DE202021105654U1

DE202021105654U1 - Wasserstoff-Brennstoffzellen-Frachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks

Info

Publication number: DE202021105654U1
Application number: DE202021105654.1U
Authority: DE
Original assignee: Choren Industrietechnik GmbH; Choren Industries GmbH
Current assignee: Choren Industrietechnik GmbH; Choren Industries GmbH
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2031-10-16

Abstract

Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Drohne mit einer Wasserstoffbrennstoffzelle angetrieben wird, um einen Flug mit hoher Reichweite und großer Ladung zu Zwecken des Frachttransports zu erzielen;
- austauschbare Verbundwasserstoffspeichertanks verwendet werden, um die Drohne mit Energie zu versorgen;
- die Struktur der Drohne beinhaltet: (1) ein Energiesystem durch Verwenden von Kohlenstoffverbundfaserwasserstoffspeichertanks; (2) einen modularen Frachtraum; (3) eine leichte Rahmenstruktur mit Verbundmaterialien; (4) ein Auftriebskraftsystem mit mindestens 8 Propellern; (5) ein Wasserstoffbrennstoffzellensystem; (6) ein Steuersystem; (7) eine Hilfsantriebseinheit; (8) ein dynamisches Video- und Sensorüberwachungssystem.

Description

1. Technisches Gebiet
Die Erfindung schlägt eine Auslegung einer Wasserstoffbrennstoffzellendrohne, die austauschbare Wasserstoffspeichertanks verwendet, zu Frachttransportzwecken vor.
2. Allgemeiner Stand der Technik
Als sauberer und hochdichter Energieträger erhält Wasserstoff vor dem Hintergrund zunehmender Auswirkungen auf die Umwelt seit einigen Jahren mehr und mehr Aufmerksamkeit von Regierung und Industrie. In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Techniken im Zusammenhang mit Wasserstoffanwendungen entwickelt, beispielsweise haben Produktion, Speicherung und Transport von Wasserstoff, die Entwicklung von Wasserstoffenergiespeichersystemen und die Entwicklung und der Betrieb von Brennstoffzellentransportfahrzeugen es nach und nach ermöglicht, diese Techniken als Ersatz für übliche fossile Energiesysteme anzuwenden.
In der Luftfahrtindustrie sind die Aussichten für die Anwendung von Wasserstoffenergie sogar noch besser. In Zukunft werden große wasserstoffbetriebene Luftfahrzeuge entwickelt und nach und nach den gewerblichen Betrieb aufnehmen, darunter: (1) mit kryogenem flüssigem Wasserstoff angetriebene Flugzeuge mit Turbinentriebwerk; (2) mit kryogenem flüssigem Wasserstoff angetriebene Propellerflugzeuge; und (3) durch Hochdruckwasserstoffgasspeicherbrennstoffzellen angetriebene Flugzeuge usw. Mit kryogenem Wasserstoff angetriebene Flugzeuge eignen sich für den Transport von Passagieren und Fracht in großem Umfang und über lange Strecken, während durch Hochdruckwasserstoffgasspeicherbrennstoffzellen angetriebene Flugzeuge für den Kleintransport geeignet sind. Auf die derzeit möglichen Hochdruckwasserstoffspeicher sind Wasserstoffspeichertanks aus Kohlenstoffverbundfaser vom Typ IV anwendbar.
Unter den existierenden Patenten beruhen die meisten Patente für Drohnenauslegungen auf Techniken für Batterieantrieb, wie etwa das Propellerflugzeug, das in der Patentschrift CN202642093U vorgeschlagen wird, die eine neue Art von Propellerauslegung und ein batteriebasiertes Drohnenluftfahrzeug vorschlägt. Die Patentschrift US2019291626A1 schlägt ein unbemanntes Luftfahrzeug (unmanned aerial vehicle, UAV) mit starren Flügeln vor, das vertikal abheben und landen, aber für Frachtzwecke horizontal fliegen kann. Die Patentschriften WO 2020028061A1 , US20190202561A1 und CN106809393A schlagen jeweils ein UAV-basiertes Ladungstransportverfahren vor, doch befassen sich diese Patente nicht tiefer mit der Leistungsquelle, der Ladungsgröße und der Flugreichweite des UAV. Die Patentschriften US2017213062A1 , KR2016150444A und CN107656334A schlagen neue Verfahren zum Verwenden von Drohnen für die Durchführung von Ladungstransport vor. In Bezug auf Patente für Brennstoffzellendrohnen schlagen die Patentschriften W02020045995A1 und W02020046012A kleine brennstoffzellenbetriebene Drohnen vor. Die Drohne ist mit 6 Propellern ausgelegt und berücksichtigt nicht den Frachtraum und die Ladeanforderung für Frachtzwecke. Außerdem schlägt die Patentschrift CN106150762A ein Verfahren zum Steuern eines UAV mit Energie aus Flüssigwasserstoff vor; die Patentschriften JP2018181576A und CN205524959 schlagen erste Ideen für Brennstoffzellen-UAVs vor, doch liegt keine vollständige und ausgereifte Auslegung für den Transport von großen Ladungen vor.
