Süperkapasitörlerin güneş enerjili insansız hava araçlarında kullanımına yönelik sistem tasarımı
System design for the usage of supercapacitors in solar powered unmanned aerial vehicles
Yazar: ŞERİFE ÇAMCI
Danışman: DOÇ. DR. KORAY ÜLGEN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Fotovoltaik = Photovoltaic ; Grafik programlama = Graphic programming ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Kondansatör = Capacitor ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı; güneşin mucizevi enerjisinden optimum düzeyde faydalanırken bu enerjiyi çevreye daha duyarlı, daha hızlı şarj olabilen, daha güvenli ve güç yoğunluğu daha yüksek bir enerji depolama sistemi olan süperkapasitörler vasıtasıyla depolayarak uçuş için gerekli itkiyi sağlayabilen daha çevreci ve sürdürülebilir bir insansız hava aracı tasarlamaktır. Bu amaçla; güneş enerjisinden optimum düzeyde faydalanacak şekilde tasarlanan güneş enerjili insansız hava aracının, bugüne kadar yayınlanmış uygulamalardan farklı olarak enerjisini tek başına süperkapasitörde depolayabilen bir güç sistemi tasarımının Matlab/Simulink modeli gerçekleştirilerek sistemin yer testlerinden elde edilen veriler ışığında performansı değerlendirilmiştir.
Bu tez çalışmasında ilk olarak, yapılan literatür taramasından yola çıkılarak, dünyadaki havacılık sektörüne ait yenilenebilir enerji stratejileri, güneş enerjili İHA'ların tarihçesi ve mevcut uygulamalar hakkında genel bilgi verilerek giriş yapılmıştır. Daha sonra FV sistemler, enerji depolama sistemleri, süperkapasitörler ve fırçasız DC motorlarla ilgili teorik bilgiler verilerek, matematiksel modeller ve simülasyon için altyapı oluşturulmuştur. 
Tez çalışmasının gereç ve yöntemlerini belirlemek için öncelikle tezin yol haritası oluşturularak, FV modülleri maksimum sayıda yerleştirebilmek için kanat ve kuyruk yüzeyi geniş, aerodinamik olarak uygun bir İHA gövdesine optimum düzeyde güç elde edebileceğimiz bir topoloji tasarlanmıştır. Bu topolojiyi gerçekleştirmek için, seçilen malzemelerin teknik özellikleri doğrultusunda tasarlanan enerji akış şemasına göre MATLAB kodları oluşturularak Simulink modellemeleri yapılmış ve elde edilen benzetim esaslı veriler değerlendirilmiştir. Simülasyon sonuçları sistem başarısını doğruladıktan sonra, PV hücrelerin tasarıma uygun olarak laminasyon işlemi yapılarak, PV modüllerin imalatı ile testi, ana donanımın temini ve montajı gerçekleştirilmiştir. 
Tasarladığımız sistemin uygulanabilirliğini değerlendirebilmek için, yer testlerinin gerçekleştirileceği yöntem ve koşullar belirlenmiştir. Bu kapsamda; tasarladığımız sistemin yer testleri, açık, yarı açık ve kapalı gök koşullarında farklı senaryolarla gerçekleştirilip, elde edilen akım, gerilim, güç ve RPM ölçüm sonuçları grafiksel çıktılara dönüştürülmüştür. Yer testlerinden elde edilen grafiksel bulgular, farklı gök koşullarındaki parametreler açısından karşılaştırılarak performans değerlendirilmesi yapılarak tartışılmıştır. 
Yer testlerinden elde ettiğimiz performans değerlendirmesi ile, tasarladığımız sistemin açık, yarı açık ve kapalı gök koşulları altındaki şartlarla, FV panellerin süperkapasitörü kısa sürelerde şarj edebildiği ve sistemimizin sağladığı gücün İHA'nın uçuşuna katkı sağlayabilecek düzeyde olduğu tespit edilmiştir.  Sistemimizin yer testleri sonucunda, kapalı gök koşullarında 2,18Watt olan FV panel gücü ile 22 dakikada şarj olan süperkapasitör, açık gök koşullarında FV panelden 22,91 Watt güç sağlandığı durumda, şarj süresinin ciddi oranda kısalarak 3 dakikalara kadar düştüğü gözlemlenmiştir. Yer testlerinde farklı senaryolar gerçekleştirilmiş olup, İHA'nın BLDC motorunun, başlangıçta kısa süreliğine 4000 RPM'den yüksek değerlere çıkması durumu, ilk tırmanış aşamasını veya ani güç gerektiren manevraları simüle etmektedir. BLDC motorun 1500-3000 RPM arasındaki değerlerde uzun süre kalması ise düz uçuş aşamasını simüle etmektedir.
