Modelling and simulation of the pem fuel cell on mq1- predator unmanned air vehicle
Mq-1 predator insansız hava aracında pem tipi yakıt pilinin modelleme ve simülasyonu
- Tez No: 888646
- Danışmanlar: PROF. DR. İLHAN KOCAARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Enerji Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
İnsansız Hava Aracı (İHA), günümüz dünyasında hem sivil hem de askeri uygulamalarda giderek artan bir öneme sahip olmaktadır. Genel havacılık uçaklarıyla karşılaştırılabilecek büyüklükte olması ve günlerce süren uzun uçuş ömrü, ağır yükleri ve enstrümantasyonu, bir pilota ihtiyaç duymadan uzun süre taşıyabilmesine olanak tanıyor. Günümüzde, elektrikli insansız hava araçları, karbondioksit emisyonunun azaltılmasına yardımcı olmaları ve esas olarak hidrokarbon yakıtlarla çalışan daha sürdürülebilir havacılık sağlamaları ve tasarımının mevcut genel havacılık pistonlu motorları tarafından çok fazla kısıtlanması nedeniyle giderek daha popüler hale geliyorlar ve tamamen farklı gereksinimlere yönelik olarak tasarlanmışlardır. Elektrikli tahrik çözümlerinin küçük ve orta büyüklükteki İHA'lara ve aynı zamanda bu türdeki büyük İHA'lara dahil edilmesinden kaynaklanan tasarım etkileri etrafında önemli miktarda araştırma yapılmıştır. İklim değişikliği ve ekolojik dengenin bozulması gibi riskler nedeniyle, fosil yakıtlara olan bağımlılığın azaltılması amacıyla hükümetlerin çeşitli teşvik ve yatırımlarıyla her geçen gün daha da popülerlerleşen hidrojen gibi temiz enerji kaynaklarına yönelim giderek artış göstermektedir. Yenilenebilir enerji sistemleri altyapı açısından pahalıdır. Ancak teknolojik gelişmelerini çok hızlı bir şekilde sürdürüyorlar. Bu sistemlerin verimliliğinin arttırılması amaçlanmakta ve böylece yeni teknolojik gelişmelerle birlikte ilk yatırım maliyetleri azalmaktadır. Enerji, proton değişim membranlı yakıt hücresi (PEMFC) sistemine sahip küçük bir insansız hava aracının (İHA) performansını belirleyen en önemli faktördür çünkü küçük bir İHA'nın görev kapasitesi, güç kaynağının enerjisi tarafından belirlenir. Proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücresi, diğer yakıt hücresi türleriyle karşılaştırıldığında çok yüksek güç yoğunluğuna ve dolayısıyla yüksek potansiyele sahip olduğundan, yakıt hücresiyle çalışan insansız hava araçları (İHA) için özellikle birincil güç kaynağı olarak kabul edilir. yüksek irtifa uzun havada kalma İHA uçuşlarında kullanılmaktadır. Fosil yakıtlardan çevreye yayılan emisyon gazlarının önemli bir kısmı havacılık sektöründen kaynaklanmaktadır. Havacılık sektöründe, hidrojenle çalışan araçlarda sıklıkla hidrojen oksijenle birleşen Polimer Elektrolit Membran (PEM) yakıt hücreleri kullanıldığından, fosil yakıtlar yerine hidrojenin yakıt olarak kullanılması, doğaya zararlı emisyonların azaltılmasında önemli bir alternatif olarak değerlendirilmektedir. Elektrokimyasal reaksiyonlar sayesinde enerji üretilirken membran düzeneğinin dışına yalnızca su buharı salınır. Günümüzde yakıt hücresi teknolojisinin havacılık endüstrisine yönelik verimliliğini ve dayanıklılığını arttırmayı amaçlayan çok sayıda çalışma bulunmaktadır. Bir polimer elektrolit membranlı (PEM) yakıt hücresi, çok verimli olması, emisyon içermemesi ve düşük sıcaklıkta çalıştırılması nedeniyle daha fazla ve tamamen elektrikli hava aracı için elektrik üretimi açısından çok verimlidir. Ancak PEM yakıt hücresinin gerçek performansının kimyasal reaksiyonlar, yakıt basıncı, çalışma sıcaklığı ve nem gibi çeşitli parametreler ve çalışma