Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Значительный рост интереса к нетрадиционной и возобновляемой энергетике (НВЭ) обусловлен двумя основными причинами: а) углублением противоречия между ограниченностью исчерпземых энергетических ресурсов и темпом роста потребления энергии; б) ухудшением состояния окружающей среды.
Это привело к появлению в НВЭ конкурентоспособных технологий с обычными, новых идей рационального и интенсивного использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ).
Одна из таких идей - создание пастбищных автономных овцеводческих гелиокомплексов (ПАОГ) в аридной зоне Туркменистана, выдвинутая академиком Байрамовым Р.Б. - дала импульс к формированию нового направления в НВЭ--гелиокомплексам.
Идея гелиокомплексов по сути отличается от идеи простого комбинирования установок. Гелиокомплексы в широком смысле представляют собой большие и сложные интегрированные жилищно-прокзводстяен.чые объекты - эколого-экономические системы. В настоящее время даже первоначальное понятие "гелиокомплекс ' стало узкой и появилссь понятие "интегрированная гелиосистема" (ИІС). которое подчеркивает, что объект исследования - это структурное объединение не просто элементов, а систем.
К настоящему времени, в Институте Солнечной Энергии Академии Сельхознаук Туркменистана разработаны такие типы гелиокомплексов как ПАОГ, безотходный животноводческий, гелиомелиоратинный, безотходный биологический. Комплексные и комбинированные гелиообъекты исследовались как отечественными, так и зарубежными учеными, например, Сейиткурбановым САмановым Ч.А., Чнментой Д.. Федосенко Л.П., Ашырбаевым М.Х.. Чугуевец Т.П., Аннаевым М., Рахмановым М.А. Ныне перспективность идеи гелиокомплексов стала очевидной.
Многообразие возможных типов, функциональных свойств и особенностей, подходов к анализу их эффективности привели к необходимости и целесообразности систематизации этих объектов, методов их моделирования и синтеза на основе общей теории системного анализа.
Так возникла проблема разработки системы поддержки принятия решений по оптимальному проектированию интегрированных гелиосистем, включающей в себя процедуры генерации: а) математических моделей И ГС; б) методов и алгоритмов
расчета оптимальных параметров, состава и структуры ИГС. Решение этой проблемы связано с эффективным использованием современных достижений математической кибернетики, информатики и вычислительной техники.
Важность поиска оптимальных решений по организации И'С на стадии их проектирования требует исследования комплекса новых проблем, порождаемых применением методов математического моделирования и оптимизации больших и сложных систем в НВЭ. Эти проблемы связаны с необходимостью учета при генерации математических моделей, методов и алгоритмов расчета: а) динамики развития как отдельных элементов, так и структуры ИГС в целом; б) многовариантности элементов: в) мультикритсриалыюсти решаемых задач; г) неопределенности исходной информации.
Успешному решению этих проблем могут способствовать системные исследования в НВЭ. Как ростки нового научного подхода, системные исследования в НВЭ рассматривается как система действий, направленных на отыскание гармоничных взаимосвязей интегрированных гелиосистем с метасистемой "общество-природа".
Этими аргументами определяется актуальность проводимых в работе исследований, направленных на корректное моделирование и синтез И і С. Это обеспечит опенку потенциала проектируемой ИГС и рациональности интегрирования тех или иных гелиосистем, нахождение путей повышения их эффективности функционирования.
ЦЕЛЬЮ работы является разработка комплекса математических моделей, анализ и адаптация вычислительных методов и алгоритмов, а также методологии их практического использования при моделировании и синтезе интегрированных гелиосистем на основе концептуального анализа проблемы рационализации и интенсификации использования НВИЭ.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ базируются на использовании современных методов системного анализа и исследования операций, а также на проведении численных расчетов на ПЭВМ и экспериментальных исследований.
