Fotovoltaik entegre elektrikli uçaklar için uzman sistem tabanlı enerji yönetim sisteminin incelenmesi
Examination of expert system based energy management system for solar electric aircraft
Yazar: OĞUZ KAĞAN KELEŞ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Çevresel sorunlar, enerji verimliliği ve fosil yakıtların her geçen gün azalması gibi temel sorunlar tüm sektörlerin bu durumdan ciddi bir şekilde etkilenmesine neden olmaktadır. Bu bağlamda daha çevre dostu alternatif çözümler her geçen gün daha da önem kazanmaktadır. Taşımacılık alanı da bu konuda gelişmelerin yaşandığı en önde sektörlerin başında gelmektedir. Özellikle kara ve hava taşımacılığı konusundaki yeni nesil teknolojiler bu sorunları kapsamlı bir şekilde ele almaktadır.
Havacılık endüstrisinin her geçen gün daha da büyümesi, taşınan yolcu sayısının artış göstermesi ve bununla beraber dünyada sera gazı salınımında havacılığın ciddi bir pay sahibi olması yeni teknolojik gelişmeleri kaçınılmaz kılmıştır. Bu doğrultuda temiz enerji kaynağı olarak elektrik enerjisi ön plana çıkmıştır. Öncelikle hidrolik, pnömatik ve mekanik uçak sistemlerinin elektriksel sistemlerle yer değiştirdiği, elektrik enerji kullanımının daha fazla olduğu uçaklar (More Electric Aircraft) ortaya çıkmıştır. Başta büyük havacılık firmalar olmak üzere sektörün tüm paydaşları bu konu özelinde çalışmalar yapmış ve ürünlerini bu konsepte adapte etmeye çalışmışlardır.
Zaman içerisinde ise havacılık alanında gerçekleştirilen çalışmalar ile beraber uçak itki sistemlerinin de elektrik enerjisine dayandırıldığı yeni tip uçaklar ortaya çıkmaya başlamıştır. Elektrik enerjisi ile beraber içten yanmalı motorların entegre edildiği hibrit elektrikli uçaklar ve tamamen elektrik enerjisi ile görev yapan elektrikli uçaklar bu oluşumun ortaya çıkardığı iki yeni nesil uçak türü olmuşlardır.
Elektrikli uçaklar konusunda birçok firma devam eden güncel çalışmalar ile yeni uçak modelleri üretmekte, test uçuşları yapmakta ve geliştirme faaliyetlerine devam etmektedir. Özellikle küçük güçlerdeki uçaklar için yoğunlaşan bu çalışmaların yanı sıra alternatif çözüm arayışları daha farklı uçak türleri için de sürdürülmektedir. Bu türlerden bir tanesi de fotovoltaik hücrelerin uçak yüzeyine entegre edildiği ve güneş enerjisinin uçak elektrik güç sisteminde kullanıldığı fotovoltaik entegre elektrikli uçaklardır.
Fotovoltaik entegre elektrikli uçaklar özellikle meteorolojik durumların elverişli olduğu koşullarda oldukça büyük avantajlara sahiplerdir. Anlık olarak enerji sağlayarak enerji depolama aygıtlarını bile şarj edebilmekte ve uçağın menzilini büyük ölçüde arttırmaktadırlar. Yani, elektrikli uçakların en büyük sorunlarından birisi olan menzil konusunda önemli bir katkı sağlamaktadırlar.
Uçaklarda elektrik enerjisinin bu denli yoğun kullanımı ise beraberinde birtakım yeniliklerin de gelmesini gerekli kulmıştır. Elektrik enerjisinin hem daha verimli hem de doğru şekilde kullanımı adına enerji yönetim sistemleri uçak teknolojileri ile paralel şekilde ilerlemektedir. Elektrik enerjisinin kullanımı kadar yönetimi de ciddi bir gereksinimdir. Bilhassa elektrikli uçaklarda tek enerji kaynağının elektrik enerjisi olduğundan enerjinin yönetimi ve kontrolü en başta emniyet açısından kritik öneme sahiptir.