koşulları aracılığıyla doğrudan deneysel tahminini bulmak o kadar kolay değildir. Bu nedenle modelleme, PEM yakıt hücresinin operasyonel performansını anlamada önemli bir rol oynar. Bu nedenle bu talebi karşılamak amacıyla bu çalışma kapsamında PEMFC sistemli bir İHA enerji açısından incelenmiştir. İlk olarak bir İHA'nın görev profili ve gereksinimleri belirlendi. Referans olarak görev gereksinimlerine göre MQ-1 Predator seçilmiş ve bu referans uçaklara dayalı analizler yapabilmek için yakıt piline bağlı olarak bazı girdi parametreleri ve bazı ilgili kabuller yapılmıştır. Çalışma, yakıt hücresi yığınının en önemli ekipmanı olan membran elektrot düzeneğinin yanı sıra nemlendirici, anot ve katot gaz kanalları, soğutma sistemi, hidrojen kaynağı ve oksijen kaynaklarına yönelik modellemeleri içermektedir. Bu nedenle, PEM yakıt hücresi yığınına entegre edilen her bir ekipmanın modelinin, üzerinde çalışılan diğer kullanıcılar için büyük bir yol gösterici olacağı ve kullanıcının, modeli mevcut bilgi ve verilere göre uyarlamasına olanak sağlayacağı doğru bir şekilde yorumlanabilir. Ekipman ve yakıt pli yığın yapısının modellemesine ek olarak, sistemde hava aracının anlık güç ihtiyacını karşılamak için sisteme entegre edilen kontrol arayüzleri de mevcuttur. Oksijen kaynağı tarafında kompresör ekipmanında ve soğutma sistemi içerisinde kullanılan pompa ekipmanının debi kontrollerinde, hata oranını azaltmak için integral ve yerleşmeyi hızlandırmak için de oransal kontrol uygulanması gerektiğinden PI kontrol metodu uygulanmıştır. Termodinamik hesaplamalar, hem anot hem de katot tarafında orantılı kontrol metodolojisinin tercih edildiğini göstermektedir, çünkü orantılı kontrolör geçici etkileri azaltabilir ve istenen neme ulaşmak için su enjeksiyonunun kontrolünü nispeten basit hale getirebilir. Bu yüzden nemlendirici kontrolünde hem anot hem de katot taraflarında oransal kontrol yöntemi uygulanmıştır. Öte yandan bir diğer önemli kontrol uygulaması ise hidrojenin sisteme yeniden sirküle edilmesidir. Bu kontrol kısmında ise ileri beslemeli kontrol sistemleri giriş sinyalindeki değişikliklere daha hızlı yanıt verdiğinden, ileri beslemeli akım düzenlemesi ve hidrojen akış hızı kontrolü birleştirilmiştir. Gerçek uygulamalarda uygulanması gereken bir diğer kontrol yöntemi ise, anot tarafındaki nitrogen atık kontrolüdür. Çünkü, nitrogenin konsantrasyon yüzdesi arttıkça hidrojenin konsantrasyonu düşeceğinden, nitrogenin bir bölümünün dış ortama atılması ve bunun kontrolünün yapılması gerekmektedir. Ancak bu çalışmada bu atık kontrolü sistemi çok karmaşık hale getirdiğinden uygulanmamıştır. Bir diğer gerçek uygulamalardan sapma ise kompresör tarafındadır. Bu çalışmada kompresörün verimi100% olarak kabul edilmesidir. Ancak, gerçek çalışma prensibinde kayıplar oluşacaktır ve hiçbir zaman kompresör kayıpsız veya 100% verimle çalışamamaktadır. Havacılık uygulamalarında yaygın olarak gördüğümüz yöntem, yakıt pili ve bataryanın hibrit system şeklinde kullanılmasıdır. Hibrit çözüm ile birlikte, hava aracının kalkış veya tırmanış anındaki güç ihtiyacının yakıt pili tarafından karşılanamaması durumunda batarya devreye girer ve anlık güç ihtiyaçları batarya ile karşılanmış olur. Ancak, bu çalışmada tek bir yakıt pili tarafından güç ihtiyacının karşılanması hedeflenmiştir. Bu çalışma, potansiyel olarak bu tür sistemlerin devam eden araştırmalarına ve çevredeki diğer çeşitli bileşenlerin modellenmesine katkıda bulunabilir. Modeller, bu konularla ilgili ilgili araştırmalara dayanarak oluşturulur.
