Yakıt Hücresi, Fotovoltaik ve Bataryadan oluşan Hibrit Enerji Sistemine sahip Keşif ve Gözlem Amaçlı bir İnsansız Hava Aracının Tasarımı
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi, Makine Müh.Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2025
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Yakup Orhan
Danışman: Ali Volkan Akkaya
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Bu tez çalışmasında, yakıt hücresi, fotovoltaik panel ve batarya ile çalışan, bir elektrik motorundan oluşan hibrit yenilenebilir enerji sistemini kullanan bir insansız hava aracının kavramsal tasarımı araştırılmaktadır. Önerilen tasarım, fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltarak ve karbon emisyonlarını en aza indirerek iklim değişikliğini hafifletmeye yönelik çabası ile çevreci bir niteliğe sahiptir. İHA gözlem ve keşif uçuşunu gerçekleştirmek için tasarlanmıştır. Uçuş rotası olarak, Malatya'dan başlayan İHA, Türkiye'nin Güneydoğu ve Doğu Anadolu bölgelerindeki sınır hattı boyunca güvenlik amacıyla yaptığı uçuşunu Artvin'de sonlandırmaktadır. İHA 7,3 m kanat açıklığı, 0,51 m kanat kord uzunluğu ve 38,5 kg toplam kalkış ağırlığı ile aerodinamik olarak optimize edilmiştir. 26 m/s seyir hızında ve 31,3 saatlik uçuş süresiyle 2.908 km uçuş menziline ulaşacak şekilde tasarlanmıştır. İtki kuvveti için yüksek verimlilik ve güvenilirliği sağlayan fırçasız bir DC motor tercih edilmiştir. Enerji sistemi değişen operasyonel uçuş koşulları altında performansı optimize etmek için üç (3) enerji kaynağı içermektedir: Batarya, kalkış, ani manevralar ve alçalma sırasında enerjinin yoğun talep edildiği aşamalarda güç sağlar. Fotovoltaik paneller, maksimum güç noktası izleme (MPPT) cihazı aracılığıyla, gündüz uçuşlarında ürettiği elektrik enerjisini bataryada depolayarak, uçuşa yardımcı olur. Yakıt hücresi, gece uçuşları sırasında çalışır ve fazla enerji, gelecekte kullanılmak üzere bataryada depolanır. EMS (Enerji Yönetim Sistemi) optimum enerji kullanımını sağlamak için, şarj – deşarj döngülerini izler ve hibrit sistem arasından paylaşım yaparak uçuşun sürekliliğini sağlar. Bu çalışmada Kural Temelli – Güç Takip Kontrol tekniğini kullanan bir EMS geliştirilmiştir. İHA'nın uçuş görevi boyunca enerji verimliliğini ve performansını değerlendirmek için simülasyon tabanlı bir model uygulanmıştır. Simülasyon sonuçları, hibrit enerji sisteminin İHA'nın operasyonel aşamaları boyunca güç taleplerini etkili bir şekilde karşıladığını göstermektedir. Aynı zamanda bu simülasyon sonuçlarına göre, İHA'nın 32,5 saat uçuş yapabildiği kanıtlanmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının entegrasyonu yalnızca uçuş süresini uzatmakla kalmaz, aynı zamanda doğaya tek yan ürün olarak su buharı yaydığı için sera gazı emisyonlarını da ortadan kaldırır. Çalışma kapsamında tasarlanan İHA içten yanmalı motora sahip bir hava aracı olsaydı, bir uçuşunda doğaya 9,65 CO₂ salınımı yapacaktı. Bir yılda ortalama 170 uçuş yaptığı varsayıldığında, doğaya 1.640 kg CO₂ salınımını engellemektedir. Bu değer, 750 litre yakıt kullanan (12.000 km menzil) bir otomobilin yaydığı sera gazına eşdeğerdir. Maliyet analizi sonucuna göre, bir adet İHA'nın üretimi için 40.000 $ (Dolar) kaynağa ihtiyaç olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca bu çalışmada; kış ayları, yaz ayları ve normal aylara göre uçuş senaryosu gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma ile önerilen İHA tasarımının uzun süreli keşif görevleri için uygulanabilirliğini doğrulamaktadır. Tasarım, yenilenebilir enerji teknolojilerinden yararlanarak sürdürülebilir havacılığa katkıda bulunmaktadır. Daha fazla geliştirme ve prototipleme çabalarını desteklemek için İHA'nın bir 3D modeli oluşturulmuştur.