Karasal elektrik güç sistemleri gibi uçak elektrik güç sistemleri için de enerji yönetim sistemi geliştirilmesi üzerine farklı yöntemler ve çözümler içeren araştırmalar sürdürülmektedir. Bu tez çalışması kapsamında da uzman sistem tabanlı enerji yönetim sistem yapıları incelenerek, fotovoltaik entegre elektrikli uçaklar için uzman sistem tabanlı bir enerji yönetim sistemi önerilmiştir. Birtakım kurallar ve durumlar çerçevesinde şekillenen uzman sistemlerin sahip olduğu en önemli avantajlardan olan hızlı cevap verme yeteneği ve kolay anlaşılabilir yapısı sayesinde uzman sistem tabanlı enerji yönetim sistemleri, uçaklar gibi anlık yanıt gerektiren uygulamalarda umut verici bir yöntem olarak öne çıkmaktadır.
Bu bağlamda tez kapsamında, uçağın kalkış, seyir ve iniş fazları özelinde uçuş enerji yönetimi stratejisi üzerine çalışılmış ve uçağın belirlenen görevleri yerine getirebilmesi prensibi ile yöntem geliştirilmiştir. Önerilen yaklaşımda göz önüne alınan temel hususlar, emniyetli bir uçuş sağlanması, uçuş görevlerinin başarı ile yerine getirilmesi ve elektrik enerjisinin mümkün olan en yüksek düzeyde doğru kullanılmasıdır. Ayrıca uçuş stratejileri için geliştirilen bu yöntemin yanı sıra elektrik güç sisteminin temel bileşenleri olan batarya, fotovoltaik hücreler ve elektrik motoru özelinde de farklı enerji yönetim modülleri, enerji yönetim sistemine entegre edilmiştir. Böylece sadece sistem ve uçuş bazlı değil aynı zamanda ekipman bazlı modüler bir enerji yönetimi fikri de benimsenmiştir.
Önerilen bu enerji yönetim sisteminin örnek bir uçak üzerinde uygulamasının da yapılabilmesi adına tasarımı tamamlanmış ve halihazırda uçuşlarına devam eden bir elektrikli uçak verileri temel alınmıştır. Bu doğrultuda Sunseeker Duo isimli bir fotovoltaik entegre elektrikli uçağa ait bilgiler kullanılarak hem aerodinamik hem elektriksel özellikler model ortamında gerçeklenmeye çalışılmıştır. Öncelikle uçağın elektrik güç sistemi ve uçağın sahip olduğu temel karakteristikler olan hız-güç ilişkisi, iniş ve kalkış enerji talepleri gibi durumların MATLAB Simulink platformunda benzetimi yapılmıştır. Kurulan bu model ile Sunseeker Duo uçağının elektrik güç sistemi benzetim modeli ve uzman tabanlı enerji yönetim sistemi modeli, MATLAB Simulink ortamında oluşturulmuştur. Enerji yönetim sisteminin örnek bir uçak üzerindeki etkilerini görebilmek adına farklı senaryolar oluşturularak bu senaryolar için benzetimler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar enerji yönetim sisteminin uçak sisteminin davranışlarına olan etkisi, performansı açısından karşılaştırmalar ile irdelenmiştir.

Abstract:
Main problems of the world such as environmental problems, energy efficiency and the decrease in amount of fossil fuels cause all sectors to be seriously affected by this situation. In this context, more environmentally friendly alternative solutions are becoming more and more significant every day. Many studies are carried out on this subject and improvements continue in all areas. The transportation is also one of the leading sectors where developments in this field have been occured. Because the transportation industry is actively used all over the world and is closely related to these problems. New generation technologies, especially in land and air transportation, address these problems comprehensively.
The fact that the aviation industry grows more and more every day, the number of passengers transported increases and aviation has a significant share in greenhouse gas emissions in the world has made new technological developments inevitable. Accordingly, electrical energy has stand out as a clean energy source. The integration of electrical energy into aircraft is seen as the most critical part of the clean environment concept as a process that has been going on for years. First of all, More Electric Aircraft have emerged where hydraulic, pneumatic and mechanical aircraft systems are replaced by electrical systems and electrical energy use is higher. Thus, the electrical energy used in aircrafts has increased proportionally and accordingly, more environmentally friendly aircrafts have started to come into our lives. All stakeholders of the sector, especially large aviation companies, have worked on this subject and tried to adapt their products to this concept.
