Tek koltuklu bir uçak için kavramsal hibrit itki sistemi tasarımı ve uçak performansına etkileri

Abstract

Giderek artan temiz çevre anlayışı ile birlikte, havacılık endüstrisi de elektrik itiş gücü sağlayan yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneldi. Yakıt pilleri, elektrikli araçlar için daha çevreci, daha güvenilir ve daha yüksek verimlilik açısından en popüler güç kaynaklarından biridir. Yakıt hücreleri arasında, uçuş için en cazip seçenek ise, polimer elektrolit membran yakıt hücreleridir (PEMYP). Bu tezde literatürde bulunan elektrikli uçak konseptine katkıda bulunmak için tek koltuku bir uçak olan Cri-Cri'ye yakıt hücresi ve batarya kullanarak kavramsal hibrit itki sistemi tasarımı yapmak amaçlanmıştır. Kavramsal tasarım için öncelikle maksimum kalkış ağırlığı ve buna bağlı olarak gerekli güç tahmini yapılmıştır. Daha sonra stol hızı, kalkış mesafesi, tırmanma oranı, tırmanma hızı, tırmanma açısı gibi uçağın karakteristik özellikleri belirlenmiş ve kalkış, tırmanma, seyir ve iniş aşamalarında harcadığı güç saptanmıştır. Son olarak ise elektriksel yapı çalışması yapılmıştır. Elektriksel yapının temel bileşenleri elektrik motoru, yakıt hücresi sistemi, batarya, DC/AC dönüştürücü ve DC/DC dönüştürücülerdir. Tasarım bittikten sonra ağırlık analizi yapılmış ve görev döngüsü belirlenmiştir. Buna bağlı olarak hidrojen tüketim miktarı ve tüketilen enerji miktarı hesaplanmıştır. Sonuç olarak Cri- Cri için kalkış aşamasında 26 kW, tırmanma aşamasında 30 kW, seyir aşamasında 10 kW ve inişte 7 kW güce ihtiyaç vardır. Ayrıca kalkış ve tırmanma aşamasında 0,1 kg, seyir aşamasında 0,52 kg ve iniş aşamasında 0,06 olmak üzere toplamda 0,68 kg hidrojen tüketilmiştir. Geriye kalan 0,32 kg hidrojen acil durumlarda kullanılmak için ayrılmıştır. Toplamda tüketilen enerji miktarı ise 31 kWh’dır.

With an increasing understanding of the clean environment, the aviation industry has turned to renewable energy sources that provide electrical propulsion. Fuel cells are one of the most popular sources of power for electric vehicles terms of being greener, more reliability and higher efficiency. Among fuel cells, the most attractive option for flight is polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). In this thesis, in order to contribute to the concept of electric aircraft in literature, it was aimed to design conceptual hybrid propulsion system by using fuel cell and battery to Cri-Cri which is a single seat aircraft. For the conceptual design, the maximum take-off weight and accordingly the required power was estimated. Then, the characteristics of the aircraft such as take-off speed, take-off distance, climbing rate, climbing speed, climbing angle were determined and the power consumption during the take-off, climbing, cruising and landing stages were determined. Finally, the electrical structure study has been made. The main components of the electrical structure are electric motor, fuel cell system, battery, DC/AC converter and DC/DC converter.After the design was completed, the weight analysis was performed and the duty cycle was determined. Then the amount of hydrogen consumed and the amount of energy consumed were calculated. As a result, Cri-cri needs 26 kW during takeoff, 30 kW during climb, 10 kW during cruise and 7 kW during descent. It also consumed 0.68 kg of hydrogen in total, including 0.1 kg in the take-off and climb, 0.52 kg in the cruise and 0.06 in the descent. The remaining 0.32 kg of hydrogen is reserved for use in emergencies. The total amount of energy consumed is 31 kWh.