Güneş enerjili uçaklarda farklı uçuş durumları için elektrik sisteminin performans analizi

Abstract

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.