Uzay platformlarına yönelik bir termofotovoltaik güç sistemi tasarımı
Designing a thermophotovoltaic power system for space platforms
Yazar: BAYRAM BULAT
Danışman: DOÇ. DR. ÖMER FARUK KESER
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Dünya yörüngeleri için tasarlanan uzay platformlarında birincil güç kaynağı olarak çoğunlukla güneş hücreleri kullanılmaktadır. Fakat güneş hücrelerinin uzay ortamının olumsuz koşullarından etkilenmesi, geniş yüzey alanına ve yedeklenmeye ihtiyaç duyması, çalışma sıcaklık aralığının sınırlı olması gibi sahip olduğu olumsuz durumlar uzay çalışmalarında sorun teşkil etmektedir. Diğer yandan özellikle derin uzay görevlerinde birçok çalışmada başarı ile kullanılmış olan radyoizotop güç sistemleri (RTG) ise düşük verimlilikleri, ağır sistemler olması ve içerisinde radyoaktif madde bulunması sebebiyle Dünya yörüngelerinde kullanım için tercih edilmemektedir. Güneş hücrelerinin ve RTG'lerin bu olumsuz yönleri göz önüne alındığında geleceğin uzay çalışmalarında kullanılabilecek, yüksek verimlilikte ve yukarıdaki olumsuz yönleri kapatabilecek bir güç sistemi ihtiyacı doğmuştur. Bu kapsamda birçok güç sistemi tasarımı ortaya konulsa da Termofotovoltaik Jeneratörler (TPVG) sunduğu birçok avantaj ve yüksek verimlilik potansiyeli sebebiyle geleceğin uzay çalışmalarında önemli bir yere sahip olacağı araştırmacılar tarafından öngörülmektedir.
Bu çalışmada, TPVG güç sistemlerinin yapısı incelenerek uzay platformlarında kullanılmak üzere bir STPVG güç sistemi tasarımı sunulmaktadır. Çalışma kapsamında, mevcut TPVG güç sistemlerinde verimi olumsuz etkileyen temel hususlar belirlenerek, bu olumsuzlukları gidermeye yönelik olarak, dikey ve silindirik yapıda bir emitör ve etrafını 360° saran TPV hücre dizilimine sahip bir model tasarımı yapılmıştır. Geliştirilen model, literatürde verim üzerine belirtilen olumsuzlukları ortadan kaldırılması ve uzay platformları için ilk örnek olmasından dolayı bu çalışmanın en önemli bulgusu olarak değerlendirilmiştir. Tasarlanan STPVG güç sistemi için COMSOL Multiphysics simulasyon programında zamana bağlı iki boyutlu ısıl çevrim analizleri gerçekleştirilmekte ve güç üretimi ve verimlilik hesaplamaları yapılmaktadır. Yapılan hesaplamalar neticesinde, tasarlanan STPVG güç sistemi için TPV hücrelerdeki güç üretim verimliliği %26,5 olarak hesaplanmıştır. Ardından, tasarlanan STPVG güç sisteminde verimi arttırmaya yönelik çalışmalar yürütülmüş, bu kapsamda emitör malzeme boyutlarında ve buna bağlı olarak optik bileşen ve TPV hücre dizilimlerinde değişiklikler yapılarak iki yeni tasarım modeli daha sunulmuş ve bu modeller için de ısıl çevrim analizi ve güç üretim ve verimlilik hesaplamaları yapılmıştır. Yapılan yeni tasarımlar ile güç üretiminde %35,4 verimlilik değerine ulaşılmıştır.
Güç üretimi ve verimlilik hesaplamalarının yanı sıra, ısıl çevrim analizleri neticesinde herhangi bir aktif soğutma sistemine gerek duyulmadan sadece ısı dağıtıcı bileşen ile STPVG güç sistemini soğutmanın mümkün olduğu tespit edilmiştir.   
Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında elde edilen bulguların değerlendirilmesiyle, tasarlanan STPVG güç sisteminin uzay platformları için uygun ve geliştirilebilir yapıda olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Solar cells are used as the primary power generator system for most of the space platforms designed to operate on earth orbits. However, the disadvantages of the solar cells such as having large volume, back up requirement, to be adversely affected by the space environment, having limited operating temperature range etc. constitute a problem forthe space studies. On the other hand, the Radioisotope Power Systems (RTG) which are used in many deep-space missions successfully aren't preferred for earth-orbit missions due to its disadvantages such as low efficiency, weightiness and having radioactive substance. Taking into account all of these, the need for a new space power system which will be efficient and able to cover all the disadvantages of solar cells and RTGs has emerged.  Although, many concept space power systems have been presented in accordance with this purpose, thanks to many advantages and high efficiency potential that it has, it is anticipated by the researchers that the Thermophotovoltaic Generators (TPVG) will be one of the most important research topic in the field of space power systems. 
In this study, the structure of the TPVG power systems is investigated and a STPVG power system model is developed and presented.  As a part of this study, the disadvantages of current STPVG models regarding the efficiency were determined and a STPVG model was designed which has an cylindrical and vertical structured emitter and a TPV cell array that surrounds the emitter 360 degrees. The developed model can be evaluated as the most important finding of this study in terms of resolving all the disadvantages of current STPVG models and being the first STPVG model developed for space platforms.  As part of the study, a time-dependent two-dimentional thermal analysis and calculations for power generation and efficiency were conducted in COMSOL Multiphysics simulatıon program. According to results, it has been calculated that the efficiency for power generation in TPV cells is 26,5%. After then, several studies regarding the dimensions of emitter, structure of optical lenses and TPV cell arrays to increase the efficiency of STPVG was conducted and two new STPVG models were presented. Wıth the new STPVG models proposed, ıt has been achieved 35,4% efficiency for the TPV power generation. 
Besides the calculations for power generation and efficiency, it has been analysed that, it is possible to keep cool the STPVG power system only with using heat-sink and without the need of any active cooling system. 
As a result of the studies conducted in this research, it is concluded that the STPVG power system which was designed in this research is feasible in terms of future's power sub-systems for space platforms.