Katı oksit yakıt piline entegreli bir trijenerasyon sistemin proses modellemesi ve çok amaçlı optimizasyonu
Process modeling and multi-objective optimization of a trigeneration system integrated to solid oxide fuel cell
Yazar: ÜNSAL AYBEK
Danışman: PROF. DR. LÜTFÜ NAMLI
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, eş zamanlı güç, soğutma ve ısıtma enerjileri sağlayan Katı Oksit Yakıt Pili (KOYP) tabanlı bir trijenerasyon sistem modeli tasarlandı. Trijenerasyon sistem modeli, bir KOYP-gaz türbini (KOYP-GT) hibrit sistemi, bir organik Rankine çevrimi (ORÇ), bir absorpsiyonlu soğutma (ABS) ve bir su ısıtma sistemlerini içerecek şekilde oluşturuldu. Trijenerasyon sistemin matematiksel modeli, EES programında oluşturuldu. Sistemden, minimum maliyet ve emisyon salınımı, maksimum güç, enerji ve ekserji verimi elde edilmesi amaçlandı. Tasarım parametresi olarak seçilen akım yoğunluğu, operasyon sıcaklığı, yakıt kullanım faktörü, hava kullanım faktörü, basınç oranı, ORÇ evaporatör basıncı ve ABS zayıf çözelti konsantrasyonunun sistem performansları üzerindeki etkileri incelendi. 
En uygun tasarım koşullarını belirlemek için tek amaçlı ve çok amaçlı optimizasyon çalışmaları yapıldı. Sırasıyla, KOYP-GT hibrit sistemi, ORÇ sistemi ve son olarak ABS sistemi optimize edildi. KOYP-GT hibrit sisteminin tek amaçlı optimizasyonları genetik algoritma metoduyla, çok amaçlı optimizasyonu ise TOPSIS yöntemiyle gerçekleştirildi. TOPSIS'e karar matrisi oluşturmak için MATLAB programında bir yapay sinir ağı (YSA) modellendi. YSA'da hedef çıktılar ile gerçek çıktılar arasındaki hata %1'den küçük oran ile gerçekleşti. YSA modeli ağ prosedürünün önemli ölçüde geçerli olduğu görüldü. ORÇ ve ABS sistemlerinin tek amaçlı optimizasyonları Altın Oran Arama ve ikinci dereceden fonksiyon yaklaşımı yöntemleri kullanılarak gerçekleştirildi. ORÇ sisteminde tüm amaç fonksiyonlarının, aynı tasarım koşullarında optimum noktaya ulaştığı belirlendi. ABS sisteminde ise optimum koşulların tüm amaç fonksiyonları için farklı tasarım koşullarında gerçekleştiği görüldü. ABS sisteminin çok amaçlı optimizasyonu için de TOPSIS yöntemi kullanıldı. 
Çok amaçlı optimizasyon sonuçlarına göre trijenerasyon sistemden, 979.93 kW net elektriksel güç, 57.42 kW soğutma kapasitesi ve 36.36 kW sıcak su ısıtma kapasitesi elde edildi. Optimum koşullarda KOYP-GT hibrit sistemine diğer sistemlerin entegre edilmesiyle enerji veriminin %52.85'den % 63.78'e, ekserji veriminin %50.98'den  %56.49'a yükseldiği aynı zamanda çevresel performans indeksinin (EMI) 373.7 kgCO2/MWh'den  309.7 kgCO2/MWh'e, spesifik ekserji maliyetinin (SEM) 29.29 $/GJ'den 27.24 $/GJ'e düştüğü belirlendi.

Abstract:
In this thesis study, a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) based trigeneration system model that provides simultaneous power, cooling and heating energies was designed. The trigeneration system model was created to include a SOFC-gas turbine (SOFC-GT) hybrid system and an organic Rankine cycle (ORC), an absorption cooling (ABS), and a water heating systems.The mathematical model of the trigeneration system was created in the EES program. It was aimed to obtain minimum cost and emission and maximum power, energy and exergy efficiency from the system. The effects of design parameters, that is, current density, operating temperature, fuel usage factor, air usage factor, pressure ratio, ORC evaporator pressure and ABS weak solution concentration, on the system performances were examined. 
Single-objective and multi-objective optimization studies were performed to determine the most appropriate design conditions. Respectively, the SOFC -GT hybrid system, the ORC system and finally the ABS system were optimized. Single-objective optimizations of the SOFC-GT hybrid system were carried out with the genetic algorithm method, and multi-objective optimization was carried out with the TOPSIS method. An artificial neural network (ANN) was modeled in the MATLAB program to create the decision matrix for TOPSIS. In ANN, the error between target outputs and actual outputs was less than 1%. The ANN model network procedure was found to be significantly valid. Single-objective optimizations of ORC and ABS systems were carried out using Golden Section Search and Quadratic Approximation methods. It was determined that all objective functions in the ORC system reached the optimum point under the same design conditions. In the ABS system, it was observed that the optimum conditions were realized under different design conditions for all objective functions. TOPSIS method was also used for multi-objective optimization of the ABS system.
According to the multi-objective optimization results, 979.93 kW net electrical power, 57.42 kW cooling capacity and 36.36 kW hot water heating capacity were obtained from the trigeneration system. Under optimum conditions, it was determined that integrating other systems into the SOFC-GT hybrid system increased energy efficiency from 52.85% to 63.78% and exergy efficiency from 50.98% to 56.49%. Additionally, the environmental performance index (EMI) decreased from 373.7 kgCO2/MWh to 309.7 kgCO2/MWh. and the specific exergy cost (SEM) decreased from $29.29/GJ to $27.24/GJ.