FPGA Üzerinde Jeotermal Enerji Destekli Hidrojen Üretim Sisteminin YSA İle Ekonomik Analizi

Abstract

In this study, the economic analysis of a geothermal energy assisted hydrogen production system has been performed using Artificial Neural Networks (ANN) in real time on Field Programmable Gate Array (FPGA). During the modeling of the system in computer environment, a liquid geothermal resource with a temperature of 200 ºC and a flow rate of 100 kg/s is used for electricity generation and this electricity is used as a work input in the electrolysis unit to split of water into the hydrogen and oxygen. In the designed system, the net work produced from the geothermal power cycle, the overall exergy efficiency of the system, the unit cost of the produced hydrogen and the simple payback period of the system (Nsbp) have been calculated as 7978 kW, 46.6%, 1.088 $/kg H2 and 4.096 years, respectively. In the second stage of the study, Feed-Forward ANN (FFANN) model with a single hidden layer has been used for modeling the system. The activation functions of hidden layer and output layer are Tangent Sigmoid and Linear functions, respectively. 45 data sets have been used for learning while 15 data sets have been used for testing. In the last stage of the study, geothermal energy assisted hydrogen generation system has been implemented on FPGA using the Matlab-based FFANN model of the system as a reference. 32-bit IEEE-754-1985 floating point format has been used in VHDL for the design. The implemented unit has been synthesized for the Xilinx VIRTEX–6 chip using Xilinx ISE Design Suite. After the Place and Route process, the maximum operating frequency and chip statistics of the FPGA-based geothermal energy assisted hydrogen production system designed unit have been presented.

Bu çalışmada, FPGA çipleri üzerinde jeotermal enerji destekli hidrojen üretim sisteminin ekonomik analizi gerçek zamanlı olarak yapay sinir ağları ile modellenmiştir. Çalışmada, sistemin bilgisayar ortamında modellenmesinde, elektrik elektroliz ünitesinde suyun hidrojen ve oksijene parçalanmasında gerekli elektrik işini sağlamak için 200ºC sıcaklık ve 100 kg/s debiye sahip sıvı bir 271 jeotermal kaynak kullanılmıştır. Tasarımı yapılan sistemde jeotermal güç çevriminden üretilen net iş 7978 kW, sistemin genel ekserji verimi 46.6%, üretilen hidrojenin birim maliyeti 1.088 $/kg H2 ve sistemin geri ödeme süresi (Nsbp) 4.096 yıl olarak hesaplanmıştır. İkinci aşamada, sistemin Yapay Sinir Ağları (YSA) ile modellenmesi için tek gizli katmana sahip ileri beslemeli YSA modeli kullanılmıştır. YSA gizli katmanında aktivasyon fonksiyonu olarak Tanjant Sigmoid Aktivasyon fonksiyonu ve çıkış katmanında ise Purelin aktivasyon fonksiyonu kullanılmıştır. YSA modellemesi aşamasında 45 veri seti eğitim için ve 15 veri seti test için ile kullanılmıştır. Son aşamada ise Matlabtabanlı ileri beslemeli YSA modeli referans alınarak, jeotermal enerji destekli hidrojen üretim sistemi FPGA çipleri üzerinde çalışmak üzere 32-bit kayan noktalı sayı standardı ile ünitesi VHDL dilinde kodlanmıştır. Ünite Xilinx ISE Design Suite programı kullanılarak VIRTEX-6 çipi sentezlenmiştir. Place ve Route işleminin ardından FPGA-tabanlı jeotermal enerji destekli hidrojen üretim sisteminin maksimum çalışma frekansı ve çip istatistikleri sunulmuştur.