В работе в основном использованы идеи в области системных исследований Глушкова В.М., Моисеева Н.Н., Лебедева А.А., методы и алгоритмы стохастического программирования Ермольева Ю.М.. нелинейного программирования Пшеничного Б.Н., индуктивных методов самоорганизации моделей Изахненко А.Г , а также современные подходы к решению задач линейного программирования, обработке и анализу стохастической и нечеткой информации, теория плакирования эксперимента.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Научная новизна работы подразделена на теоретическое и практическое направления. В научно-теоретическом направлении:
-
На основе сравнительного анализа детерминированного, стохастического и іероч'шостнсго типов задач оценки экономической эффективности гелиообъектов юказано возрастание значений экономических показателей проектируемой ИГС >ри учете неопределенностей, которые являются неотъемлемыми свойствами рункиионирования гелиообъектов. Отмечена ограниченность традиционного подхода мепки экономической эффективности гелиообъектов, заключающегося в его ;<:гермшшрованносги и статичности. Разработан критерий оценки наступления зоны ;онкурентоспособности объектов НВЭ.
-
Проведена классификация ИГС и разработан алгоритм их проектирования.
-
Сформулированы предмет и задачи математической гелиотехники как научного годхода, изучающего современными методами системного анализа взаимоотношение ЧВЭ с метасистемой "общество-природа". Предметом прикладной математической елиотехнкки определены моделирование и синтез ИГС.
-
Предложена концепция построения системы моделей, позволяющей с учетом лобенностей исследуемого класса ИГС ставить и решать широкий класс задач по ттимальному проектированию ИГС. На основе этой концепции предложен алгоритм геследсвателыгок формализации моделей, описывающих исследуемую систему на ;азличнмх уровнях детализации. Это' а) обеспечивает согласованный выбор премированной и детализированной модели И! С, и б) позволяет сократить млмерносіь решаемых задач.
5. На основании концепции построения системы моделей предложены
методологические приемы по решению задач синтеза ИГС. Их суть сводится к
ісследоп>знию ИГС на различных уровнях организации систем: локальном, зональном
! региональном с выбором соответствующих моделей, методов и алгоритмов расчета.
6. Исследован комплекс задач оптимального проектирования ИГС в линейной
і нелинейной детерминированной, стохастической и вероятностной постановке.
Іроаналк-шрованьї вычислительные методы решения поставленных задач и проблема
їх практической оптимизации.
Полученные научно-теоретические результаты использованы для решения фактических задач. Поэтому в научно-практическом направлении научную новизну іаботьі составляют:
7. В области формирования репрезентативной внешней информации: - разработка
іростой, корректной и быстрой процедуры вероятностного моделирования суточной
олнечной радиации с возможностью учета межсуточной корреляции на базе обработки
.ктинокетрических наблюдений за 14 лет в месячном разрезе. Качество моделирования
«ценено по критерию Колмогорова-Смирнова. Значения вероятности приемлимости
гипотезы об одинаковости функций распределения моделируемых и актннометричсских данных составляет от 84% до 99%;
- предложен методический подход к оценке степени деградации пустынных пастбищ.
Оправдываемость прогноза урожайности пастбищ с использованием метода группового
учета аргументов в период апробации программного обеспечения в Туркменгидромете
за 1984-1987 годы составила от 84.5% до 88.3%, качество прогноза 4 балла,
абсолютная ошибка прогноза не превышала 7 кг/га.
8. В области оптимизации элементов ИГС-
Анализ задачи обеспечения теплового комфорта в помещении с использованием солнечной пассивно-активной и традиционной систем теплохладоснабжения.
