Yakıt hücresi, fotovoltaik ve bataryadan oluşan hibrit enerji sistemine sahip keşif ve gözlem amaçlı bir insansız hava aracının tasarımı
Design of an unmanned aerial vehicle for reconnaissance and observation purposes with a hybrid energy system consisting of fuel cell, photovoltaic and battery
- Tez No: 936692
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ VOLKAN AKKAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 158
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.
Özet (Çeviri)
In this thesis study explores the conceptual design of an unmanned aerial vehicle (UAV) employing a hybrid renewable energy system comprising a fuel cell, photovoltaic panel, and a battery-powered electric motor. The proposed design has an environmentalist character with its effort to mitigate climate change by reducing dependence on fossil fuels and minimizing carbon emissions. The UAV is designed to perform reconnaissance and observation flights. The flight route of the UAV, which starts from Malatya and carries out its security flights along the border line of Turkey's Southeastern and Eastern Anatolia regions, ends in Artvin. The UAV is aerodynamically optimized with a wingspan of 7.3 m, a wing chord length of 0.51 m and a total take-off weight of 38.5 kg. It is designed to cruise at a speed of 26 m/s, achieving a flight range of 2,908 km over a duration of 31.3 hours. A brushless DC motor providing high efficiency and reliability was chosen for the propulsion force. The energy system includes three energy sources to optimize performance under varying operational flight conditions: Battery provides power during the stages when energy is in high demand during take-off, sudden maneuvers and descent. Solar panels help flight by storing the electrical energy generated during daytime flights in the battery through the maximum power point tracking (MPPT) device. Fuel cell works during night flights, and excess energy is stored in the battery for future use. EMS (Energy Management System) monitors charge- discharge cycles to ensure optimum energy use and ensures continuity of flight by sharing between the hybrid system. In this study, an EMS using the Rule Based – Power Following Control technique was developed. A simulation-based model was applied to evaluate the energy efficiency and performance of the UAV during the flight mission. Simulation results demonstrate that the hybrid energy system effectively meets the power demands of the UAV throughout its operational phases. At the same time, according to these simulation results, it has been proven that the UAV can fly for 32.5 hours. The integration of renewable energy sources not only extends flight duration but also eliminates greenhouse gas emissions, with water vapor as the sole by-product. If the UAV designed within the scope of the study was an aircraft with an internal combustion engine, it would release 9.65 CO₂ into the nature during one flight. Assuming an average of 170 flights per year, it prevents the release of 1,640 kg of CO₂ into nature. This value is equivalent to the greenhouse gas emitted by a car using 750 liters of fuel (12,000 km range). According to the result of the cost analysis, it was determined that $40,000 (Dollar) was needed for the production of one UAV's. In addition, in this study; flight scenarios were performed according to winter months, summer months and normal months. This study confirms the feasibility of the proposed UAV design for long-duration reconnaissance missions. The design contributes to sustainable aviation by utilizing renewable energy technologies. A 3D model of the UAV was created to support further development and prototyping efforts.
Benzer Tezler
- Hibrit yenilenebilir enerji sistemleri ile elektrik ve hidrojen üretiminin optimizasyonu
Optimization of electricity and hydrogen production with hybrid renewable energy systems
BEYHAN AKARSU
Doktora
Türkçe
2022
EnerjiErciyes ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA SERDAR GENÇ
- Modeling and analysis of five-port isolated bidirectional dc-dc converter for interfacing pv/fc/battery systems with bipolar dc microgrids
Bipolar da mikroşebekeler ile fotovoltaik/yakıt hücresi/batarya sistemlerinin arayüzlenmesi için beş portlu izoleli çift yönlü da-da dönüştürücünün modellenmesi ve analizi
ELANUR EKİCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim Ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TAHSİN KÖROĞLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT MUSTAFA SAVRUN
- Raylı sistem ve elektrikli otobüs altyapısının normal ve kritik işletim durumlarında entegre işletimine yönelik enerji yönetim mekanizması
Development of a decision support mechanism for energy management in bus parking areas integrated with rail systems, with consideration of the electrical infrastructure of rail networks
BENSU PRENCUVA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OZAN ERDİNÇ
DOÇ. DR. ALPER ÇİÇEK
- Yenilenebilir enerji kaynaklı mikro şebekelerde enerji yönetimi
Energy management in micro grids based on renewable energy resources
BEHÇET KOCAMAN
Doktora
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURETTİN ABUT
- The lifespan comparison of an NMC811 pouch cell based high voltage battery with silicone and polyurethane foam usage
NMC811 poşet hücre tabanli bir yüksek voltajli bataryada silikon ve poliüretan sünger kullaniminin ömür karşilaştirmasi
SERHAT SOYER
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TURGUT GÜLMEZ