İnsansız hava araçlarında menzil uzatılmasına yönelik yakıt pili tabanlı yenilikçi bir enerji sisteminin tasarımı ve uygulanması
Design and implementation of an innovative fuel cell based energy system for extending range in unmanned aerial vehicles
Yazar: BETÜL ERDÖR TÜRK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA HADİ SARUL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Yakıt hücreleri = Fuel cells ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
İnsansız Hava Araçları (İHA) günümüzde yaygın olarak; keşif, gözetleme, hedef tespiti, elektronik harp, fiziksel saldırı ve tahrip, mayın tespit ve imha, atmosferik ve çevresel gözlem, yük taşıma, arama kurtarma, tarımsal ilaçlama, bilimsel araştırmalar gibi pek çok alanda kullanılmaktadır. Elektrik motorlu İHA'lar ise düşük gürültü seviyeleri ve çevreye emisyon salımı yapmamaları nedeni ile içten yanmalı motora sahip İHA'lara göre avantajlı durumdadırlar. Ancak elektrik motorlu İHA'larda enerji kaynağı olarak kullanılan bataryaların düşük enerji yoğunluklarına (75-200 Wh/kg) sahip olmaları, uçuş esnasında şarj edilmelerinin zor ve maliyetli oluşu, uçuş sürelerini kısıtlayan önemli faktörlerdir. Yakıt pili olarak adlandırılan ve yakıt olarak hidrojen kullanan elektrokimyasal güç kaynakları, batarya sistemlerinin zayıf yönlerine karşın; yüksek enerji yoğunluğu sağlayabilmeleri, yakıt beslendiği sürece kesintisiz ve sessiz çalışabilmeleri, yük ihtiyaçları doğrultusunda tasarlanabilme özellikleri nedeni ile elektrikli platformlar açısından iyi bir alternatif olarak ön plana çıkmaktadırlar.
Yakıt pillerinin tüm olumlu özelliklerinin yanı sıra, uygulama anlamında dezavantajı ise, yakıt olarak kullanılacak hidrojenin depolanmasıdır. Enerji yoğunluğu 33,3 kWh/kg gibi yüksek değere sahip hidrojen gazı, yakıt pilli uygulamalarda yüksek basınçlı, büyük hacimli ve ağır tüpler vasıtası ile depolanıp kullanılabilmekte veya çok düşük sıcaklık koşulları altında ve özel kaplar içerisinde sıvılaştırılarak taşınabilmektedir. Bu yöntemlerin hem hacim ve ağırlık hem de maliyet ve işletim yönünden zorlukları bulunmaktadır. Bu nedenle, mini tip bir İHA'nın güç sisteminin enerji yoğunluğunun arttırılması ve uçuş süresinin uzatılması hedefleniyor ise basınçlı tüp kullanımı yerine başka alternatifler düşünülmelidir. Sistemin güç yönetimi anlamında ise, yakıt pilinin aktif alan kısıtlaması nedeni ile sağlayamayacağı yüksek akımları karşılaması için uygun kapasitede bir batarya ile hibrit olarak çalışması gerekmektedir. 
Bu kapsamda yapılan tez çalışmasında, 4 kg ağırlık kaldırma kapasiteli, 2,5 metre kanat açıklığına sahip, sabit kanatlı, elektrik motorlu mini tip bir İHA'nın, sadece batarya kullanılarak gerçekleştirilen uçuş süresini uzatmaya yönelik; 200 W PEM yakıt pili sistemi, uçuş esnasında sodyum borhidrürden hidrojen üretebilen hidrojen üretim sistemi, yakıt pili ve batarya tabanlı güç yönetim sistemi ve tüm sistemleri entegre olarak kontrol eden gömülü kontrol yazılımı çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bataryalı sistem ve yakıt pili tabanlı sistem ayrı ayrı gerçek uçuş senaryosu temel alınarak performans testlerine tabi tutulmuştur. Yakıt pili tabanlı enerji sisteminin, havada kalış süresini en az 2 katına çıkardığı gösterilmiştir. İHA'nın görev isterleri göz önüne alınarak bu sürenin tasarım girdileri ile değiştirilebileceği kanıtlanmıştır.

Abstract:
Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are being used widely today in many areas such as reconnaissance, surveillance, target detection, electronic warfare, physical attack, mine detection and destruction, atmospheric and environmental observation, cargo handling, search and rescue, agricultural spraying, scientific research. UAVs powered by electric motors are more advantageous than the internal combustion engine-powered UAVs because of their low noise levels and the fact that they do not have exhaust emissions. However, the facts that batteries used as energy source in electric powered UAVs, have low energy density (75-200 Wh/kg) and that charging them during the flight is difficult and costly, are important factors restricting the flight endurance. Despite the weaknesses of battery systems, electrochemical power supplies called  as 'fuel cell' and use hydrogen as fuel, are considered as a good alternative, because of providing high energy density, working continuously and silent as long as fuel is supplied and ability to be designed according to the load needs.  
Contrary to all these positive features of fuel cells, the disadvantage in practice is hydrogen storage. Hydrogen, which has a high energy density of 33,3 kWh/kg, can be stored and used by means of high pressure, large volume and heavy tanks in fuel cell applications or can be transported under very low temperature conditions and in special containers. These methods have some difficulties in terms of both volume, weight, cost and operation. For this reason, if the aim is to increase the energy density of a mini UAV's power system and increase the flight time, other alternatives but using tanks should be considered. In terms of power management of the system, it must run as hybrid with a battery at an appropriate capacity in order to meet high current levels that the fuel cell cannot provide due to the active area restriction.
In this thesis for the extension of the flight endurance of a mini fixed wing electric powered UAV with a payload capacity of 4 kg, a wingspan of  2,5 meters; following studies were carried out: 200 W PEM fuel cell system, hydrogen production system that can produce hydrogen from sodium borohydride during the flight, fuel cell and battery based hybrid power management system and an embedded control software which contols the whole integrated systems. The only battery powered and the fuel cell based powered systems have been tested separately according to the same real flight scenario. It has been demonstrated that the fuel cell-based energy system has doubled the flight endurance. It has been also proven that the "flight time" can be extended by changing the design inputs, according to the task requirements of the UAV.