Bir mini İHA için yakıt pili-batarya hibritlemesinin bir boyutlu analizi
One-dimensional analysis of fuel cell-battery hybridization for a mini UAV
Yazar: OĞUZHAN BALTA
Danışman: PROF. DR. İLHAMİ HORUZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İnsansız Hava Araçları (İHA) kullanımı son yıllarda büyük artış göstermekte ve havacılık
sektörü önemli ölçüde insansız platformlara yönelmektedir. Özellikle mini İHA'lar,
kullanım alanlarındaki esneklikten ötürü ön plana çıkmaktadır. Mini İHA'larda genellikle
güç kaynağı olarak batarya bulunmakta ve limitli uçuş süresi sağlamaktadır. Hidrojen
enerjisi, mevcut yenilenebilir enerji kaynakları arasında uçuş süresi artırma konusunda
önemli bir potansiyel oluşturmaktadır. Özellikle Polimer Elektrolit Membran (PEM) yakıt
pili, üstün özellikleri açısından bu kapsamda literatürde mini İHA'larda kullanımı en çok
incelenmiş yakıt pili olarak öne çıkmaktadır. Bu çalışmada, batarya ile enerjilendirilen
döner kanatlı bir mini İHA platformuna, batarya ve PEM yakıt pilinin hibrit çalıştığı güç
sistemi entegre edilmiş ve mevcut batarya sistemine göre katkısı incelenmiştir. İnceleme
yapılırken; çevre koşulları, irtifa, ortamdaki gaz içeriği, farklı hidrojen depolama
seçenekleri ve faydalı yük taşıma kapasiteleri irdelenerek, hibrit sistem ve mevcut batarya
sisteminin üstün ve zayıf noktaları ortaya konmuştur. Analiz sonuçlarına göre; faydalı yük
taşınmadığı durumda, hibrit sistemin uçuş süresini sıvı hidrojen depolaması ile 11 kata, gaz
hidrojen depolaması ile 5 katına çıkardığı görülmüştür. Ancak faydalı yük taşıma
kapasitesi batarya ile 5 kg olabilirken, hibrit sistem ile maksimum 4 kg olmaktadır. Hibrit
sistem; 1, 2 ve 3 kg faydalı yük taşındığı durumda daha uzun uçuş süresi sağlarken, faydalı
yük taşıma ağırlığı arttıkça, uçuş süresi artırma noktasındaki katkısı düşmüştür. 4 kg
taşındığı durumda ise batarya üstün gelmiştir. Çevre sıcaklığının 0°Caltında olduğu ve 50°C
ile havanın %5 bağıl neme sahip olduğu durumda, hibrit sistem performansı bataryanın
gerisinde kalmıştır. Hibrit sistem ile maksimum erişilebilir irtifa 2892 m olmuşken, batarya
ile bu değer aşılmıştır. Hava içerisindeki oksijen yüzdesinin düşmesi de hibrit sistem
performansını etkilemiş, %5'in altına indiğinde, batarya daha uzun uçuş süresi sağlamıştır.

Abstract:
Use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) has increased significantly in recent years and the aviation industry has been moving towards unmanned platforms. Especially mini-UAVs become popular due to their flexibility for many applications. Mini-UAVs generally have a battery as a power source which provides limited flight time. Hydrogen energy has a significant potential of increasing flight time among existing renewable energy sources. Especially Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell stands out as the most studied fuel cell in the literature for use in mini-UAVs thanks to its superior features. In this study, a hybrid power system of battery and PEM fuel cell is integrated into a battery-powered rotary wing mini-UAV platform and its contribution compared to the existing battery system is examined. While this comparison is being carried out; the advantages and
weaknesses of the hybrid system and the existing battery system are revealed by examining
environmental conditions, altitude, different hydrogen storage options and payload
capacities. According to the analysis results, it is observed that the hybrid system increases
the flight time about 11 times with liquid hydrogen storage and 5 times with gas hydrogen
storage if no payload is carried. However, while payload capacity can be 5 kg with the
battery, a maximum of 4 kg is possible with the hybrid system. As payload weight
increased, although the hybrid system is superior, its contribution flight time is decreased.
While hybrid system provides longer flight time when carrying 1, 2 and 3 kg payload, the
battery is superior when 4 kg is carried. In the case where environmental temperature is
below 0°C and air has 5% relative humidity with 50°C; hybrid system performance is
affected negatively and battery becomes superior. While the maximum accessible altitude
is 2892 m with the hybrid system, this value is exceeded with the battery. Hybrid system
performance is affected by decreasing the percentage of oxygen in the air. When it is
below 5%, the battery provides longer flight time.