Исследование проблемы оптимизации технологических параметров биореактора по производству биогаза из отходов мелкого рогатого скота. Проведены активные лабораторные эксперименты: четырехфакторныи, по принципу латинского квадрата и двухфакторный симплекс-суммируемый. По критерию Кохрена с уровнем значимости 0.05 проверена надежность проведенных экспериментов, оценены ошибки воспроизводимости. Разработаны адекватные математические модели оптимальной сложности процесса выхода биогаза и его компонентов в зависимости от шести основных факторов: температуры процесса; влажности, степени загрязненности и минерализации субстрата; дозы загрузки и продолжительности брожения; состава трехкомпонентного субстрата. Разработано уравнение изменения масштаба биореактора. Решена задача оптимизации промышленного биорсактора по технологическому критерию - максимизации выхода товарного метана.
Анализ влияния стохастичности солнечной радиации на производительность фотореактора по выращиванию хлореллы и значения выходных показателей. Оценено, что относительная погрешность при определении площади светоприемной поверхности фотореакторов от стохастичности солнечной* радиации может дойти до 35 /о. Исследована роль хлореллы в кормовом рационе животных,
9. Решения задач синтеза ИГС на локальном уровне: - эадачя синтеза системы
водоснабжения в детерминированной, стохастической и вероятностной постановках.
Показана роль размаха дисперсии при постановке этих задач. Выявлена возможность
организации автономной системы водоснабжения с СОУ в пустынной местности,
обеспечивающей потребности в воде с 95 /о вероятностью;
- стохастическая задача синтеза системы электроснабжения потребителей с учетом
дискретности количества ветроагрегатов. Выяалена необходимость постановки
многокритериальных задач, так как одинаковые значения критерия - минимума
приведенных затрат - с малой погреитостью (до 3 /о) наблюдается при различных
значениях искомых переменных: количества ветроагрегатов, площади' фотопреобразователя и солнечного кол\ектора. Проанализировано влияние интервале* моделирования на результат решения. Показана некорректность месячного интервала моделирования из-за аффекта осреднения характеристик наружного климата (особенно скорости ветра);
- задача тепло- к кормообєспечения в безотходном животноводческом комплексе.
Определена динамика прнозводства и складирования хлореллы, выявлено
перепроизводство тепловой энергии и отмечена необходимость модернизации
критериальной функции с не.'ыо вовлечения я переменные мощности потребителей,
10. На зональном уровне синтеза ИІ С: - разработка алгоритма районирования
ИГС по природно-климатическим условиям. На примере задачи районирования
солнечных опреснительных комплексов (СОК) показана необходимость учета
неопределенностей с использованием теории нечетких множеств;
- разработка многокритериальной математической модели размещения
опреснительных комплексов производственно-транспортного типа. Проанализированы
стохастический и детерминированный виды моделей, методы их расчетов. Задача
размещения СОК решена методам главного критерия для пяти вероятных пунхтез
размещения колодцез, СОК и потребителей. Показана целесообразность исследования
таких задач, позволяющих путем взаимодействия локальных пунктов повысить
потенциал зоны.
11. В рамках исследований по анализу роли НВЭ на региональном уровне:
- разработка и исследование оценочной модели развития топливно-энергетического
комплекса Туркменистана с. учетом НВЭ и экспортно-импортных возможностей
регаона в энергоресурсах. Определена перспективность широкого использования
НВИЭ при экспортирующей направленности природного газа с утратой роли нефти
с течением времени с точки зрения максимизации дохода Туркменистана от
производства и продажи энергоресурсов с учетом экологии. Изучены пути
совершенствования этой модели.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Разработанные и использованные
в работе математические модели, вычислительные методы и алгоритмы позволяют путем практической оптимизации ИГС: а) повысить обоснованность и качество принимаемых решений в области использования НВИЭ, б) сократить затраты на раэработку научно-исследовательских программ по созданию ИГС. в) обеспечить сбалансированность развития НВЭ.
Разработанные методические материалы, математические модели и программные
обеспечения ориентированы на использование их в различных информационных системах, в системах автоматизированного проектирования и поддержки принятия решений, в проведении исследовательских расчетов при решении задач оуснки, обоснования и выбора рациональных вариантов кратко-, средне- и долгосрочных программ развития
нвэ.