Die meisten derzeit kommerziell verwendeten Frachtdrohnen sind batteriebetriebene Drohnen. Beispielsweise kann die Drohne „Flirtey“ in den Vereinigten Staaten Verkäufer und Kunden mittels Drohnen verbinden und innerhalb eines relativ kleinen Bereichs rasch die von den Kunden benötigten Produkte oder Lebensmittel liefern. Das Luftfahrzeug kann Fracht nur in einem Bereich innerhalb von 10 Minuten transportieren. Ein weiteres Beispiel ist, dass „Bell“ aus den USA eine neue Art von Frachtdrohne vorgeschlagen hat, die vertikal abheben und landen und schnell fliegen kann. Es gibt zwei Versionen, die kleine APT20 und die große APT70, mit einer Fluggeschwindigkeit von 120 km/h. Die maximale Tragfähigkeit beträgt 30 kg und die maximale Reichweite 56 km im Falle eines Einwegetransports. Außerdem ist „Zipline“ aus den USA ein batteriebetriebenes Starrflügler-UAV, das für die Einrichtung von Punkt-zu-Punkt-Frachtlieferkanälen in Afrika verwendet wird, wobei ein umfangreiches Abrufliefermodell für den kommerziellen Betrieb (hauptsächlich zum Transport von medizinischen Materialien) in unterentwickelten Gebieten geschaffen wird. Das „Zipline“-UAV kann bis zu 127 Kilometer weit fliegen, kann jedoch nur Fracht bis zu einem Gewicht von 1,7 kg tragen. Es sei erwähnt, dass bis heute keine Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne kommerziell in Betrieb genommen wurde.
3. Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorgeschlagene Wasserstoffbrennstoffzellendrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks muss die folgenden Eigenschaften aufweisen: (1) große Ladekapazität, (2) hohe Reichweite und (3) Intelligenz. Die Drohne kann zum Liefern von Waren von Internethändlerlagern an untergeordnete Lager und von Lagern an Kunden verwendet werden. Zur Steigerung ihrer Kapazität und Effizienz muss sie mehrere Pakete auf einmal transportieren, statt nur ein einzelnes Paket zu transportieren. Zugleich wendet sie einen Antriebsaustauschmodus an, was bedeutet, dass bei erschöpften Wasserstoffspeichertanks leicht ein neues Wasserstoffspeicherenergiemodul im Lager ersetzt werden kann, sodass die Drohne kontinuierlich auf mehreren langen Flügen zwischen dem Lager und dem untergeordneten Lager sowie zwischen dem Lager und dem Kunden verwendet werden kann. Das austauschbare Wasserstoffspeichermodul kann dazu beitragen, die schnelle Betankung mit Wasserstoff im Lager zu erreichen. Die Drohne kann auch die Schnelllieferungsaufgaben wichtiger Materialien ausführen, ebenso wie die Lieferung von Waren oder Materialien in Gefahrenzonen.
Wasserstoffspeichertanks weisen die folgenden Vorteile auf: (1) Hohe Energiedichte und hohes Energie-Gewicht-Verhältnis, wodurch ein geringes Gewicht des Energieversorgungssystems erzielt werden kann; bei Wasserstoffspeichertanks aus Kohlenstoffverbundfasern vom Typ IV mit einem Druck von 700 bar kann ein Wasserstoffspeichergewichtsverhältnis von etwa 5 % erreicht werden, was bedeutet, dass das Gewicht des Wasserstoffs 5 % des Gewichts des leeren Tanks beträgt. Aufgrund der hohen Energiedichte von Wasserstoff kann die Energiedichte des gesamten Wasserstofftanks etwa 1000 Wh/kg erreichen, was mehr als das 5-Fache der Energiespeicherung derzeitiger Li-Ionen-Batterien ist. (2) Die Zeit der Wasserstoffbetankung ist kurz und der Wasserstoffspeichertank kann innerhalb weniger Minuten gefüllt werden. (3) Der Wasserstoffspeichertank aus Kohlenstoffverbundfasern weist eine längere Lebensdauer auf, im Allgemeinen mehr als 30 Jahre.
Figurenliste

