Jeotermal ve güneş enerjisinin elektrik ve hidrojen üretimi,  ısıtma ve soğutma için kullanılmasının  yapay sinir ağları ile modellenmesi, termoekonomik analizi ve optimizasyonu
Artificial neural networks modeling and  thermoeconomic analysis and optimization of  geothermal and solar energy use in electricity and hydrogen generation, heating and cooling
Yazar: OZAN ŞEN
Danışman: DOÇ. CEYHUN YILMAZ
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezin amacı, jeotermal ve güneş enerjisinin elektrik ve hidrojen üretimi ile birlikte ısıtma ve soğutma için kullanılması amacıyla uygun modellerin geliştirilmesidir. Geliştirilen modellerin termodinamik ve termoekonomik analizlerinin ardından Yapay Sinir Ağları (YSA) kullanılarak tasarımı, ve Genetik Algoritma yöntemi ile optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma sonucunda, ihtiyaç duyulan farklı enerji formlarının üretilmesinde jeotermal ve güneş enerjisinin en uygun sistem ve sistem kombinasyonları ile uygun çalışma şartlarında kullanılması hedeflenmiştir. Farklı jeotermal kaynak sıcaklıklarında ve değişen güneş ışınımlarında modellerin parametrik analizleri yapılmıştır. Modellerin optimizasyon çalışmaları sonucunda güç, ısıtma ve soğutma üretimini maksimize edecek ve üretilen birim elektriğin, hidrojen, ısıtma ve soğutmanın birim maliyetlerini minimize edecek optimum çalışma şartları elde edilmiştir. İncelenen sistemler bilgisayar ortamında EES, MATLAB ve Aspen Plus ile modellenmiş ve tüm analizler bu programlar kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Modellerin analizlerinde jeotermal akışkanın sıcaklığı 130ºC ve kütlesel debisi 85 kg/s ile aylık ortalama güneş ışınım şiddeti olan 600 W/m2 dikkate alınmıştır. Modellerin termodinamik ve termoekonomik analiz sonuçları üzerinden yapılan YSA tabanlı optimizasyonu sonucunda Model 1'in toplam net güç çıktısı, depolanan hidrojenden şebekeye destek olarak elektik üretimi ve hidrojen üretim kapasitesi sırasıyla 4569 kW, 3180 kW 0.0185 kg/s hesaplanmıştır. Model 2'nin toplam net güç çıktısı 3061 kW ve soğutma kapasitesi 2761 kW hesaplanmıştır. Model 3'ün toplam net güç çıktısı, depolanan hidrojenin şebekeye destek olarak elektrik üretimi, ısıtma kapasitesi ve hidrojen üretim kapasitesi sırasıyla 3285 kW, 2252 kW, 10,274 kW ve 0.0154 kg/s olarak hesaplanmıştır. YSA tabanlı optimizasyon sonucunda, Model 1'de üretilen elektriğin ve hidrojenin birim maliyeti sırasıyla 0.077 $/kWh ve 1.921 $/kg hidrojen hesaplanmıştır. Model 2'de üretilen elektriğin ve soğutmanın maliyeti sırasıyla 0.014 $/kWh ve 0.052 $/kWh'dır. Model 3'de üretilen elektriğin, hidrojenin ve ısıtmanın birim maliyeti sırasıyla 0.0778 $/kWh, 1.491 $/kg hidrojen ve 0.0050 $/kWh olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
The aim of this thesis is to develop suitable models for the use of geothermal and solar energy for electricity and hydrogen production as well as for heating and cooling. After the thermodynamic and thermoeconomic analysis of the developed models, the models are designed using Artificial Neural Networks (ANN) and optimized with the Genetic Algorithm method. As a result of this study, it is aimed to use geothermal and solar energy with the most suitable system and system combinations under appropriate operating conditions in the production of different energy forms. Parametric analysis of the models at different geothermal source temperatures and varying solar radiation are performed. As a result of the optimization studies of the models, optimum operating conditions have been obtained that will maximize power, heating, and cooling production and minimize the unit costs of the unit electricity produced, hydrogen, heating, and cooling. The systems examined are modeled in a computer environment with the help of EES, MATLAB, and Aspen Plus, and all analyzes are performed using these programs.
In the analysis of the models, the temperature of the geothermal fluid is 130ºC, its mass flow is 85 kg/s and the monthly average solar radiation intensity is 600 W/m2. The total net power output of Model 1, electricity generation from stored hydrogen as a support to the grid, and hydrogen production capacity is calculated to be 4569 kW, 3180 kW and 0.0185 kg/s, respectively. Model 2 has a total net power output of 3061 kW and a cooling capacity of 2761 kW. The total net power output of Model 3, electricity generation from stored hydrogen as a support to the grid,  heating capacity and hydrogen production capacity is calculated to be 3285 kW, 2252 kW, 10,274 kW and 0.0154 kg/s, respectively. As a result of ANN-based optimization, the unit cost of electricity and hydrogen produced in Model 1 is calculated to be 0.077 $/kWh and 1.921 $/kg hydrogen, respectively. The unit cost of electricity and cooling produced in Model 2 is 0.014 $/kWh and 0.052 $/kWh, respectively. The unit cost of electricity, hydrogen and heating produced in Model 3 is calculated as 0.0778 $/kWh, 1.491 $/kg hydrogen and 0.0050 $/kWh, respectively.