燃料電池在無人飛行器之應用

 

刊登日期:2016/7/5
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無人飛行機(UAV)或更廣義之無人飛行系統(UAS),係指為不需要駕駛員登機駕駛的各式遙控飛行器。由於近年來 ICT 與通訊技術之進步,以及關鍵元件之成本降低,使得無人飛行器之市場大幅成長,引起全球各大公司之濃厚興趣,爭相開發 UAV 可能之未來應用,同時 UAV 伴隨著功能增加而對能源之需求更加殷切。本文將說明 UAV 之發展以及探討燃料電池於 UAV之應用及市場可能性。

UAV之歷史與演進
UAV之起源最早可追溯至約 100 年前之一次世界大戰末期,由美國萊特公司所開發之 Kettering Bug,其雖有飛機之外觀(有水平雙翼、螺旋槳及尾翼),但實質上為無人駕駛之飛行炸彈(作用近似現今之巡弋飛彈)。爾後此概念亦帶入二次世界大戰,德軍運用此技術於轟炸機任務上,利用無線電方式遙控飛行炸彈投放,然而,此時 UAV 之用途仍然較接近飛彈而非飛行器,尺寸笨重且可控制飛行之距離較短。UAV 開始大量應用則要自二次大戰後開始,其發展分為三個方向:一為改裝退役飛機作為靶機或特殊用途之用;二為以小型 UAV 進行戰情偵查或戰術任務;第三種則為利用小型UAV完全取代大型飛機之用途。其中第二項發展最著名者要屬越戰時期之 AGM-34 火蜂(Firebee)UAV,其針對高戰術價值或高危險性目標進行偵察任務,於北越上空執行多達 3,435 次任務,創下 84% 之高存活率。


圖五、(a)Google之Terra Bella計畫與(b)所拍攝之高解析度相片

UAV之分類與應用
根據美國聯邦航空總署之分類,UAV 依重量與任務高度可分為如表一之6種機型,全種類皆以定翼機為主要型態。其中,Nano至Small(小型)之機種上有旋翼機之型態,且其市占比例有快速成長之趨勢。表二為 UAV之應用分類,其中旋翼機型 UAV 由於具備靈活輕巧、可慢速飛行以及自主保持高度與位置之能力,特別適合特定地點監測,如3D-VR實景圖、高解析製圖應用,以及各種探勘、流量、災害之即時監控與救援等。

根據市場調查機構BI Intelligence之統計預估(圖六),UAV 之全球年度市場規模將由 2015 年之 70億美元成長至 2021年之 100億美元以上,成長幅度達 40% 以上。其中,值得注意的是民用 UAV 之部分,2013 年時市場幾乎不存在,至 2015 年已成長至 6~7 億美元,預估至 2021 年將大幅成長至 20億美元。2021年市場之比例預測為軍用 71%;商用 22%;消費用 4%;政府機關用 3%。


圖六、全球UAV市場預估(2013~2024)

燃料電池導入UAV之現況及情境估算
燃料電池/鋰電池導入 UAV 之最重要因素則在於任務需求,在現今不同任務導向中,部分需求,例如,高解析空拍等需要高穩定性與高畫質之任務,內燃機所產生之震動與尾氣煙霧,將會降低影像之品質,因此必須使用無煙霧、低震動之電力驅動,方可滿足任務需求。UAV 電力驅動有兩種方式,其一為鋰二次電池,由鋰電池提供起飛爬升以及滯空之能量;另一則為燃料電池搭配鋰二次電池,由鋰電池提供起飛爬升之高功率,燃料電池則負責供應滯空所需之能量。綜觀現有之小型/微型多旋翼 UAV,大多是使用……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:張嵩駿、林俊男、賴秋助、蔡麗端 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」355期,更多資料請見下方附檔。

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