydro lỏng hiệu quả trong máy bay và liệu bạn có thể sử dụng nó để làm mát thành phần hệ thống điện hay không". "Chúng tôi không chỉ chứng minh rằng điều đó khả thi mà còn chứng minh rằng bạn cần phải thực hiện tối ưu hóa cấp hệ thống cho loại thiết kế này".
CÁC BƯỚC TRONG TƯƠNG LAI VÀ CÁC CỘNG TÁC VIÊN
Trong khi nghiên cứu này tập trung vào tối ưu hóa thiết kế và mô phỏng hệ thống, giai đoạn tiếp theo sẽ liên quan đến xác thực thử nghiệm. Guo và nhóm của ông có kế hoạch xây dựng một hệ thống nguyên mẫu và tiến hành thử nghiệm tại Trung tâm Hệ thống Điện tiên tiến của FSU.
Dự án là một phần của chương trình Hàng không Không phát thải Tích hợp của NASA, chương trình này tập hợp các tổ chức trên khắp Hoa Kỳ để phát triển một bộ công nghệ hàng không sạch đầy đủ. Các trường đại học đối tác bao gồm Georgia Tech, Viện Công nghệ Illinois, Đại học Tennessee và Đại học Buffalo. FSU dẫn đầu nỗ lực trong lĩnh vực lưu trữ hydro, quản lý nhiệt và thiết kế hệ thống điện.
Tại FSU, những người đóng góp chính bao gồm sinh viên sau đại học Parmit S. Virdi; các giáo sư Lance Cooley, Juan Ordóñez, Hui Li, Sastry Pamidi; và các chuyên gia giảng viên khác về công nghệ đông lạnh, siêu dẫn và hệ thống điện.
TÀI TRỢ
Dự án này được NASA hỗ trợ như một phần của sáng kiến Lãnh đạo Đại học của tổ chức, sáng kiến này tạo cơ hội cho các trường đại học Hoa Kỳ nhận được tài trợ của NASA và dẫn đầu trong việc xây dựng các nhóm và thiết lập chương trình nghiên cứu của riêng họ với các mục tiêu hỗ trợ và bổ sung cho Ban giám đốc nhiệm vụ nghiên cứu hàng không của cơ quan và Kế hoạch triển khai chiến lược của cơ quan này.
Nghiên cứu của Guo được tiến hành tại Phòng thí nghiệm từ trường cao quốc gia có trụ sở tại FSU, được Quỹ khoa học quốc gia và Tiểu bang Florida hỗ trợ.