Bu tez çalışmasından elde ettiğimiz tüm bulgular ve değerlendirmeler ışığında; enerjisini tek başına süperkapasitörler vasıtasıyla depolayarak, uçuş için gerekli itkiyi sağlayabilen "daha çevreci bir güneş enerjili insansız hava aracı" tasarlamanın mümkün ve uygulanabilir olduğu sonucuna varılmıştır. 
Bu tez çalışmasının özgünlüğü; güneş enerjili insansız hava aracının, bugüne kadar gerçekleştirilirmiş uygulamalardan farklı olarak, enerji depolama sisteminin sadece süperkapasitörden oluşturularak tasarlanmasıdır. Bu çalışmayla, tasarımımızın uygulanabilir olduğu bilimsel olarak kanıtlanmıştır. Bu kapsamda, çok disiplinli bir yaklaşımla geliştirilerek üretilecek olan prototiplere altyapı oluşturacağı ve bu alanda yapılacak diğer çalışmalara ışık tutacağı değerlendirilmektedir.

Abstract:
The aim of this thesis study; is to design a more environmentally friendly and sustainable unmanned aerial vehicle that can provide the necessary thrust for flight by making optimum use of the miraculous energy of the sun, while storing this energy through supercapacitors, which is a more environmentally friendly, faster charging, safer and more power-dense energy storage system. For this purpose, the performance of the solar-powered unmanned aerial vehicle, which is designed to make optimum use of solar energy, has been evaluated in the light of the data obtained from the ground tests of the system by performing a Matlab/Simulink model of a power system design that can store its energy alone in a supercapacitor, unlike the applications published so far.
In this thesis, firstly, based on the literature review, an introduction was made by giving general information about the renewable energy strategies of the aviation industry in the world, the history of solar powered UAVs and current applications. Then, by giving theoretical information about PV systems, energy storage systems, supercapacitors and brushless DC motors, the infrastructure for mathematical models and simulation has been created.
In order to determine the materials and methods of the thesis work, first of all, a roadmap of the thesis was created and a topology was designed in which we can obtain optimum power from an aerodynamically suitable UAV body with a wide wing and tail surface in order to place the PV modules in the maximum number. In order to realize this topology, Simulink models were made by creating MATLAB codes according to the energy flow chart designed in accordance with the technical characteristics of the selected materials, and the obtained simulation-based data were evaluated. After the simulation results confirmed the success of the system, the PV cells were laminated in accordance with the design, the manufacturing and testing of the PV modules, the supply and assembly of the main equipment were carried out.
In order to evaluate the applicability of the system we have designed, the methods and conditions in which the ground tests will be carried out have been determined. In this context; The ground tests of the system we designed were carried out with different scenarios in open, semi-open and closed sky conditions, and the obtained current, voltage, power and RPM measurement results were converted into graphical outputs. The graphical findings obtained from the ground tests were compared in terms of parameters in different sky conditions and discussed by evaluating the performance.
With the performance evaluation we obtained from the ground tests, it has been determined that the system we designed can charge the supercapacitor in a short time under open, semi-open and closed sky conditions, and the power provided by our system is at a level that can contribute to the flight of the UAV. As a result of the ground tests of our system, it has been observed that the supercapacitor, which is charged in 22 minutes with the PV panel power of 2.18Watt under cloudy conditions, reduces the charging time to 3 minutes when 22.91Watt power is supplied from the PV panel in open sky conditions. Different scenarios have been carried out in ground tests, and the situation where the BLDC motor of the UAV rises above 4000 RPM for a short time at the start simulates the first climb phase or maneuvers that require sudden power. If the BLDC motor stays at the values between 1500-3000 RPM for a long time, it simulates the level flight stage.
In the light of all the findings and evaluations we obtained from this thesis study; It has been concluded that it is possible and feasible to design a "greener solar powered unmanned aerial vehicle" that can provide the necessary thrust for flight by storing its energy alone through supercapacitors.
The originality of this thesis work; It is the design of the solar-powered unmanned aerial vehicle, unlike the applications carried out so far, by creating the energy storage system only from a supercapacitor. With this study, it has been scientifically proven that our design is feasible. In this context, it is evaluated that it will form a basis for prototypes to be developed and produced with a multi-disciplinary approach and will shed light on other studies to be carried out in this field.