1 zeigt eine Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks
2 zeigt eine Vorderansicht und eine Seitenansicht des Wasserstoffbrennstoffzellendrohnenmodells
1. (a) Vorderansicht
2. (b) Seitenansicht
3 zeigt die Auslegung des Drohnenrahmens und die Gestaltung von 8-Achsen-Propellern
4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Energiesystems der Drohne
5 zeigt die Auslegung einer Modulfrachtkapsel der Drohne
1. (a) perspektivische Ansicht
2. (b) Seitenansicht

Bezugszeichenliste

100: Wasserstoffbrennstoffzellendrohnensystem
101: Hauptrahmen der Drohne
102: leichte Verkleidung der Oberseite der Drohne
103: Wasserstoffspeichertanks
104: Brennstoffzellensystem
105: Wechselrichter
106: Steuersystem und Hilfsantriebssystem
107: Elektromotoren
108: Propeller
109: Frachtmodul
110: Landungsgestell
111: leichte Verkleidung an der Vorderseite der Drohne (mit Kameras und Sensoren im Inneren)
400: Ablaufdiagramm des Antriebssystems der Drohne
401: Wasserstoffspeichertanks
402: Wasserstoffabgabeventil
403: Wasserstoffbefeuchter
404: Brennstoffzellenstapel
405: Lufteingang
406: Kompressor
407: Luftabgabeventil
408: Luftbefeuchter
409: unverbrauchte Luft
410: Wasserauslassöffnung
411: Temperatursteuereinheit
412: Motorsteuerung
413: Systemsteuereinheit
414: Hilfsantriebssystem
415: Motorsysteme
416: Steuerung des Schaltkreises

