автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Моделирование и синтез интегрированных гелиосистем

РГБ ОД

АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ТУРКМЕНИСТАНА ИМ.ПРЕЗИДЕНТА ТУРКМЕНИСТАНА АКАДЕМИКА С.А.НИЯЗОВА ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

па правах рукописи УДК 662.997:621.721

МУРАДОВ БАЙРАММУРАД БЕГМУРАДОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ ИНТЕГРИРОВАННЫХ

ГЕЛИОСИСТЕМ

05.14.08 - I {реобразование возобновляемых видов анергии и установки на их основе

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ашгабат - 1994 г.

Работа выполнена в Институте солнечной энергии Академии сельскохозяйственных наук Туркменистана имени Президента Туркменистана академика С.А.Ниягюна

Официальные оппоненты: Д.т.н., профессор Реджепова Ш.Р. Д.т.н., профессор Хандурдыев А. Чл.-корр.АСХНТ, д.т.н. Гурбанязов O.A. Ведущая организация: Институт математики и механики АН Туркменистана

Защита состоится __1995 года в

часов на заседании специализированного совета hg защите диссертаций на соискание ученой степени доктора (кандидата) наук Д.2А.013 при

Институте солнечной энергии Академии сельскохозяйственных наук Туркменистана им.Президента Туркменистана академика С.А.Ниязова (744032, ш.Ашгабат-32, м.Бекревс, Институт солнечной энергии

АСХНТ).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке АН Туркменистана. Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических

Рахманов М.А.

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Значительный рост интереса к

не традиционной и возобновляемой энергетике (НВЭ) обусловлен двумя основными причинами: а) углублением противоречия между ограниченностью исчерпаемых 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-производстаенные объекты - эколого-экономические системы. В настоящее время даже первоначальное понятие "гелиокомплекс ' стало узкой и появилссь понятие "интегрированная гелиосистема" (Ш С), 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 тине! гелиокомплексов как ПАОГ, безотходный животноводческий, гелиомелиоративный, безотходный биологический. Комплексные и комбинированные гелиообьекты исследовались как отечественными, так и зарубежными учеными, например, Сейиткурбановым С,,Амановым Ч.А., Чиментой 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 itx 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 И1С. 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) мультикритериальности 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 И1 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 H.H., Лебедева A.A., 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 >иучно-теоретичсском направлении:

1. На осиопе сравнительного анализа детерминированного, стохастического и !ероччпостного типов задач оценки экономической эффективности гелиообъектов юказано возрастание значений экономических показателей проектируемой И ГС >ри учете неопределенностей, которые являются неотъемлемыми свойствами рункционирования гелиообьектов. Отмечена ограниченность традиционного подхода менки экономической эффективности гелиообъектов, заключающегося в его ;<:терминированное™ и статичности. Разработан критерий оценки наступления зоны ¡онкурентоспособности объектов нвэ.

2. Проведена классификация ИГС. и ра^рагютан алгоритм их проектирования.

3. Сформулированы предмет и задачи математической гелиотехники как научного годхода, изучающего современными методами системного анализа взаимоотношение ЧВЭ с метасистемой "общество-природа". Предметом прикладной математической «лиотехники определены моделирование и синтез ИГС.

4. Предложена концепция построения системы моделей, позволяющей с учетом >собенностей исследуемого класса ИГС ставить и решать широкии класс задач по ятгимальному проектированию ИГС. На основе этой концепции предложен алгоритм геследсвателмгок формализации моделей, описывающих исследуемую систему на ¡азличнмх уровнях детализации. Это' а) обеспечивает согласованный выбор

ироаанной н детализированной модели И! С, и б) позволяет сократить млмерность решаемых задач.

5. На основании концепции построения системы моделей предложены (стодологические приемы по решению задач синтеза ИГС. Их суть сводится к (сследоианию 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 I нелинейной детерминированной, стохастической и вероятностной постановке. 1роанали-шрованы вычислительные методы решения поставленных задач и проблема [X практической оптимизации.

