Güneş enerjili uçaklarda farklı uçuş durumları için elektrik sisteminin performans analizi
Performance analysis of electrical system for different flight situations in solar aircraft
Yazar: ÜMİT AK
Danışman: PROF. DR. ÖMER USTA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Güneş enerjisi = Solar energy ; Güç sistemleri = Power systems ; Performans analizi = Performance analysis ; Uçak tasarım yöntemi = Aircraft design method

Özet:
Teknolojinin ilerlemesi ile birlikte elektrik enerjisi günümüzün en temel gereksinimlerinden biri haline gelmiştir. Bu enerjinin kullanımı ile birlikte tasarımlar daha kompakt bir hale gelmiştir.   
Elektrik enerjisi temelde üretim, iletim, dağıtım ve tüketim olmak üzere dört temel başlıkta incelenebilir. Bu temel başlıklar elektriksel tüm yapılara uygulanabilir. Bu yapılar, pili ile çalışan ampul devresi kadar küçük, ülkelerin birbirleri ile enterkonnekte yapıda bulunan şebeke sistemleri kadar büyük olabilir. Bu durum kara araçları, deniz araçları ve hava araçları için de geçerlidir.
Günümüzde araçlarda itki kuvvetini (mekanik enerji dönüşümü) oluşturmak için fosil yakıtların kullanımı yaygındır. Bu durum da karbon salınımını arttırarak küresel ısınmaya sebebiyet vermektedir. Küresel ısınmanın önüne geçmek için tüm dünyada fosil yakıt kullanımı yerine yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim sağlanmaktadır. Yürütülen çalışmalar, kara, hava ve deniz gibi farklı alanlarda yenilikçi tasarımların ortaya konulmasını sağlamıştır. Bu tasarımlarda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ile beraber, karbon salınımını azaltmanın yanı sıra hava kirliliğini azaltmak ve gürültü kirliliğini azaltmak gibi sebepler de amaçlanmaktadır.
Geçmişte, araç tasarımlarında elektrik enerjisi kullanılırken zamanla araç fiyatlarının yüksek olması, kısa sürüş mesafesi, beygir gücü, elektriğe erişimin zor olması gibi nedenlerle yerlerini uzun bir süre fosil yakıtlı araçlara bırakmışlardır. Günümüzde enerjinin verimli kullanımına yönelik olarak hibrit sistemler ön plana çıkmaktadır. Temelde fosil yakıt kullanımını destekleyen bu yapıların yerini yakın gelecekte tam elektrikli araçlara bırakacağı düşünülmektedir.
Küresel ısınmaya bağlı olarak dünyada iklim değişiklikleri yaşanmaktadır. Bu iklim değişiklikleri sonucunda yeryüzü sıcaklığı yıllar geçtikçe artmaktadır. Yaz aylarındaki sıcaklık artışı orman yangınlarını tetiklemektedir. Bu çalışmada, hem yaz aylarında orman yangınlarına karşı gözlem yapabilen hem de farklı amaçlarla (hava olayları hakkında veri toplamak, vahşi hayvanların doğal ortamdaki hareketlerini izlemek gibi amaçlar) kullanılması düşünülebilen bir güneş enerjili hava aracının elektriksel ön tasarımı ortaya konulmuştur. Ön tasarımı yapılan hava aracının yaz aylarında (Haziran, Temmuz ve Ağustos) sürekli olarak uçuş gerçekleştirebileceği düşünülmüştür. Bu durum göz önüne alınarak farklı uçuş durumları için incelemeler yapılmıştır. Teknolojik gelişmeler ve malzeme biliminin ilerlemesi sayesinde daha önceden kısa uçuş süresine ve alçak irtifa yeteneğine sahip hava araçları günümüzde uzun uçuş süreleri ve yüksek irtifa yetenekleri ile dikkat çekmektedirler. 
Ön tasarımı ortaya konulan güneş enerjili hava aracında kullanılan malzemeler ve yöntemler güncel teknolojik gelişmeler göz önüne alınarak seçilmiştir. Hava aracının tasarım kriterleri olarak; Antalya ilinde 90 gün boyunca havada kalabilmesi (yaz aylarında yangın çıkma ihtimali ekvotar bölgesine yakın olmasından dolayı yüksek), operasyonel irtifasının 60000 feet (irtifaya bağlı olarak yüksek hızlı rüzgar gelme olasılığının düşük olması), yatay eksende 55 m/s hızla sürekli olarak uçuş yapabileceği (60000 feet irtifadaki rüzgar hızına bağlı olarak yakın değer seçilmesi) ve kalkış ağırlığının 525 kg (batarya ağırlığının göz önünde bulundurulması sonucu) olduğu belirlenmiştir. Bu isterlerden hareketle uçaktaki aerodinamik hesaplamalar ve elektriksel hesaplamalar yapılarak elektriksel güç sistemi modellenmiştir. Farklı uçuş durumları için aerodinamik güç isterleri belirlenmiş olup, elektriksel olarak güç sisteminin yeterliliği ispatlanmıştır. Uzun uçuş durumunda gece ve gündüz durumu için simulasyon çalışmaları yapılmış olup, ön tasarımı yapılan hava aracının elektrik güç sisteminin hangi durumlarda yeterli olup olmadığı belirtilmiştir.