6. Beschreibung der Ausführungsformen
Wie in 1 gezeigt, wird ein Wasserstoffbrennstoffzellendrohnensystem 100 mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks vorgestellt. 2 ist eine Vorderansicht und eine Seitenansicht der Drohne. Wie in 1 gezeigt, ist der Hauptrahmen 101 der Drohne mit Kohlenstoffverbundfasermaterial ausgelegt. Er weist 8 Propeller auf, die die Auftriebskraft der Drohne weitestmöglich steigern können. Um den Frachtraum zu maximieren, ist die Drohne in eine obere und untere Einheit unterteilt, wobei der obere Teil die Antriebseinheit ist, die mit einer leichten Verkleidung 102 bedeckt ist, die an das aerodynamische Design angepasst ist. Die beiden Wasserstoffspeichertanks 103 sind auf ausbalancierte Weise auf beiden Seiten des oberen Teils verteilt. Das Brennstoffzellensystem 104 ist in der Mitte der beiden Wasserstoffspeichertanks 103 angeordnet und der aus den Wasserstoffspeichertanks abgegebene Wasserstoff wird durch ein Wasserstoffversorgungsmodul mit einer Steuereinheit an die Brennstoffzelle geleitet. Wenn das Brennstoffzellensystem 104 das Wasserstoffgas erhalten hat, elektrolysiert der Wasserstoff mit Sauerstoff, um Gleichstromelektrizität sowie Wasser zu erzeugen. Der Gleichstrom wird durch den Wechselrichter 105 in Wechselstrom umgewandelt. Zugleich verteilt das Steuersystem 106 die Leistung an Motoren 107 der Propellersysteme 108, woraufhin die Propeller Auftriebskraft erzeugen, um den Flug umzusetzen. Außerdem integriert das Steuersystem 106 ein Flugsteuersystem und ein Hilfsantriebssystem. Das Flugsteuersystem ist die Hauptkomponente, die den Flug, das Abheben und das Landen sowie die Flugroute der Drohne steuert. Für die vorliegende Erfindung wird bevorzugt Flugsteuersoftware wie etwa Pixhawk, APM usw. verwendet, und die Drohne ist außerdem mit 5G-/6G-fähiger Fernkommunikationstechnik für autonomes Fliegen ausgestattet. Für das Hilfsantriebssystem kann die überschüssige Elektrizität zur Verwendung durch andere Antriebseinheiten der Drohne wie etwa Sensoren, Kameras, Fluglichter und so weiter in der Batterie gespeichert werden. Der untere Teil der Drohne ist das Frachtmodul 109. Um einen ausreichenden Schutz der Fracht sicherzustellen, wendet das Frachtmodul 109 ein Kapseldesign an, das die Raumgröße gemäß unterschiedlichen Verpackungsgrößen frei kombinieren und die Anforderungen der unterschiedlichen Lieferaufgaben erfüllen kann. Zugleich kann das Frachtmodul als Ganzes installiert und demontiert werden, sodass unterschiedliche Formen von Frachtkapseln gemäß den verschiedenen Situationen konfiguriert