Полученные научно-теоретические результаты использованы для решения фактических задач. Поэтому в научно-практическом направлении научную новизну >аботы составляют:

7. В области формирования репрезентативной внешней информации: - разработка [ростой, корректной и быстрой процедуры вероятностного моделирования суточной »лнечной радиации с возможностью учета межсуточной корреляции на базе обработки ятинометрических наблюдений за 14 лет в месячном разрезе. Качество моделирования «ценено по критерию Колмогорова-Смирнова. Значения вероятности приемлимости

гипотезы об одинаковости функций распределения моделируемых и актинометричсских данных составляет от 84% до 99%;

- предложен методический подход к оценке степени деградации пустынных пастбищ. Оправдываемость прогноза урожайности пастбищ с использованием метода группового умета 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: четьгрехфакторный, 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 биореактора 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%. Исследована роль хлореллы в кормовом рационе животных,

9. Решения задач синтеза ИГС на локальном уровне: - задача 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% вероятностью;

- стохастическая задача синтеза системы электроснабжения потребителей с учетом дискретности количества ветроагрегатов. Выявлена необходимость постановки многокритериальных задач, так как одинаковые значения критерия - минимума приведенных затрат - с малой погрешностью (до 3%) наблюдается при различных

6

значениях искомых переменных: количества ветроагрегатов, площади' |ротопрео6разователя и солнечного коллектора. Проанализировано влияние интервалов моделирования на результат решения. Показана некорректность месячного интервала моделирования из-за эффекта осреднения харак1ер|н:тик наружного климата (особенно скорости ветра);

- .задача тепло- к кормообеспечения в безотходном животноводческом комплексе. Определена динамика прнозводства и складирования хлореллы, выявлено перепроизводство тепловой энергии и отмечена необходимость модернизации критериальной функции с ие.'ыо вовлечения и переменные мощности потребителей,

10. На зональном уровне синтеза И1 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 методом главного критерия для пяти вероятных пунктов размещения колодцез, СОК и потребителей. Показаш целесообразность исследования таких задач, позволяющих путем взаимодействия лекальных пунктов повысить потенциал зоны.

П. 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 ролл 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

п 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 разработку 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 оценки, 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.

ВНЕДРЕНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

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.Результата 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 конференция "Газотурбинные и комбинированные установки", Москва, МГТУ, 19-21 Ноября 1991г. 11. Научно-практическая конкуренция "Использование солнечной энергии з народном хозяйстве", Ташкент, ¿4-26 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 а Т уркменгидромете. 16. Международная конференция по экологии,А\.ма-Ата, 1993. 17.Туркмено-Иранский семинар по возобновляемым источникам энергии, 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.

ПРИЗНА7 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, а так же кандидатам технических наук Мезилову К.А., Ханшу Ч.Х., Ахмедопу Я., научному сотруднику Машаеву К.Х. за совместное сотрудничество при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении работы дан краткий обзор актуальных проблем НВЭ, показана необходимость привлечения достижении современных методов прикладного системного анализа для эффективного решения проблемы рационализации и интенсификации использования НВИЭ. Обоснована актуальность темы. Сформулирована цель

исследований. Описана и обоснована структура работы,взаимосвязь и краткое удержание ее разделов. Структура работы показана на рис.1.

Приведены основные положения, выносимые на защиту. Освещена научная ювизна выполненных исследований, теоретическая и практическая значимость толученных результатов.

Определено, что на современном этапе развития НВЭ создание различных ИГС

представляет собой одно из эффективных путей рационализации и интенсификации использования НВИЭ. Эта проблема разделена на две основные задачи:

1. Разработка концептуальных основ развития НВЭ на базе ИГС. представляющих методологическую часть работы. В этой части обсуждается концепция развития НВЭ на базе ИГС, осуществляется их классификация, анализируются основы системного подхода при проектировании ИГС. На основе этих исследований разрабатываются методологические приемы по оптимальному проектированию ИГС.

2. Синтез ИГС, позволяющего выбрать рациональную структуру и параметры объектов анализа. В этой части демонстрируется практическое применение тех приемов, которые выработаны в первой части работы при разработке и адаптации комплекса математических моделей, методов и алгоритмов расчета но оптимальному проектированию ИГС на различных уровнях их организации.

Первая глава работы посвящена современному состоянию развития НВЭ. Осуществлен анализ основных актуальных проблем и направлений развития НВЭ в комплексе четырех взаимосвязанных аспектов: технологическом, экономическом, экологическом и социальном.