In time, along with the studies carried out in the field of aviation, new types of aircraft have started to emerge, in which aircraft propulsion systems are also based on electrical energy. The biggest power consumption in conventional aircrafts is the propulsion system which is provided by internal combustion engines. Ensuring the electrification of the propulsion system is a great step forward for the determined goals. Hybrid electric aircrafts, which integrate internal combustion engines with electrical energy, and electric aircrafts operating entirely with electrical energy, have been the two new generation aircraft types created by this formation.
In the field of electric aircraft, many companies produce new aircraft models with ongoing up-to-date studies, make test flights and continue their development activities. In addition to these efforts, which are especially focused on small power aircraft, alternative solutions are also being studied for different aircraft types. Thus, the use of aircrafts based on electrical energy in today's condition and technological possibilities is provided by alternative solutions. One of these types is solar electric aircraft, where photovoltaic cells are integrated into the surface of the aircraft and solar energy is used in the aircraft electric power system. This type of aircraft has wider wings to increase the photovoltaic surface.
Solar electric aircrafts have great advantages, especially in conditions where meteorological conditions are favorable. They can provide some of the power demand of the aircraft depending on the radiation and temperature values. By providing energy for aircraft electrical power system, they can even charge energy storage devices and greatly increase the range of the aircraft. In other words, they make an important contribution to range, which is one of the biggest problems of electric aircraft. There are many studies and applications of this aircraft type, and similar development studies are still ongoing.
The intensive use of electrical energy in aircrafts has required some innovations to come with it. Energy management systems are progressing in parallel with aircraft technologies in order to use electrical energy more efficiently and correctly. There are currently many electrical energy management systems for conventional aircrafts. Because the management of electrical energy is a serious requirement as well as its use for aircrafts. Especially in electric aircrafts, since the only energy source is electrical energy, the management and control of energy is critical in terms of safety. Besides, it is very important that the aircraft can successfully fulfill the desired task, meet the requirements and consume the energy correctly.
Studies involving different methods and solutions on the development of energy management systems for aircraft electric power systems are ongoing. Within the scope of this thesis, expert system-based energy management system structures are examined and an expert system-based energy management system is proposed for solar electric aircraft. Expert system-based energy management systems stand out as a promising method in applications that require instant response, such as aircraft, thanks to their fast response capability and easy-to-understand structure, which are the most important advantages of expert systems. Expert systems, whose framework is formed with rules, situations and flows, are among the first examples of the concept of artificial intelligence. Today, they are still actively preferred in many engineering, medical, educational, and military applications.
In this context, within the scope of the thesis, the flight energy management strategy has been studied specifically for the climb, cruise and descent phases of the aircraft, and the method has been developed with the principle that the aircraft can fulfill the specified tasks. This method has been developed under the Flight Energy Management module of the Central Energy Management Unit, which is designed for energy management device for solar electric aircraft. The main considerations in the proposed approach are the provision of safe flight, the successful performance of flight tasks and the correct use of electrical energy at the highest possible level. In addition to method developed for flight strategies, different energy management modules have also been developed under Central Energy Management Unit for the battery, photovoltaic cells and electric motor, which are the basic components of the electrical power system. Thus, not only system and flight-based but also equipment-based modular energy management idea was developed. Some of the main objectives of the energy management system are the providing maximum power from photovoltaic cells they can produce at every radiation and temperature value, operating electric motor at the most efficient speed according to the power demand, and monitoring the battery by considering environmental conditions.
In order to be able to apply this proposed energy management system on a sample aircraft, the data of an electric aircraft that has a completed design and is currently in flight is taken as basis. In this manner, using the information of a solar electric aircraft named Sunseeker Duo, both aerodynamic and electrical attributes were tried to be implemented in a model environment. First of all, the electrical power system of the aircraft and the basic characteristics of the aircraft, such as the speed-power curve, landing and take-off energy demands, were simulated on the MATLAB Simulink platform. The developed expert-based energy management system model was created in the MATLAB Simulink environment and integrated into the electrical power system model of the Sunseeker Duo aircraft. In order to see the effects of the energy management system on a sample aircraft, different scenarios were created and simulations were made for these scenarios. The results have been examined with comparisons in terms of the effect of the energy management system on the behavior of the aircraft system and its performance.