werden können, beispielsweise unterschiedliche Größen, unterschiedliche Festigkeit, unterschiedliche Materialien, und auch ob die automatische Entladefunktion benötigt wird, und ob andere Niedrigtemperatur- oder Wärmedämmausrüstung benötigt wird usw. Der untere Teil der Drohne ist auch mit einem Landungsgestell 110 ausgestattet, damit die Drohne sicher abheben und landen kann. Das vordere Ende der Drohne ist mit einer Verkleidung 111 ausgestattet. In der Verkleidung sind eine hochauflösende Kameraeinheit, Flugsensoren und Kommunikationsausrüstung installiert, um den Flugstatus aus der Ferne zu überwachen.
3 zeigt die Hauptrahmenstruktur der 8-achsigen Drohne für Frachtzwecke und die Drehrichtungen der Propeller. Der Hauptrahmen der Drohne ist in Form eines „#“ ausgelegt und weist Versteifungen zum Verstärken der Struktur auf. An den vorderen Enden der „#“-förmigen Rahmenstruktur ist er mit 8 Motoren ausgestattet, die die Propeller in den in 3 angezeigten Richtungen antreiben, um die Auftriebskraft zu erzeugen. Die Propeller sind an den Hauptwellen der Motoren installiert, und die Auswahl der Propeller muss in Anpassung an die Motoren und die maximale Auftriebskraft der Drohne erfolgen. Für diese Erfindung wird allgemein ein 30-Zoll-Flügel ausgewählt.
Von besonderer Wichtigkeit für die Drohne ist ausreichend Auftriebskraft, die die folgende Gleichung zur Berechnung der statischen Auftriebskraft erfüllen muss: $F_{T} = \dot{m} Δ v$
wobei F_T die statische Auftriebskraft der Drohne, ṁ die Massenstromrate und Dv die Geschwindigkeit der durch den Propeller beschleunigten Luft ist.
Es gilt $\dot{m} = ρ A v$
wobei r die Luftdichte, A die Rotorfläche und v die Geschwindigkeit der Luft am Propeller ist.
Daher ergibt sich $A = \frac{π}{4} D^{2}$
wobei D der Durchmesser des Propellers ist. Somit kann die statische Auftriebskraft berechnet werden als: $F_{T} = \frac{π}{4} D^{2} ρ v Δ v$
Wobei $v = \frac{1}{2} Δ v$
Daher lässt sich die Auftriebskraftgleichung ändern in: $F_{T} = \frac{π}{2} D^{2} ρ v^{2}$
Die Beziehung zwischen der Flugleistung P und der Auftriebskraft F_T kann wie folgt sein $P = F_{T} v$
Daher ergibt sich schließlich: $P = \sqrt{\frac{2 {(F_{T})}^{3}}{π D^{2} ρ}}$
Da die statische Auftriebskraft der Drohne mindestens gleich dem Gewicht der Drohne sein muss, also F_T = mg, sollte die Beziehung zwischen der Leistung zum Abheben und dem Gewicht der Drohne lauten: $P = \sqrt{\frac{2 {(m g)}^{3}}{π D^{2} ρ}}$
In dieser Erfindung können je nach Verwendungszweck und Ladekapazität kleine und große Ausführungen der Auslegung vorliegen:

(a) Für die große Ausführung beinhaltet das Leergewicht der Drohne hauptsächlich: (1) den Hauptrahmen; (2) den Wasserstoffspeichertank; (3) das Brennstoffzellensystem; (4) das Steuersystem; (5) das Hilfsantriebssystem; (6) Motor und Propeller; und (7) weiteres Zubehör wie etwa Schrauben und andere Installationsteile. Für diese Erfindung lässt sich das Leergewicht der Drohne auf etwa 100 kg und die maximale Beladung auf etwa 30 kg schätzen. Gemäß der obenstehenden Berechnung der statischen Auftriebskraft aus Gleichung (9) kann für das Gesamtgewicht von 130 kg (16,25 kg für einen einzelnen Propeller) bei Auswahl eines Sicherheitsfaktors von 2 (also das 2-Fache des Gesamtgewichts) und 30 Zoll großen Propellern (also einem Durchmesser der Propeller von 76,2 cm) die erforderliche Auftriebsleistung, die von dem einzelnen Propeller verlangt wird, als 5,4 kW berechnet werden, weshalb die Gesamtleistung der ganzen Drohne mindestens 43,2 kW betragen muss. Wie bereits erwähnt, werden an der Drohne 8 bürstenlose Gleichstrommotoren verwendet. In dieser Erfindung wird ein einzelner Motor mit einem maximalen Vorschub von 27 kg gewählt, was für die 8 Motoren einen maximalen Vorschub von insgesamt 216 kg erzeugt. Die maximale Leistung jedes ausgewählten Motors beträgt 6 kW, weshalb die maximale Leistung der 8 Motoren insgesamt 48 kW beträgt. Bei dieser Drohne werden zwei Kohlenstoffverbundfaserwasserstoffspeichertanks der gleichen Größe verwendet. Jeder Wasserstoffspeichertank kann 1 kg Wasserstoffgas speichern. Theoretisch kann 1 kg Wasser 33,6 kWh Elektrizität erzeugen. Wird berücksichtigt, dass die Effizienz der Brennstoffzelle im Allgemeinen 60 % beträgt, können tatsächlich 20,16 kWh Elektrizität pro Tank erzeugt werden. Mit den beiden Tanks werden somit insgesamt 40,32 kWh Elektrizität erzeugt. Das bedeutet, dass 2 kg gespeichertes Wasserstoffgas unter einem Druck von 700 bar in zwei Tanks mindestens 0,84 Flugstunden gewährleisten kann (unter Bedingungen mit maximaler Beladung und maximaler Leistung).
(b) Für die kleine Ausführung beinhaltet das Leergewicht der Drohne wie oben erwähnt hauptsächlich: (1) den Hauptrahmen; (2) den Wasserstoffspeichertank; (3) das Brennstoffzellensystem; (4) das Steuersystem; (5) das Hilfsantriebssystem; (6) Motoren und Flügel; und (7) weiteres Zubehör wie etwa Schrauben und andere Installationsteile. Für diese Erfindung lässt sich das Leergewicht der Drohne auf etwa 50 kg und die maximale Beladung auf 15 kg schätzen. Gemäß der Gleichung (9) für die statische Auftriebskraft der Drohne kann für das Gesamtgewicht von 65 kg (8,125 kg für einen einzelnen Propeller) bei Auswahl eines Sicherheitsfaktors von 2 (also das 2-Fache des Gesamtgewichts) und 20 Zoll großen Propellern (also einem Durchmesser der Propeller von 50,8 cm) die erforderliche Auftriebsleistung, die von dem einzelnen Propeller verlangt wird, als 2,85 kW berechnet werden, weshalb die Gesamtleistung der ganzen Drohne mindestens 22,8 kW betragen muss. Durch Verwenden von 8 bürstenlosen Gleichstrommotoren wählt dieser Erfindung einen einzelnen Motor mit einem maximalen Vorschub von 15 kg, was für die 8 Motoren eine maximale Auftriebskraft von insgesamt 120 kg erzeugt. Da die maximale Leistung jedes ausgewählten Motors 2,9 kW beträgt, beträgt die maximale Leistung der 8 Motoren insgesamt 23,2 kW. Bei dieser Drohne werden zwei Kohlenstoffverbundfaserwasserstoffspeichertanks der gleichen Größe verwendet. Jeder Wasserstoffspeichertank kann 0,5 kg Wasserstoffgas speichern, und die beiden Wasserstofftanks können insgesamt 1 kg Wasserstoffgas unter einem Druck von 700 bar in den beiden Tanks speichern. Da 1 kg Wasserstoff theoretisch 33,6 kWh Elektrizität erzeugen kann, können unter Berücksichtigung dessen, dass die Effizienz der Brennstoffzelle im Allgemeinen 60 % beträgt, tatsächlich 20,16 kWh Elektrizität erzeugt werden. Auf diese Weise kann 1 kg gespeicherter Wasserstoff mindestens 0,87 Flugstunden gewährleisten (unter Bedingungen mit maximaler Beladung und maximaler Leistung).