В рамках технологического аспекта анализирован рациональный режим функционирования гелиообъектов, условия их эксплуатации. Показано, что уровень развития технологии в НВЭ уже в настоящее время в определенных областях позволяет перейти к их использованию в широких масштабах (солнечные нодо- и воздухонагреватели,солнечные дома...). Анализ технологического аспекта позволил выявить перспективные направления развития НВЭ.

Одним из главных факторов торможения процесса интенсивного вовлечения НВЭ в народное хозяйство является неконкурентоспособность экономических показателей гелиоустановок относительно традиционных. Поэтому анализу экономического аспекта объектов НВЭ уделено серьезное внимание.

Экономический аспект связан с развитием технологии и совершенствованием технико-экономических показателей установок, функционирующих на базе НВИЭ.

Обычно именно экономические показатели лежат в основе аргументов по хоторым принимаются решения о внедрении тех или иных систем в экономику. Поэтому критериями, по которым выбираются решения, чаще всего являются экономические показатели, такие как минимизация затрат или максимизация прибыли.

Критический анализ множества исследований, посвященных экономическому аспекту объектов НВЭ показал, что они были направлены в основном на решение прямого вопроса: лучше ли предлагаемая установка НВЭ по сравнению с базовым или нет?

Но в реальности часто является эффективной интеграция различных объектов в

Моделирование и синтез ИГС

1. НВЗ: реальность и перспективы. Постановка задачи.

т

2.ИГС-ОДИН из| путей разви-\ тия НВЭ.

а. СП-теоретическая Саза синтеза ИГС.

вз^уитаатааиаа рлг

4.СКНТ93 ИГС| ¡5.Синтез ИГС на локально* на зональной уровне. 1 уровне.

1 1

2.1Концепдия развития НВЭ на баге ИГС. 3.1 Основы СП при проектировании КГС. 4.1 Одно- | рес^рсиые | 1 |б.1 Алго-Нратм районирования.

1 1

2.2 Классификация ИГС. 3.2 Предмет и задачи мг. 4.2 Много-гюс^рскно 5.2 Размещение ИГС.

| Концептуальные основы РКИ квиэ|-

X

Синтез ИГС

Рис.

Структура работы.

Примечание: СП - системный содесод; МГ - катаматгггвская гелиотехника; НВЭ - нетрадиционная и возоОноажяемая эаергетика; КТО - интегрированные гелмосистеш; П - прилоаение.

единую систему планирования производства и распределения ресурсов. Определение рациональной степени интеграции объектов связано с решением задач оптимального проектирования систем.

Концептуально подобная задача может быть сформулирована з виде определения структуры и параметров системы по производству некоего ресурса с точки зрения минимизации критерия,учитывающего экономические показатели объектов.

В качестве возможных вариантов представлены три типа постановки оптимизационной задачи: детерминированная, стохастическая и вероятностная. Каждая из них рассмотрена отдельно.

Детерминированная постановка сформулирована в виде задачи линейного программирования:

Т

F,(x,pt) = c-x + ^d, 'Р. => min (1)

t=i

при: q( • X+Pt > bt; x,pt > О (2)

В постановке (1)-(2) отражены такие свойства проектируемой системы,как динамичность функционирования через параметр / и ее детерминированность по известности удельной производительности гелиосистемы q в каждый момент Л

Оценка модели (1) - (2) осуществлена переходом от динамичности постановки к статичности с введением соответствующих оценок q',p*,b*. Например, если q,p, Ь определяют среднемесячные параметры, то q*,p*,b* - годовые.Тогда модель (1)-(2) можно записать как:

F, (х,р ) = c-x + d-p => min (3)

* * | * * а

при: q • х + р > Ь , х, р > U (4)

Обозначив и = х/р*,г = с/ с! получим:

Ш +г-ц)/(1 + ч* -и)}-а ь* <р,* (5)

Неравенство (5) является критериальным и определяет зону эффективности гелиосистемы. Это неравенство сочетает с себе возможности как прямой оценки эффективности, так и определения наступления зоны неопределенности и конкурентной борьбы гелиосистемы с альтернативным объектом.

