Hidrojen yakıt hücreli drone'ların simülasyonu ve performans analizi
Simulation and performance analysis of hydrogen fuel cell drones
- Tez No: 1023413
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET AKİF ŞAHMAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Selçuk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Enerji tüketimi ve sürdürülebilir enerji kaynaklarının kullanımı, ülkelerin ekonomik bağımsızlığı ve çevresel istikrarı açısından büyük önem taşımaktadır. Türkiye gibi enerji ithalatına büyük ölçüde bağımlı ülkelerde, yerli ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması, dışa bağımlılığı azaltmak ve enerji arz güvenliğini sağlamak için kritik bir gereksinimdir. Bu bağlamda hidrojen enerjisi, temiz ve sürdürülebilir bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Hidrojenin düşük karbon salınımı ile çevre dostu bir enerji kaynağı olması, Kyoto Protokolü gibi uluslararası anlaşmalar kapsamında da dikkat çekmektedir. Ancak, hidrojenin düşük enerji yoğunluğu ve depolama zorlukları, bu teknolojinin yaygın kullanıma girmesini sınırlayan temel faktörlerdendir. Bu çalışmada, 4 kg kalkış kütlesine sahip sabit kanatlı bir mini drone için LiPo batarya tabanlı sistem ile PEM yakıt hücresi ve hidrojen tankından oluşan sistem, aynı görev profili altında enerji performansı açısından karşılaştırılmıştır. Kalkış, tırmanma, seyir ve iniş fazlarından oluşan uçuş profili MATLAB/Simulink ortamında modellenmiş; hız, irtifa ve tırmanma oranı sabit tutularak aerodinamik güç ihtiyacı her iki senaryo için eşitlenmiştir. Yaklaşık 22 dakikalık kısa görev senaryosunda her iki sistem de yaklaşık 55 Wh'lik enerji talebini başarıyla karşılamıştır. Kütle bazlı değerlendirmede batarya sistemi yaklaşık 37 Wh/kg, PEM sistemi ise yaklaşık 18 Wh/kg özgül enerji sunmuştur. Yaklaşık 74 dakikalık uzun görev senaryosunda ise sistem davranışları belirgin biçimde ayrışmıştır: batarya sistemi yaklaşık %70–80 deşarj derinliğiyle operasyonel sınırlarına yaklaşırken, PEM sistemi hidrojen kapasitesinin yalnızca %10'unu tüketerek önemli bir rezerv marjı korumuştur. Simulink sonuçları, PX4/Gazebo ortamında gerçekleştirilen temsili uçuş senaryosuyla doğrulanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre hidrojen yakıt hücreli sistemlerin uzun süreli görevlerde batarya sistemlerine kıyasla daha yüksek enerji yoğunluğu sağladığı ve görev süresini önemli ölçüde artırdığı belirlenmiştir. Ayrıca PEM yakıt hücrelerinin daha kararlı güç üretimi sunduğu, batarya sistemlerinde ise özellikle yüksek güç taleplerinde enerji kayıplarının arttığı gözlemlenmiştir. Bununla birlikte batarya sistemlerinin ani güç ihtiyaçlarına hızlı cevap verebildiği, ancak uzun süreli görevlerde enerji kapasitesi açısından sınırlı kaldığı tespit edilmiştir. Çalışma sonucunda, hidrojen yakıt hücrelerinin özellikle uzun menzil ve uzun havada kalış süresi gerektiren drone uygulamalarında önemli avantajlar sunduğu ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
Energy consumption and the use of sustainable energy sources are of great importance for countries' economic independence and environmental stability. In countries like Turkey, which are heavily dependent on energy imports, the use of domestic and renewable energy sources is a critical requirement for reducing external dependence and ensuring energy supply security. In this context, hydrogen energy stands out as a clean and sustainable alternative. Hydrogen's status as an environmentally friendly energy source with low carbon emissions has also drawn attention under international agreements such as the Kyoto Protocol. However, hydrogen's low energy density and storage challenges are among the key factors limiting the widespread adoption of this technology. In this study, a LiPo battery-based system and a system consisting of a PEM fuel cell and a hydrogen tank were compared in terms of energy performance for a fixed-wing mini-UAV with a takeoff mass of 4 kg under the same mission profile. The flight profile, consisting of takeoff, climb, cruise, and landing phases, was modeled in the MATLAB/Simulink environment; the aerodynamic power requirement was equalized for both scenarios by keeping speed, altitude, and climb rate constant. In the approximately 22-minute short-duration test scenario, both systems successfully met the energy demand of approximately 55 Wh. In a mass-based evaluation, the battery system delivered a specific energy of approximately 37 Wh/kg, while the PEM system delivered approximately 18 Wh/kg. In the approximately 74-minute long mission scenario, however, the systems' behaviors diverged significantly: while the battery system approached its operational limits with a discharge depth of approximately 70–80%, the PEM system consumed only 10% of its hydrogen capacity, maintaining a significant reserve margin. The Simulink results were validated using a representative flight scenario conducted in the PX4/Gazebo environment. According to the obtained results, hydrogen fuel cell energy systems provide higher energy density than battery systems during long-duration missions and significantly increase flight endurance. Simulation results demonstrated that PEM Fuel Cell systems ensure a more stable and sustainable power output throughout the mission. In battery-based systems, especially during takeoff and climbing phases where high power demand occurs, energy losses increased and the battery state of charge decreased more rapidly. However, battery systems were observed to respond quickly to sudden power demands, although they remained limited in terms of energy capacity for long-endurance missions. As a result of the study, hydrogen fuel cells were found to offer significant advantages in Unmanned Aerial Vehicle applications requiring long range, extended endurance, and low emissions.
Benzer Tezler
- Engineering M-Si (M:Ag,Cu) thin films as negative electrodes for lithium ion batteries
Lityum iyon bataryalarda negatif elektrot olarak kullanımları için M-Si (M:Ag,Cu) ince filmlerin tasarlanması
BİLLUR DENİZ KARAHAN
Doktora
İngilizce
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Biohydrogen production from baker's yeast industry wastewater using anaerobic membrane bioreactors
Ekmek mayası endüstirisi atıksuyundan membran biyorektörde biyohidrojen üretimi
CEREN KARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
DOÇ. DR. DİDEM OKUTMANTAŞ
PROF. BÜLENT KESKİNER
- Load sharing strategy using intelligent controller of hybrid vehicle with fuel cell, battery and ultra-capacitor energy storage
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA ASSIM MOHAMMED KAMOONA
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Okan ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER CİHAN KIVANÇ
DR. ÖĞR. ÜYESİ ODAY ALİ AHMED
- Hibrit elektrikli bir kamyon için bulanık mantık tabanlı enerji yönetim sistemi algoritmalarının geliştirilmesi
Development of fuzzy logic based energy management system algorithms for hybrid electric truck
HAZAL SÖLEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Adsorption and dissociation of hydrogen molecule on carbon nanotubes
Karbon nanotüpler üzerinde hidrojen molekülünün soğurulması ve ayrışması
YAVUZ ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİM ÇIRACI