Aus dem Vorstehenden geht hervor, dass für den Fall, dass eine leichte Auslegung der Drohnenstruktur umgesetzt werden kann, entsprechend mehr Wasserstoff an Bord transportiert und eine längere Flugdauer der Drohne erzielt werden kann.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Antriebssystems der Drohne. In 4 ist das Antriebssystem der Drohne insgesamt mit 400 bezeichnet. Die Wasserstoffausgabe des Hochdruckwasserstoffspeichertanks 401 gelangt durch das Ablassventil 402 in den Befeuchter 403, sodass der Wasserstoff befeuchtet werden und dann durch die Membranstruktur der Brennstoffzelle treten kann, um eine Elektrolysereaktion hervorzurufen. Der Wasserstoff gelangt in die Anode des Brennstoffzellenstapels 404 und gelangt dann am anderen Ende die Luft 405 durch den Kompressor 406 in die Antriebseinheit, woraufhin die Luft durch das Sauerstoffventil 407 in den Befeuchter 408 und anschließend in die Kathode des Brennstoffzellenstapels 404 gelangt. Im Brennstoffzellenstapel reagieren der Wasserstoff und der Sauerstoff im Brennstoffzellenstapel, um Elektrizität zu erzeugen. Nach der elektrolysierten Reaktion tritt an der Anode weiterhin eine geringe Menge an Wasserstoff durch die Brennstoffzelle, ohne umgesetzt zu werden, weshalb eine Schleife hinzugefügt kann, um diesen Teil des Wasserstoffs wieder zur Reaktion in die Brennstoffzelle zurückzuleiten. Auch an der Kathode verbleibt ein Teil des Sauerstoffs, der nicht vollständig umgesetzt ist, und dieser Teil des Sauerstoffs kann durch die Abgasvorrichtung 409 abgelassen werden. Im Brennstoffzellenstapel reagieren Wasserstoff und Sauerstoff miteinander und bilden Wasser, und dieses Produkt kann durch die Auslassöffnung 410 aus der Brennstoffzelle abgelassen werden. Da die Brennstoffzelle eine exotherme Reaktion erzeugt und die Brennstoffzelle während der Reaktion für einen normalen Betrieb eine bestimmte Temperatur beibehalten muss (beispielsweise wird die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle allgemein zwischen 70 °C und 80 °C betrieben), wird die Temperatursteuereinheit 411 benötigt, um sicherzustellen, dass das System eine konstante Temperatur aufweist. Die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität kann dann über einen Kreis mit der Motorsteuerung 412 verbunden werden. Die Steuereinheit 413 wird benötigt, um die Verteilung und Anpassung der erforderlichen elektrischen Leistung der Motoren, der Flugsteuereinheit und des Femkommunikationssystems der Drohne zu verwalten. Zugleich verwaltet die Steuereinheit 413 auch den normalen Betrieb des Wasserstoffventils und des Sauerstoffventils. Andererseits kann die Steuereinheit überschüssige elektrische Leistung im Hilfsantriebssystem 414 speichern. Die im Hilfsantriebssystem 414 gespeicherte Leistung kann zur Stromversorgung der Drohnennavigation, Signallichter, Sensoren, Kameras usw. verwendet werden. Die elektrische Leistung wird durch die Motorsteuerung 412 an die 8 Motorsysteme 415 (einschließlich der Motoren M1-M8) verteilt, um die Propeller zum Erzeugen der Auftriebskraft anzutreiben. Schließlich ist der Kreis durch die Steuerung 416 wieder mit der Kathode der Brennstoffzelle 414 verbunden.
5 zeigt eine weitere Auslegung des Frachtraums der Drohne, der eine modulare Frachtkapselauslegung aufweist, sodass die Drohne je nach Frachtgrößenanforderungen eine geeignete Frachtkapsel wählen kann, wie etwa die rechteckige, die in 5 gezeigt ist. Zugleich kann die Kamera- und Sensorkapsel kombiniert und im Frachtraum installiert sein und weist eine integrierte Schnittstelle auf, um den Bedarf unterschiedlicher Räume zu erfüllen. Diese Art von Kapsel kann nicht nur einfache Frachtaufgaben durchführen, sondern auch die Lieferung wichtiger Materialien wie medizinischer Rettungsmaterialien, Expresszustellungen usw. ausführen, und sie ermöglicht es, die Frachtkapsel leicht durch andere Arten von Kapseln zu ersetzen, wie etwa Untersuchungs- und Kommunikationskapseln für unterschiedliche Aufgaben, um so die Mehrzweckanwendung der Drohne in dieser Erfindung zu erzielen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 202642093 U [0004]
US 2019291626 A1 [0004]
WO 2020028061 A1 [0004]
US 20190202561 A1 [0004]
CN 106809393 A [0004]
US 2017213062 A1 [0004]
KR 2016150444 A [0004]
CN 107656334 A [0004]
WO 2020045995 A1 [0004]
WO 2020046012 A [0004]
CN 106150762 A [0004]
JP 2018181576 A [0004]
CN 205524959 [0004]