Так, при z>q* гелиосистема становится неконкурентноспособной альтернативному объекту. Иначе говоря, когда удельный характеристический показатель гелиосистемы (с) выше аналопичного показателя альтернативного объекта (d.) более,чем удельная производительность гелиосистемы (q ), то такая гелиосистема становится неэффективной.

При z<q наступает зона неопределенности и гелиосистема начинает становиться конкурентоспособной. В детерминированном статическом случае постановки задачи монаго давать однозначные оцепкн.Так, при z~q* имеется бесконечное множество альтеркативных решений задачи (3)-(4), а при z<q* однозначно определяется эффективность гелиосистемы. Это и есть способ прямой оценки эффективности систем, столь широко применяемый в настоящее время на практике.

Таким образом, прямая оценка эффективности систем есть решение оптимизационной задачи типа (3)-(4),т.е. задачи в детерминированной постановке без учета динамичности функционирования системы.

Однако удельная производительность гелиосистемы по своей природе динамична

и стохастична. Поэтому возникает необходимость постановки и решения стохастического аналога задачи ( i) - (2).

Стохастический аналог детерминированной задачи (1) - (2) математически Формулируется в виде минимизации функционала, учитывающего ныне наиболее распространенное решающее правило по учету стохастической неопределенности: математическое ожидание (М) оценки эффективности функционирования проектируемой системы:

Т

Р2 (х) = с ■ х + МУ] dt ■ шах{Ь. - q, (w) • х, 0} => min (6)

t=i

В постановку задачи (6) заложена идея о том,что при образовании случайного дефицита ресурса альтернативный объект дополняет его. Причем это критериально

оценивается математическим ожиданием через экономические показатели. Но в реальности возникают ситуации, когда системе нецелесообразно стремиться к полному отсутствию дефицита ресурса при стохастичности факторов, тем более со средней критериальной оценкой возможного дефицита. Тогда возникает необходимость постановки и решения вероятностной задачи оптимизации.

Суть вероятностного аналога детерминированной задачи (1)-(2) заключается в

13

оптимальном проектировании такой системы, которая бы обеспечила потребности с заданной надежностью. Математически задача оптимизации с вероятностными ограничениями формулируется в виде:

F,(x,pt) => min (7)

при: P{qt(w)-x + pt >bt}>at; x,pt>0 (8)

где: СX t - вероятность удовлетворения потребностей .

С целью сопоставления вышеуказанных типов оптимизационных задач ниже приводятся результаты расчетов на условном примере оптимизации проектирования энергетической системы с учетом возможностей гелиоэнергетической установки.

В стохастической и вероятностной задачах принимается, что функция распределения q(w) подчиняется нормальному закону с математическим ожиданием </ и дисперсией

Значения (X, равны 0.95.

Пусть: Ь=175 кВтч; Т-12; q*=20 кВп/м*гол; d=25 руб/кВтя;

q]={49;89;164;224;311;331;304;236;W;83;48;28}-Ю: кВтч/^2мес;

6~{5;11;16;27;22;13;13;9;5;5;3;6}-М: кВту/м'мес.

Задача (6) решена стохастическим квазиградиентным алгоритмом с адаптивной регулировкой шага, где итеративная последовательность переменных строится по рекуррентному правилу:

X,+1 = Ях(х' - pse°), S=0,1... (9)

о S

где, s - номер итерации, р> - шаговый множитель, £ -стохастическии кзазиградиент целевой функции в точке х', % - оператор проектирования. Задача (/) решена преобразованием ее в линейный детерминированый эквивалент. Результаты расчетов приведены в табл.1.

При стремлении значений zk q роль гелиосистемы снижается, что свидетельствует о приближении конца зоны ее конкурентоспособности с алыернативным традиционным объектом. Учет стохастичности q(w) приводит к возрастанию затрат на проектирование оптимальной системы энергоснабжения. Различие характера этого учета в постановках задач (6) и (7) также изменяет результаты решений. Причем затраты на создание

оптимальной системы при вероятностной постановке выше, чем в стохастической задаче. что связано с более жестким требованием ограничений по удовлетворению потребностей.