Özet (Çeviri)
In today's world, the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is becoming more and more important for both military and civilian purposes. Due to its size, which is similar to that of a general aviation aircraft, and its lengthy endurance (several days), it can operate without a human pilot for extended periods of time while carrying significant payloads and instrumentation. However, at that time, electrical unmanned aerial vehicles (UAVs) were growing in popularity because they contributed to reducing carbon dioxide emissions and enabling more sustainable aviation. These UAVs are primarily powered by hydrocarbon fuels, and their design is heavily limited by the reciprocating engines used in general aviation, which are made for entirely different requirements. Considerable research has been done on the design implications that come from using electric propulsion in a wide range of unmanned air vehicles. Due to threats like climate change and the disruption of natural equilibrium, decarbonized energy sources are becoming very popular and they are supported by government investments and incentives. This is done in an effort to lessen reliance on fossil fuels. Infrastructure-wise, renewable energy solutions are expensive. They have, meanwhile, been keeping up their technological advancement quite rapidly. With the help of new technical advancements, the goal is to make those systems more efficient and so reduce the initial investment expenses. The primary determinant of a UAV performance in case the air vehicle is integrated with PEMFC system is energy which has huge effect on mission capability of the air vehicle. Proton exchange membrane (PEM) fuel cells are designated as the principal power source for electrified unmanned aerial vehicles (UAVs) because they have a significantly higher power density than other fuel cell types and a larger potential for use in high altitude long endurance (HALE) UAV flights. The aviation industry is mostly to blame for the majority of the emission gasses from fossil fuels that are released into the atmosphere. Since fuel cell powered air vehicles frequently have PEM type fuel cells, only water vapor is released to the atmosphere of the MEA during electrochemical reaction. Using hydrogen as fuel over fossil fuels is considered as a substantial alternative in reducing detrimental emissions to the environment. Many studies are being conducted now with the purpose of developing fuel cell technology's longevity and efficiency for the aviation sector. Since, PEMFC is very efficient, emits no emissions, and can function at low temperatures, it is a highly productive source of electricity for more and all-electric air vehicles. Finding a direct experimental estimate of the PEM fuel cell's real performance using a variety of characteristics and operating conditions, such as chemical reactions, fuel pressure, working temperature, and humidity, is difficult, though. As a result, modeling is crucial to comprehending PEM fuel cell operational performance. In order to achieve this meet, energy-related procedure for unmanned airvehicle which are designed with a specific fuel cell type was investigated in this work. First, UAV's mission profile and specifications were established. Based on mission objectives, the MQ-1 Predator was chosen as a reference, and some input characteristics were taken for granted. This thesis could be helpful for ongoing and upcoming research. The models are generated based on relevant studies which have been conducted up to now. The study includes modelling for not only for membrane electrode assmebly but also humidifier, anode and cathode sides, hydrogen source and oxygen sources. Therefore, it can be truly interpreted that the models of each equipment integrated in PEM fuel cell stack will be great guidance for the other users who are being worked on.
Benzer Tezler
- Modelling and simulation of proton exchange membrane fuel cell using Matlab/simulink
Matlab/simulink ile proton değişimli membran yakıt hücrelerinin modellenmesi ve simülasyonu
MUNER A. ABDALRAZG KHAIRALLA
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZIYODULLA YUSUPOV
- PEM tipi yakıt hücrelerinde ısı ve su yönetiminin modellenmesi
Modelling heat and water management in PEM fuel cell
ELİF EKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İMDAT TAYMAZ
- Fuel cell systems: Theory and applications
Yakıt hücresi sistemleri: Teori ve uygulamaları
MEHMET ÖLMEZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. CÜNEYT GÜZELİŞ
- Proton değişim membran yakıt hücrelerinde kullanılan polimerik membranın modellenmesi
Modelling of polymeric membrane used in proton exchange membrane fuel cells
MEHMET FIRAT DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
EnerjiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGEN ÜMİT ÇOLAK
- PEM yakıt pillerinin modellenmesi ve simülasyonu
Modeling and simulation of PEM fuel cells
ÜMİT UYSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
EnerjiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELİM SİVRİOĞLU