HİBRİT GÜÇ AKTARIMLI İNSANSIZ HAVA ARACININ MATLAB/SİMULİNK MODELİ VE ENERJİ YÖNETİMİ

Abstract

Günümüzde artan enerji ihtiyacı ve fosil yakıtların çevresel etkileri, havacılık alanında daha temiz ve sürdürülebilir enerji kaynaklarının kullanımını zorunlu hâle getirmiştir. İnsansız hava araçları, uzun uçuş süreleri, düşük emisyon ve yüksek verimlilik ihtiyaçları nedeniyle alternatif enerji sistemleri önemli bir araştırma alanına sahiptir. Bu kapsamda Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücreleri (PEMYH), yüksek enerji yoğunluğu, sessiz çalışma, hızlı tepki süresi ve çevre dostu yapıları sayesinde havacılık uygulamaları için avantajlı bir enerji kaynağı olarak öne çıkmaktadır. Bu çalışmada, batarya ve PEMYH'den oluşan hibrit güç kaynaklı bir insansız hava aracı enerji sistemi ele alınmıştır. Batarya ve PEMYH'ye sahip insansız hava aracına ait matematiksel modeller bazı kabullerle MATLAB/Simulink ortamında oluşturulmuş ve sistemin enerji yönetimi detaylı olarak incelenerek PEMYH'nin batarya ile birlikte hibrit yapı içerisindeki performansı analiz edilmiştir. Hibrit enerji sisteminde, enerji kaynakları arasındaki güç paylaşımının etkin bir şekilde gerçekleştirilmesi amacıyla uygun bir enerji yönetim stratejisi geliştirilmiştir. Hava aracına etkiyen kaldırma, sürükleme, ağırlık ve itki kuvvetleri temel aerodinamik denklemlerle modellenmiştir. Farklı uçuş senaryoları altında sistem davranışı analiz edilmiştir. Hibrit yapı içerisinde batarya sürekli güç kaynağı olarak konumlandırılmış, yakıt hücresi ise ani yük değişimlerinde destekleyici kaynak olarak çalıştırılmıştır. Simülasyon sonuçları, geliştirilen enerji yönetim stratejisinin güç paylaşımını etkin biçimde gerçekleştirdiğini, batarya şarj durumunun daha dengeli korunduğunu ve hidrojen tüketiminin optimize edildiğini göstermiştir. Ayrıca dinamik yük değişimlerinde sistem kararlılığının sağlandığı ve hibrit yapının yalnız bataryalı sisteme kıyasla uçuş süresini artırma potansiyeline sahip olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak, önerilen hibrit enerji sistemi ve yönetim yaklaşımı, insansız hava aracı uygulamalarında enerji verimliliğinin artırılması ve operasyonel performansın iyileştirilmesi açısından uygulanabilir bir çözüm sunmaktadır.

Today, the increasing energy demand and the environmental impact of fossil fuels have made the use of cleaner and more sustainable energy sources in the aviation sector imperative. Due to the long flight times, low emissions, and high efficiency requirements of unmanned aerial vehicles (UAVs), alternative energy systems represent a significant area of research. In this context, Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) stand out as an advantageous energy source for aviation applications thanks to their high energy density, silent operation, fast response time, and environmentally friendly structure. This study examines a hybrid power source energy system for an unmanned aerial vehicle consisting of a battery and a PEMFC. Mathematical models of the UAV with a battery and PEMFC were created in MATLAB/Simulink with certain assumptions, and the energy management of the system was examined in detail, analyzing the performance of the PEMFC together with the battery within the hybrid structure. A suitable energy management strategy was developed to effectively achieve power sharing between energy sources in the hybrid energy system. The lift, drag, weight, and thrust forces acting on the aircraft were modeled using basic aerodynamic equations. The system behavior was analyzed under different flight scenarios. In the hybrid system, the battery is positioned as the continuous power source, while the fuel cell acts as a support source during sudden load changes. Simulation results showed that the developed energy management strategy effectively implemented power sharing, maintained a more stable battery charge status, and optimized hydrogen consumption. Furthermore, it was determined that system stability was ensured during dynamic load changes, and the hybrid system has the potential to increase flight time compared to a battery-only system. In conclusion, the proposed hybrid energy system and management approach offer a viable solution for increasing energy efficiency and improving operational performance in unmanned aerial vehicle applications.