Введение к работе
Актуальность темы.
В современном обществе появляются все новые проблемы, особо сложные на стыке наук, решение которых возможно только с учетом системы взаимосвязей объектов реального мира. Поэтому системность становится одним из главных аспектов практической деятельности, она обеспечивает эффективные способы преодоления проблемных ситуаций с использованием системных исследований, реализуемых на основе системного подхода.
Основу системных исследований составляет разработка общих методов и средств анализа и синтеза объектов исследования, формализация описания их целостных характеристик, анализ соотношений компонентов системы между собой и окружающей средой. Таким образом, системность становится одним из главных аспектов практической деятельности, что обуславливает проведение комплексных исследований при решении практических задач.
Одной из таких задач является эффективность функционирования систем энергоснабжения, которая является одной из важнейших характеристик обеспечения жизнедеятельности и развития региона. Повышение энергоэффективности и энергобезопасности, переход к рациональной модели потребления ресурсов при минимальных затратах на производство, преобразование, транспорт и потребление энергоносителей являются приоритетами стратегического развития регионов. Внедрение нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в энергобаланс региона - необходимое условие реализации указанной стратегии.
Краснодарский край имеет многолетний опыт практического использования возобновляемых источников энергии. Согласно оценочным данным долгосрочной краевой целевой программе "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на территории Краснодарского края на период 2011 - 2020 годов" за счет реализации полного потенциала использования возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае можно получать до 2200 МВт тепловой энергии и 1300 МВт электрической энергии взамен получаемой из традиционных углеводородов.
В связи с этим актуальным является разработка методики комплексной оценки потенциала НВИЭ и вовлечения их в энергобаланс региона на основе системных исследований, что требует совершенствования методологии системного анализа с применением современных информационно-коммуникационных технологий.
Объект исследования: энергетическая система с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Предмет исследования: методика оценки эффективности вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона, её математическое и программное обеспечение.
Цель работы: разработка методики оценки эффективности вовлечения нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергобаланс на основе методов и принципов системного подхода.
Для достижения цели в работе необходимо решить следующие задачи:
обосновать необходимость применения методов системного анализа при решении проблем вовлечения систем с НВИЭ в энергобаланс региона; определить необходимый для этого инструментарий; определить возможности применения современных информационно-коммуникационных технологий для реализации методов системного анализа;
исследовать существующие модели поступления и потенциала НВИЭ; определить систему математических моделей, позволяющих оценивать поступление и потенциал различных НВИЭ с учетом особенностей технологии преобразования энергии; проанализировать технологии преобразования энергии, получаемой из НВИЭ, их технико-экономические характеристики, а также перспективы их дальнейшего развития;
определить возможность использования и структуру геоиформационных систем (ГИС) как технологии автоматизации системных исследований, проанализировать возможность использования распределенных и удаленных, оперативных и ретроспективных источников данных (баз данных актинометрических наблюдений);
разработать методику вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона, включающую выбор критериев оценки эффективности энергосистем с НВИЭ из полной системы критериев; методы их количественной оценки; алгоритмы получения множества допустимых решений задачи многокритериальной оптимизации в условиях неполной исходной информации и выбора предпочтительных вариантов вовлечения НВИЭ в энергетическую систему;
разработать программный комплекс для реализации предложенной методики вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона и выбора оптимальных вариантов, проанализировать его структуру и возможности применения.
Методы исследования: математического моделирования, математической статистики, оптимизации в условиях неопределенности, теории полезности, обработки экспертных знаний.
Научная новизна выполненных в диссертации исследований заключается в разработке методического, математического и программного обеспечения технологии вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона и состоит в следующем:
проведено исследование энергетической системы с НВИЭ методами системного анализа, включающее обоснование и определение возможности использования методов многокритериальной оптимизации, анализа и принятия решений; разработку системы моделей поступления и потенциала НВИЭ с учетом особенностей технологии преобразования энергии;
обоснована возможность интеграции геоинформационных технологий и инструментария системного анализа для хранения и доступа к пространственно-временным данным, используемым для построения моделей поступления и определения потенциала НВИЭ;
выполнен синтез методики выбора и оценки критериев эффективности энергетических систем с НВИЭ;
разработана методика вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона, реализующая оценку эффективности различных вариантов замещения энергии, получаемой от НВИЭ, на основе решения задачи оптимизации сочетания характеристик моделей источников нетрадиционной энергии и современных технологий ее преобразования;
создан программный комплекс, реализующий предложенную методику.
Практическая значимость работы заключается в обобщении опыта проведения системных исследований в области НВИЭ, предложена методика оценки эффективности вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона, создан и апробирован программный комплекс, который использован при принятии решений по вопросам оценки эффективности вовлечения солнечных, ветровых и других установок в энергосистему различных районов Краснодарского края и Республики Адыгея.
Реализация и внедрение результатов работы.
Проведение исследований, отражённых в диссертации, было поддержано в рамках проектов РФФИ: «Системный анализ энергокритичных объектов на основе возобновляемых источников энергии» (№06-08-96804), «Теоретические исследования и системные решения развития альтернативной энергетики в Южном Федеральном округе» (№08-08-99132)
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 24 международных, всероссийских и региональных конференциях. Некоторые из них: международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы управления - 2002» (Москва, 2002 г.); международная научная конференция «Системный синтез и прикладная синергетика» (Пятигорск, 2006 г.); научно-практическая конференция грантодержателей Российского фонда фундаментальных исследований и администрации Краснодарского края «Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края» (Краснодар, 2009 г.); IX Всероссийская научная конференция молодых ученых и аспирантов «Информационные технологии, системный анализ и управление» ЮФУ, (Таганрог, 2011 г.); международная научная конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики», Воронежский государственный университет (Воронеж, 2012 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
методика применения математического обеспечения системных исследований на основе многокритериальных оптимизационных моделей, анализа и принятия решений в задаче эффективного вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона;
система математических моделей для оценки комплексного потенциала НВИЭ с возможностью интеграции в современные ГИС, включающая модели поступления и характеристики технологий преобразования энергии, полученной от различных видов ВИЭ;
методика определения эффективности вариантов вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона;
программное обеспечение методики вовлечения НВИЭ в энергобаланс региона.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 172 страницы машинописного текста, 43 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 139 наименований.