Тзбл.1. Результаты оптимизационных расчетов по оценке экономической эффективности гелиоэнергосистемы

г Задача (1) Задача (6) Задача (7)

Р*104 X Р*10+ X Г*10* X

1 1.09 357.0 1.12 350.0 1.33 261.2

4 2.52 131.6 2.54 130.0 2.76 131.6

8 3.46 78.1 3.50 76.0 3.77 80.3

12 4.15 57.6 4.20 60.0 4.45 63.6

16 4.71 56.3 4.80 54.0 5.06 57.2

20 5.25 52.8 5.25 4.4 5.25 0.0

Во всех типах постановок оптимизационных задач затраты стремятся к значению Г 5.25-104 руб., но траектория пути достижения этой величины для каждой задачи слоя. Определим Р как значение затрат, характеризующее зону наступления конкурентной борьбы. Ее величина легко определяется из условия (5).

На возможность корректного перехода от стохастической задачи (6) к детерминированной (1) влияет множество факторов, такие как функция распределения параметра раямзх се значений. В рассматриваемом случае, когда функция

распределения д(») принята нормальной, существенную роль в изучении вопроса о корректности перехода от задачи (6) в (1) играет значение б. Очевидно, что чем меньше размах б от математического ожидания </, тем корректнее переход от стохастической задачи в детерминированную. Так, когда относительная величина такого отклонения составляла 5 —5%, значения х при решении стохастической

задачи были равными соответсвенно 1.05-104 руб,. и 351.5 м2, а при 5=20% получено

Р'=1.13-10' руб. к х=319 м2.

Таким образом, при детерминированном методе оценки экономической эффективности гелиосистем занижаются критериальные показатели. С этим, очевидно, связано то, что на практике часто ожидаемые результаты по экономической эффективности гелиосистем оказываются ниже расчетных. При статическом варианте решается задача однозначного определения экономической эффективности гелиосистемы

относительно альтернативного объекта. В то же время статическая детерминированная задача позволяет определить момент наступления конкуренции между объектами.

Каждая из рассмотренных типов оптимизационных задач имеет определенную научно-практическую значимость. Результаты анализа этих задач показали, что развитие исследований в области оптимального проектирования ИГС целесообразно г-ссти в направлении изучения стохастических и вероятностных задач оптимизации, так как сгохастичносгь функционирования гелиосистем к неопределенность исходной информации являются неотъемлемыми их свойствами.

Дальнейший анализ экономического аспекта проблемы использования НВИЭ в народном хозяйстве посвящен роли государственного стимулирования развития исследований в области НВЭ.

В работе представлена информация о том, как крупные целевые капиталовложения на государственном уровне в таких странах как США, позволили достичь км в программах их исследований в области НВЭ достаточно весомых результатов.

При анализе конкурентоспособности гелиобъсктоя в качестве весомых аргументов обычно выдвигается их экологическая безущербность.В работе отмечается,что непосредственно экологическим аспектам использования НВИЭ посвящено незначительное количество исследований и кажущаяся на первый взгляд экологическая безущербность НВЭ может бьггь обманчива при бездумном подходе к использованию ресурсов НВИЭ.

Проанализирована роль НВЭ в системе природопользования. Показано, что использование НВИЭ способно интегрировать оба направления системы природопользования: охрану окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

Сформулированы экологические условия, обеспечивающие сохранение и эффективное восстановление окружающей среды при использовании НВИЭ.

Подчеркнута необходимость рассмотрения предполагаемого экологического ущерба по направленности кумулятивного и синергетического влияния объектов анализа на окружающую среду при принятии обоснованных хозяйственных решений.

Социальный аспект анализа проблем НВЭ подразделен на две части: первое -прямое влияние развития НВЭ на социальную сферу общества (например, эффект солнечных домов по созданию комфортных жилищно-бы.товых условий и др.); и второе - косвенное, определяющее отражение позитивной роли развития НВЭ на таких сферах социальной жизни общества как наука, образование, подготовка кадров, демография, занятость населения.