Abstract:
With the advancement of technology, electrical energy has become one of the most basic requirements of nowadays. The designs have become more compact with the use of this energy.
Electrical energy can be examined as four basic headings; electrical generation, electrical transmission, electrical distribution and electrical consumption. These basic titles can be applied to all electrical structures. These structures can be as small as a basic battery operated light bulb circuit or as large as the interconnected grid systems of countries. This also applies to land vehicles, marine vehicles and aircrafts.
Today, it is common to use fossil fuels to create thrust (mechanical energy conversion) in vehicles. This increases carbon emissions and causes global warming. In order to prevent global warming, there is a tendency towards renewable energy sources instead of using fossil fuels all over the world. The studies carried out have led to the creation of innovative designs in different fields such as land, sea and air. In these designs, with the use of renewable energy sources, it is aim to reduce carbon emissions, as well as to reduce air pollution and reduce noise pollution.
In the past, while electrical energy was used in vehicle designs, they were replaced by fossil fuel vehicles for a long time due to high vehicle prices, short driving distance, horsepower and difficult access to electricity. Today, hybrit systems come to the forefront for the efficient use of energy.  It is thought that these structures, which basically support the use of fossil fuels, will be replaced by fully electric vehicles in the near future.
Due to global warming, climate changes are experienced in the world. As a result of these climate changes, the temperature of the earth is increasing over the years. The increase in temperature in summer triggers forest fires.  In this study, the electrical preliminary design of a solar powered aircraft, which can both observe forest fires in summer and be used for different purposes (such as collecting data on weather events, monitoring the movements of wild animals in the natural environment), has been presented.  It was thought that the aircraft, whose preliminary design was made, could fly continuously in the summer months (June, July and August).  Considering this situation, investigations were made for different flight situations.  Thanks to the technological developments and advancement of materials science, aircraft that previously had short flight times and low altitude capability are attracting attention with their long flight times and high altitude capabilities.
The materials and methods used in the solar powered aircraft, the preliminary design of which has been revealed, have been selected considering the current technological developments. As the design criteria of the aircraft; it can stay in the air for 90 days in Antalya province (the probability of fire in summer is high because it is close to the equator), its operational altitude is 60000 feet (low probability of high speed wind depending on altitude), it can fly continuously at 55 m/s on the horizontal axis (it was determined that a close value was chosen value depending on the wind speed at an altitude of 60000 feet) and the take off weight was around 525 kg (considering the battery weight). Based on these requirements, the electrical power system start to be model.
In the first part, why such a design need arises, the importance of the electrical system in aviation, the design of the general electrical power architecture, the basic voltage levels in the standarts, the information about the previously designed aircraft and the ongoing studies are given in the first part.
In the second part, the designed power system architecture is determined. The subsystems used; solar radiation, photovoltaic cells, MPPT, batteries, motor and propeller. The amount of radiation coming from the sun and the variability of the radiation falling on the earth are indicated in this section. Information about photovoltaic cells, working priciples, module and panel structures, current voltage and power characteristics, electrical models of cells, cell types are given. Information about the internal structure of the batteries, how their differences from each other emerged, battery types, the main differences between them and which battery types are ongoing research studies are given in this section. Basic engine types used to create thrust force, examination of atmosphere data to create thrust force in aircraft, basic forces acting on aircraft and basic aerodynamic equations, basic electric motors used in vehicles, their comparison are explained in this section. Also, basic information about the avionics, the effect of the load characteristics on the electrical power systems and the power converter topologies (boost topology and buck topology) used in the electrical power system are given in this section.
In the third part, the radiation data of the region where the aircraft will operate and the sun exposure times are examined theoretically. Photovoltaic cell selection has been made and electrical power generation data has been calculated by taking into account the radiation and sun exposure times. As the thrust force, aerodynamic analysis results of four different airfoils (EPPLER 420, JN 153, S1223 and S1223 RTL) were made and calculations for the selection of the JN 153 airfoil which has minimum power requirements are indicated with graphics. In this direction electrical power needs has been determined. In addition, by comparing the selection of battery cells, the electrically minimum capacity value and amount of the selected battery were calculated. The design parameters of the power convertes have been determined and the values and control algorithms of the elements to be used in this direction have been explained.
In the fourth part, the aerodynamic power requirements of the aircraft in different flight situations are determined. The amount of energy required for the aircraft's take off status, climb status, level flight status, descent status and landing situations are calculated for windy (depends on altitude) and windless conditions. In this direction, it has been determined whether the aircraft meets the requirement. The adequacy of the electrical power system architecture for the day and night situations of the aircraft is indicated by modeling in the simulation environment
In the fifth and last part of the design study, conditions which the designed aircraft can fly were evaluated, suggestions were made to improve the design study, the basic design was evaluated and the factors limiting the design were specified.