В отдельности результаты работы могут быть использованы в различных областях науки и техники.
Результаты диссертационной работы использованы в различных организациях при решении практических задач. 1.Результаты работы по моделированию наружного климата приобретены Институтом Технической Теплофизики Украины. 2.Программное обеспечение по прогнозированию урожайности агрокультур (урожайности пастбищ и хлопка) внедрена в Туркменгидромете. 3.Результаты работы по затенению гелиоустановок использованы при анализе процесса функционирования гелиотеплиц в совхозе "Карши" Кашкадарьинской области и Каршинском тепличном комбинате Республики Узбекистан. 4.Результаты работы использованы в ИСЭ АСХНТ при проектировании различных гелиосистем.. 5.Результаты работы использованы в учебном процессе на кафедре охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов Туркменского политехнического института в 1993 г. б.Результаты работы по прогнозированию использованы в 1 уркменском государственном мединституте при оценке люминисценции миокарда.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. 1. Выездное заседание секции "Тепло-и массообмен" Научного Совета по Комплексной проблеме " Теплофизика и теплоэнергетика " АН СССР, Ашхабад, Ноябрь, 1986 г. 2. Всесоюзное рабочее совещание "Гидродинамика и процессы переноса в биореакторах", Новосибирск, 18-20 Октября 1988 г. 3. Международный симпозиум по тепломассопереносу в зданиях, Дубровник, Югославия, 4-8 Сентября 1989 г. 4. IX Международный конгресс по энергии и окружающей среде, Майами, США, 11-13 Декабря, 1989 г. 5. IV научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов АН ТССР, Ашхабад,Октябрь,1987 г. 6. Конференция "Проблемы кибернетики", Киев, ИК АН УССР, 28.05-01.06 1990 г. 7. Всесоюзное совещание "Проблемы агрометеорологического обеспечения сельского хозяйства", Курск, 24-28 Сентября 1990 г. 8. Всесоюзная конференция "Экологические проблемы охраны живой природы", Москва, 10-15 Декабря 1990г. 9. Всесоюзное совещание "Гидрометеорологическое обеспечение пастбищного животноводства", Ашхабад-Москва,
3-6 Сентября 1991г. 10. Всесоюзная конференція "Газотурбинные и комбинированные установки", Москва, МГТУ, 19-21 Ноября 1991г. 11. Научно-практическая конференция "Использование солнечной энергии з народном хозяйстве", Ташкент, 24-26 Сентября 1991г. 12. Доклад на семинаре "Математические методы в экономике" ЗапГУ. Запорожье, Декабрь, 1991г. 13. Международный форум по тепломассообмену, Минск, ИТМО, Май. 1992. 14. Конференция стран СНГ "Человек. Природа. Общество.", Ашгабат, 1992. 15. Отдельные части работы неоднократно обсуждались на семинарах в Институте Солнечной Энергии АСХНТ, Институте Пустмнь АНТ, технических совещаниях в Т уркмеигидромете. 16. Международная конференция по экологии,Алма-Ата, 1993. 17.Туркмено-Иранский семинар по возобновляемым источникам энергий, Ашгабат, Сентябрь, 1993г..
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД. Все основные положения и результаты, выносимые на защиту, получены автором.
ПУБЛИКАЦИЯ. По содержанию работы опубликовано 31 печатная работа.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, шести глав, выводов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Всего 228 страниц, включая рисунки и таблицы.
ПРИЗНАТ ЕЛЬНОСТЬ. Автор выражает свою глубокую признательность академику Байрамову Р.Б., профессору Тойлиеву К.Т., доктору технических наук Чугугвец 1 .П. за постоянное внимание к работе, полезные советы и сотрудничество, ,1 также, кандидатам технических наук Мезилову К.А., Ханову Ч.Х., Ахмедову Я., научному сотруднику Маиіаеву К.Х. за совместное сотрудничество при выполнении работы.