Анализ развития НВЭ в комплексе четырех аспектов позволил выявить априори

э<]>фективность комбинирования и интегрирования различных установок в единую систему, так как это способствует улучшению технико-экономических и социо-экологических показателей системы. Но каковы количественные характеристики такой системы? Множество изысканий ¡¡освящены этому вопросу. Поэтому в работе проанализированы исследования Сейиткурбанова С., Чименто Д. и других, посвященные проблеме рационального комбинирования и интегрирования различных объектов в НВЭ. Выделены исследования Чугуевец Т.П., Аманова Ч.А.,Ашырбаеаа М.Х., Рахманова М.А. по организации различных гелиокомплексов. Обсуждены подходы различных авторов к оценке эффективности объектов анализа с использованием современных методов математического моделирования и оптимизации систем. Во многих исследованиях использован системный подход для анализа процесса функционирования объектов (например, 'Гойлиевым К.,Сейиткурбановым С..Чугуевец Т.П., Купером П., Али Бебой, Маргаликом С.). Отмечен положительный вклад этих исследований в развитие НВЭ, позволившие создать к настоящему времени эффективные жилищно-производственные гелиообъекты.

Подытоживая вышеприведенным анализ, в первой главе работы делается вывод о том, что одним из эффективных путей рационализации и интенсификации использования НВИЭ является формирование программы развития НВЭ, основанной на научной концепции интегрированных нзлиосистем.

Определено, что необходимость комплексного анализа различных взаимосвязанных факторов; поиска компромисса между сложностью проблемы, качеством анализа и скоростью принятия решений требует привлечения системного подхода для решения проблемы оптимальною проектирования интегрированных гелиосистем.

Поэтому во втором разделе первой главы работы сформулирована цель настоящей работы и осуществлена постановка задачи, определяющая пути решения проблемы моделирования и синтеза И! С.

Во второй главе работа ИГС. рассматриваются как практические, материальные объекты, представляющие собой один из путей РИИ НВИЭ. Первый ее раздел посвящен формированию и обоснованию концепции развития НВЭ на базе ИГС.

В основе этой концепции лежит идея об интегрированных гелиосистемах -гелиокомплексах, представляющих собой жилищно-производственные объекты, функционирующие на базе НВИЭ.

Основу ИГС составляют элементы, объединенные в подсистемы. Понятия "элемент", "подсистема" и "система" эполюционньг. в зависимости от уровня анализа проблемы и ее детализации элементы могут стать как подсистемой, так и системой.

В целом, ИГС состоят из функционально взаимосвязанных между собой и внешней

средой элементов. При этом любая ИГС рассматривается как целостная единая система с интегративными свойствами. Основными структурными едшицами-элементами ИГС обьино являются установки, функционирующие на базе преобразования НВИЭ, Примером ИГС может служить солнечный опреснительный комплекс, призванный обеспечить питьевой водой потребителей в зоне высокой минерализации грунтовых вод.

Суть предлагаемой концепции - это гарантированное обеспечение ресурсами, продукцией и условиями для жизнедеятельности потребителей путем организации сети ИГС различного функционального назначения с оптимальными экономическими показателями в условиях рационального взаимодействия ИГС с окружающей средой.

Понятие ИГС определена как система, включающая в себя в общем виде жилищно-производственный гелиообъект, потребителей и территорию, закрепленную за ней.

В связи с этим, в рамках этой концепции ИГС рассматриваются не как объекты с простым набором элементов производственного направления, а как больши»? и сложные эколого-экономические системы с определенной иерархической структурой организации, решающие задачи по достижению системной цели (целей) в условиях выполнения заданных требований на их функционирование.

Основными свойствами и особенностями ИГС являются: - их экономичность относительно традиционных подходов в НВЭ;

- "смягчение" влияния стохастичности процесса выработки ресурсов из-за возможности "сгладить" нежелательные колебания производства путем планирования в составе ИГС различных элементов, выпускающих один и тот же вид продукции, аккумуляторов различного типа и назначения, аварийных систем;

- их гибкость, возможность самоорганизации и адаптации к конкретным условиям производства. Под самоорганизацией ИГС понимается их способность изменять структуру, состав и параметры элементов при изменении природно-климатических и других факторов в условиях их взаимодействия с окружающей средой. Под адаптацией таких систем понимается их способность использовать полученную информацию об условиях функционирования и окружающей среды для приближен-,« своего поведения и структуры к оптимальным. Свойства самоорганизации и адаптации ИГС обеспечивают их гибкость. Свойство гибкости позволяет гармонизировать взаимоотношение ИГС с традиционными системами производства ресурсов;