Claims

Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks, dadurch gekennzeichnet, dass - die Drohne mit einer Wasserstoffbrennstoffzelle angetrieben wird, um einen Flug mit hoher Reichweite und großer Ladung zu Zwecken des Frachttransports zu erzielen; - austauschbare Verbundwasserstoffspeichertanks verwendet werden, um die Drohne mit Energie zu versorgen; - die Struktur der Drohne beinhaltet: (1) ein Energiesystem durch Verwenden von Kohlenstoffverbundfaserwasserstoffspeichertanks; (2) einen modularen Frachtraum; (3) eine leichte Rahmenstruktur mit Verbundmaterialien; (4) ein Auftriebskraftsystem mit mindestens 8 Propellern; (5) ein Wasserstoffbrennstoffzellensystem; (6) ein Steuersystem; (7) eine Hilfsantriebseinheit; (8) ein dynamisches Video- und Sensorüberwachungssystem.
Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffspeichertanks vorzugsweise Speichertanks vom Typ IV aus Kohlenstoffverbundfasern sind, mit einem Innendruck von 700 bar und einer Wasserstoffspeicherdichte von mehr als 5 %, was bedeutet, dass das Verhältnis zwischen dem Gewicht des gespeicherten Wasserstoffs und dem leeren Speichertank größer als 5 % ist, weshalb die Energiedichte über 1000 Wh/kg betragen kann, was etwa das 5-Fache der Energiedichte üblicher Lithium-Ionen-Batterien ist.
Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffverbundfaserwasserstoffspeichertanks an der Wasserstoffbetankungsstation oder im Frachtzentrum im Bordmodus aufgetankt werden oder die Speichertanks demontiert und durch neue Speichertanks ersetzt werden, derart, dass die verbrauchten Wasserstoffspeichertanks für die nächste Verwendung im Voraus an der Wasserstoffbetankungsstation oder im Frachtzentrum betankt werden.
Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur der Drohne durch den Rahmen in eine obere und eine untere Einheit unterteilt ist, wobei der obere Teil mit einer aerodynamisch ausgelegten Verkleidung bedeckt ist und der untere Teil eine Frachteinheit und eine Ausrüstungseinheit aufweist, die ebenfalls durch aerodynamisch ausgelegte Verkleidung bedeckt sind.
Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptrahmen des 8-Propellerauftriebskraftsystems in der Form eines „#“ ausgelegt ist und eine Rippenstruktur aufweist, um die „#“-förmige Struktur zu verstärken.
Hauptrahmen des 8-Propellerauftriebskraftsystems nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die 8 Ecken der „#“-förmigen Struktur die Scheitelpunkte eines gleichseitigen Achtecks sein müssen, an denen jeweils 8 Motoren und 8 Propeller installiert sind, wodurch ein gleicher Abstand der 8 Propeller und ein größerer nutzbarer Frachtraum sichergestellt werden.
Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frachtraum der Drohne mit modularer Auslegung, der im unteren Teil des Hauptrahmens fixiert ist, je nach unterschiedlichen Transportanforderungen austauschbar ist, was bedeutet, dass die Größe der Frachtkapsel und der Zweck der Transportaufgaben an unterschiedliche Raum- und Gewichtsanforderungen angepasst werden können.
Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise der modulare Frachtraum der Drohne aus Verbundmaterialien hergestellt ist.
Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise der modulare Frachtraum der Drohne mit einer Ausrüstungseinheit integriert ist, die die Kameras und Sensoren installiert, wodurch die Drohne kompakter sein kann.
Wasserstoffbrennstoffzellenfrachtdrohne mit austauschbaren Wasserstoffspeichertanks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise das Steuersystem die 5G-/6G-Internet-of-Things(IoT)-Techniken verwendet, sodass die Echtzeitüberwachung und Ermöglichung von Flugsteuerung, Echtzeitkommunikation zwischen Lieferern und Empfängern der Fracht, Übertragung der Flugdynamik, flexible, schnelle und effektive Frachtlieferung und Modifikation der Flugroute je nach Wetter- und sonstigen Flugbedingungen umgesetzt werden.