Matlab/Simulink Model for the Use of Supercapacitors in Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicles

Abstract

In parallel with the rapid growth of the world population, the fuel consumption of the aviation industry, which is indispensable especially in trade, tourism and military fields, continues to increase at a rapid pace. The energy and environmental problems arising from this consumption have become a common international problem. For this reason, following the use and development of classical energy production methods, new technologies and alternative solutions have begun to be produced in line with the demands of the energy market. These demands are; energy is more reliable, cheaper and better quality, and more environmentally friendly. The amount of carbon dioxide emissions from air vehicles has a large share in the amount of carbon dioxide that the total transport traffic carries in the world. For this reason, in recent years, studies and applications for the use of renewable energy sources such as solar, hydrogen, biomass and nuclear energy instead of fossil jet fuels have gained momentum in air vehicles. In this article, with the Matlab/Simulink Model, an unmanned aerial vehicle covered with a photovoltaic panel on the wing has created the MPPT algorithm to make maximum use of solar radiation, and the system has been provided to operate more efficiently. In this simulation, a supercapacitor, which is an energy storage system different from the applications realized so far, was preferred and a model was designed to feed the brushless DC motor (BLDC) at the output and the simulation results were evaluated. It is considered that this simulation model will form the infrastructure for an actual multi-disciplinary application and will shed light on other studies to be conducted in this field.

Keywords

• Unmanned Aerial Vehicle (UAV)
• solar energy
• photovoltaic
• supercapacitor (ultracapacitor)
• Simulink

Süperkapasitörlerin Güneş Enerjili İnsansız Hava Araçlarında Kullanımına Yönelik Matlab/Simulink Modeli

Abstract

Dünya nüfusunun hızla artmasına paralel olarak, özellikle ticaret, turizm ve askeri alanlarda vazgeçilmez olan havacılık sektörünün yakıt tüketimi de çok hızlı bir ivmeyle artmaya devam etmektedir. Bu tüketimden dolayı ortaya çıkan enerji ve çevre sorunları uluslararası ortak bir sorun haline gelmiştir. Bu nedenle klasik enerji üretim yöntemlerinin kullanımı ve geliştirilmesinin ardından, enerji piyasasının talepleri doğrultusunda, yeni teknolojiler ve alternatif çözümler üretilmeye başlanmıştır. Bu talepler; enerjinin daha güvenilir, daha ucuz ve daha kaliteli olması ile birlikte daha çevreci olması yönündedir. Hava araçlarının karbondioksit emisyonu miktarı, dünyadaki toplam ulaştırma trafiğinin yaydığı karbondioksit miktarında büyük bir paya sahiptir. Bu nedenle son yıllarda, hava araçlarında fosil jet yakıtı yerine güneş, hidrojen, biokütle ve nükleer enerji gibi yenilenebilir enerji kullanımına yönelik araştırmalar ve uygulamalar hız kazanmaktadır. Bu makalede; Matlab/Simulink Modeli ile kanat üzeri fotovoltaik panel ile kaplanmış bir insansız hava aracında güneş ışınımından maksimum düzeyde yararlanabilmek için MPPT algoritması oluşturularak sistemin daha verimli çalışması sağlanmıştır. Bu simülasyonda bugüne kadar gerçekleştirilmiş uygulamalardan farklı bir enerji depolama sistemi olan süperkapasitör tercih edilmiş olup çıkıştaki fırçasız DC motor (BLDC) beslenecek şekilde bir model tasarlanmış ve simülasyon sonuçları değerlendirilmiştir. Bu simülasyon modelinin; çok disiplinli gerçek bir uygulama için altyapı oluşturacağı ve bu alanda yapılacak diğer çalışmalara ışık tutacağı değerlendirilmektedir.

