HİBRİT ENERJİ KAYNAKLI İNSANSIZ HAVA ARACININ ENERJİ YÖNETİM SİSTEMLERİNİN DETAYLI ANALİZİ

Abstract

Havacılık sektöründeki teknolojik gelişmeler ve hava trafiğindeki sefer ve rota sayıları her geçen gün artmaktadır. Bununla birlikte hava araçlarının birim mesafedeki emisyon miktarları diğer toplu ulaşım araçlarına göre oldukça yüksektir. Avrupa Birliği Komisyonu 2030 yılı için karbon salınımının %50 oranında azaltmasını ve 2050 yılı için ise sıfır karbon salınımını hedeflemektedir. Bu nedenle havacılık alanında daha fazla elektrik kullanımına yönelik çalışmaların sayısı da artmaktadır. Ayrıca, batarya teknolojilerindeki gelişmeler de elektrik sistemlerine geçişi hızlandırmaktadır. Sistem verimliliğini artırmak ve enerji kaynaklarının daha uzun ömürlü olmasını sağlamak için hibrit sistemler tercih edilmektedir. Bu motivasyonla bu tez çalışmasında ana güç kaynağı olarak yakıt hücresi ve ani güç değişimlerinde yakıt hücresine yardımcı Lityum iyon (Li-iyon) bataryadan oluşan hibrit İnsansız Hava Aracı (İHA) sistemi MATLAB/Simulink ortamında modellenmiştir. Hibrit sistemlerde, enerji kaynaklarını kontrol etmek ve İHA'ların verimliliğini artırmak için Enerji Yönetim Sistemine (EYS) ihtiyaç vardır. Bu çalışmada İHA'larda kural tabanlı Termostat Açık/Kapalı, Tip-? ve Tip-II bulanık mantık olmak üzere üç farklı EYS yapısı ayrıntılı olarak analiz edilmiştir. Bu tez çalışmasının literatüre katkısı, yakıt hücresi ve Li-iyon batarya ile çalışan bir İHA'ya üç farklı EYS yönteminin uygulanarak analiz edilmesidir. Kullanılacak sisteme ve kaynak sayısına bağlı olarak tercih edilen EYS yöntemi de farklılık gösterebilecektir. Termostat Açık/Kapalı Kontrol Stratejisinde iki kaynak aynı anda kullanılamadığı için sistemin verimi daha düşüktür. Tip-II bulanık mantık tabanlı EYS'nin benzetim sonuçları daha iyi olmasına rağmen yapı olarak daha karmaşıktır ve karar verme süresi daha uzundur. Bu nedenle, Tip-? bulanık mantık EYS'nin çoğu uygulamada daha etkin ve yaygın olarak kullanılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.

Technological developments in the aviation sector and the number of flights and routes in air traffic are increasing every day. However, the emission amounts of air vehicles at a unit distance are quite high compared to other public transportation vehicles. The European Union Commission aims to reduce carbon emissions by 50% for the year 2030 and to zero carbon emissions for the year 2050. For this reason, the number of studies aimed at using more electricity in the aviation field is also increasing. In addition, advances in battery technologies are also accelerating the transition to electrical systems. Hybrid systems are preferred to increase system efficiency and ensure a longer life of energy resources. With this motivation, a hybrid Unmanned Aerial Vehicle (UAV) system consisting of a fuel cell as the main power source and a Lithium-ion (Li-ion) battery that assists the fuel cell in sudden power changes was modeled in the MATLAB/Simulink environment in this thesis study. In hybrid systems, an Energy Management System (EMS) is needed to control energy sources and increase the efficiency of UAVs. In this study, three different EMS structures, rule-based Thermostat On/Off, Type-? and Type-II fuzzy logic, have been analyzed in detail in UAVs. The contribution of this thesis study to the literature is that it is analyzed by applying three different EMS methods to a UAV powered by a fuel cell and a Li-ion battery. The preferred EMS method may also differ depending on the system to be used and the number of resources. Since two sources cannot be used at the same time in the Thermostat On/Off Control Strategy, the efficiency of the system is lower. Although the simulation results of Type-II fuzzy logic based EMS are better, they are structurally more complex and the decision-making time is longer. For this reason, it has been concluded that Type-? fuzzy logic EMS can be used more effectively and widely in most applications.