İnsansız hava araçlarında menzi̇l uzatilmasına yöneli̇k yakıt pi̇li̇ tabanlı yeni̇li̇kçi̇ bi̇r enerji̇ si̇stemi̇ni̇n tasarımı ve uygulanması

Abstract

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.