Keywords

• İnsansız Hava Aracı (İHA)
• güneş enerjisi
• fotovoltaik
• süperkapasitör (ultrakapasitör)
• Simulink

References

1. Köktürk, G., Akkurt H.B., Tokuç A., 2015. “Yenilenebilir Enerji Alaninda Sosyal Bilincin Arttırılması; İsem: İzmir Yenilenebilir Enerji Müzesi” DEÜFMD 17(51), 191-200.
2. ATAG 2020, The Waypoint 2050 report,Air Transport Action Group (ATAG) Global Sustainable Aviation Forum, Geneva, 2020, https://aviationbenefits.org/environmental-efficiency/climate-action/waypoint-2050/ Son erişim tarihi: 01.06.2021.
3. Noth, A. and Siegwart, R. 2008. “Design of Solar Powered Airplanes for Continuous Flight”, Autonomous Systems Laboratory, ETH Zürich, Switzerland.
4. Solar impulse (Solar Powered Aircraft), http://www.solarimpulse.com, Son erişim tarihi: 03 .06.2021.
5. Sener, E., Turk, I., Yazar, I. and Karakoç, T.H., 2020. "Solar powered UAV model on MATLAB/Simulink using incremental conductance MPPT technique", Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Vol. 92 No. 2, pp. 93-100. https://doi.org/10.1108/AEAT-04-2019-0063.
6. Zhu, X., Guo,Z., Houn,Z. 2014. “Solar-powered airplanes: A historical perspective and future challenges”, College of Aerospace Sciences and Engineering, National University of Defense Technology, China.
7. Gao, Z., Hou Z, Guo Zheng, Liu J., Chen X. 2013. “Energy management strategy for solar-powered high-altitude long-endurance aircraft”, Energy Conversion and Management 70 (2013) 20–30.
8. Özcan, S.G. 2015. “Design And Manufacturing Of A Solar Powered Unmanned Air Vehicle”, Aerospace Engineering Department, METU,Türkiye.

9. EİE. “Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü”,http://www.eie.gov.tr/yenilenebilir/g_enj_tekno.aspx, Son erişim tarihi: 3 Mart 2021.
10. Abbe, G., Smith, H. 2016. “Technological development trends in Solar‐powered Aircraft Systems”, Department of Aerospace Engineering, School of Aerospace, Transport and Manufacturing, Cranfield University, Cranfield, MK430AL,UK.
11. Won-Pyo Hong, 2014. “A Matlab/Simulink-Based PV array-Supercapacitor Model Employing SimPowerSystem and Stateflow Tool Box”, Journal of KIIEE, Vol.28, No.12.
12. Karanfil, A., 2021. “Kısmi Gölgelenme Durumundaki Seri Bağlı Fotovoltaik (FV) Panellerde Bypass Diyotunun Kullanılmasının Sistem Gücü Üzerine Etkisi” DEÜFMD 23(68), 621-630.
13. Aktaş A., 2016. “Şebeke Bağlantili Fotovoltaik Tabanli Batarya Ve Ultrakapasitörlü Hibrit Sistemin Akilli Enerji Yönetimi”, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalı, Kocaeli, Türkiye.
14. Fıratoğlu Z.A., Yeşilata B., 2003. “Maksimum Güç Noktası İzleyicili Fotovoltaik Sistemlerin Optimum Dizayn ve Çalışma Koşullarının Araştırılması”, DEÜFMD 5(1), 147-158.
15. Kurak, E , Erdemir, V , Dursun, B . 2016, PV Sistemin İçin Maksimum Güç Noktası İzleyicisi Tasarımı ve Uygulaması. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi , 4 (2), 581-592.
16. Morales, D.S., 2010, Maximum power point tracking algorithms for photovoltaic applications, Yüksek Lisans Tezi, Aalto University, Esbo–Finlandiya.
17. Berradi S.,Moutaouakkil F., Medromi H. 2016. “Hybrid Electrical Architecture for Vertical Takeoff and Landing Unmmaned Aerial Vehicle”, EAS research group, ENSEM, Hassan University of Casablanca, Morocco.
18. Yıldırım N. 2017. “Mikron Altı Boyutlarda Küresel Karbon Partiküllerin Sentezi Ve Süperkapasitör Elektrotlarında Kullanımı”, Gazi, Türkiye.
19. Oldham, K. B. 2008, “A Gouy-Chapman-Stern model of the double layer at a (metal)/(ionic liquid) interface.” J. Electroanalytical Chem. Vol. 613, No. 2, 2008, pp. 131–38.
20. Xu, N., and J. Riley 2011. “Nonlinear analysis of a classical system: The double-layer capacitor.” Electrochemistry Communications. Vol. 13, No. 10, 2011, pp. 1077–81.
21. Tabak, A., 2020. Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Hız Kontrolünü Gerçekleştirmek İçin PID/PD Kontrolcü Tasarımı ve Performans İncelemesi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (19), 145-155.