低空经济作为全球前瞻布局的新兴产业,拥有万亿级广阔市场空间和远大发展前景,已成为推动经济社会创新发展的新引擎。在政策支持和适航认证的持续推动下,预计到2025年,我们将看到首批商业化eVTOL(电动垂直起降)项目的实施。到了2026年,该行业有望进入高速增长阶段。
低空飞行器的新能源化是未来的主要技术研究方向,以电动化为主攻方向,同时探索混合动力、氢动力和可持续燃料等技术路径。特别是氢燃料电池与氢锂耦合技术,作为政策提及的技术路径,预计将得到快速发展。
在氢动力飞机领域,氢燃料电池和氢涡轮发动机是两种主要的动力选择。氢燃料电池为电动机提供动力,而氢涡轮发动机则通过燃烧氢气来产生动力。目前,氢燃料电池的技术相对成熟,已具备商用化的条件,适合用于100座以下的支线飞机。由于氢燃料电池和电动机的功率密度限制,100座以上的飞机更适合使用氢涡轮发动机。对于低空飞行器而言,主要涉及氢燃料电池动力方案。
氢燃料电池的能量密度高,但其功率密度较低,不足以单独满足eVTOL的动力需求。但结合氢电混动技术,具备以下优势:
• 长续航:工业级锂电池的能量密度能够达到250Wh/kg,而氢燃料电池系统的功率密度为0.75kW/kg。更重要的是,采用先进技术的氢存储罐在能量体积密度和能量质量密度上表现出色,分别可达到1.7kWh/L和2.3kWh/kg,远高于储能电池。
• 环保性:氢燃料电池在使用过程中不会产生任何污染物,可以利用可再生能源为电池充电或通过水电解产生氢气作为燃料,减少环境污染。
• 低噪音:燃料电池系统的噪音水平整体较低,为飞行器提供了更为安静的运行环境。
在实际应用中,氢燃料电池与锂离子电池有望充分互补。氢燃料电池能量密度高,但功率密度低于储能电池,而锂离子电池的放电倍率可达3-5C,能够有效满足飞机峰值功率的需求。这种混合能量存储系统既能确保飞机的高效运行,又能保障其长航程的需求。在储能电池的支持下,氢燃料电池可以在更高效的状态下运行,从而优化氢燃料的经济性。此外,由于氢燃料电池对负载变化的动态响应较慢,而响应速度更快的储能电池则能够改善系统的动态特性,特别是在飞机起降过程中提供更大的电流支持。
目前,国内氢电混动低空飞行器尚处于起步阶段。6月23日,吉利科技旗下沃飞长空首款飞行汽车完成首次公开飞行,这是沃飞长空首次对公众全方位地展示沃飞长空AE200验证机全倾转飞行试验。AE200验证机顺利完成全尺寸、全重量、全包线倾转过渡等系列飞行试验所有科目,成为中国首个、全球第二个完成该类试验科目的eVTOL企业。这标志着我国的eVTOL发展取得了重大突破,eVTOL商业化落地进程进一步加速,低空出行正在加速成为现实。此外,还有亿维特ET3 氢锂混动电动垂直起降飞机、大连化物所自主研发的高比能氢混动力电源适配工业级无人机等研发成果。
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