- возможность автономности функционирования ИГС, т.е. способность системы функционировать относительно самостоятельно;

- возможность организации объектов с высокой степенью безотходное™. Свойства автономности и безотходностн определяются в основном характером мультипроизводства

ресурсов I! продукции в рамках системы. Эти свойства обеспечивают относительную независимость системы от внешних технологических связей и ее высокую экологическую чистоту;

- децентрализованность процесса производства ресурсов и продукции;

- относительная мелкомасштабность производства с возможностью учета расг^дсточеннопи и маломощности потребителей, способствующая повышению гибкости объекта. Это позволяет обойти такие характерные негативные качества крупномасштабных систем как высокая ресурсоемкость; масштабное отрицательное воздействие на окружающую среду; распределенность входящих в такие системы элементов на обширной территории; значительные капитальные вложения; длительные сроки их создания; крайне незначительная гибкость;"размытость границ" системы, что не позволяет однозначно определить состав всех ее элементов;

- необходимость междисциплинарных исследований в изучении роли ИГС в системе общественного разделения труда, экологии, экономики и других направлениях науки и хозяйственной жизни региона. Эволюционность научных исследований при этом позволит выявить массу новых интересных научно-практических задач.

Второй раздел второй главы работы посвящен классификации ИГС. По мере разработки различных типов ИГС возрастает объем информации о них, усложняется процесс анализа их эффективности. Этим обуславливается необходимость систематизированного представления зияний об ИГС, т.е. их классификации.

Классификация ИГС облегчит накопление и распространение знаний в соответствующей области; сделает возможным научно обоснованное комплексное использование результатов исследований об ИГС; позволит однозначно определить тип исследуемого объекта, его свойства, состав и системную структуру с целью корректного выбора эффективных методов и алгоритмов оптимизации, принятия решений по организации той или иной ИГС в конкретных случаях.

Рассматривая классификацию И1 С как первый, простейший акт моделирования на базе ограниченного, четко сформулированного набора сравнительно простых и непротиворечивых признаков разработана формальная система классификации ИГС, фрагмент из которой представлен на рис.2.

Классификация ИГС также выявила необходимость и целесообразность привлечения системного подхода кок теоретической основы решения проблемы РИИ НВИЭ на базе ИГС.

Поэтому в первом разделе третьей главы представлены основы системного подхода при проектировании ИГС. Определена структура системных исследовании в НВЭ (рис.3) и целесообразность анализа ИГС по уровням их организации.

Рис.2, Фрагмент классификации КГС

Сисгеничв исследования в НВЭ

Рис.3. Структура системных исследований в НВЭ.

^тададаетягГЕгаадаэтвзгядзг?*? УР085К

рис.4

Взаимосвязь уровней организации ИГС с задачами и потребителями результатов решения этих задач

Представлена взаимосвязь уровней системных исследований с потребителями и структурой задач (рис.4). Показана рациональность разработки системы моделей анализа и синтеза И ГС, а не единой супермодели.

Основными приемами организации эффективного процесса математического моделирования и оптимизации И ГС с учетом выполнения требований адекватности, простоты и точности приняты: а) сведение математической модели объекта исследования к некоторой типовой структуре; б) снижение размерности математической модели; в) модификация критериальных функций и ограничений, позволяющая упростить вычислительные процедуры; г) учет возможности расширения исходной задачи с целью получения новых задач.

Отмечено, что математические модели часто бывают известнвлми приближенно. Эта приближенность может иметь различные аспекты: неточно заданы коэффициенты уравнений, неточно задан класс моделей и т.д. Приближенно могут быть известны и внешние воздействия на систему или, их характеристики, цели управления и другие факторы.

Наличие приближенных, неопределенных исходных данных при проектировании ИГС определяет круг теоретических вопросов к которым относятся корректно и некорректно поставленные задачи, методы их устойчивого решения, вопросы грубости, типичности, структурной устойчивости и параметрической чувствительности.

Классификация ИГС, представленная во второй главе работы, анализ основ системного подхода при проектировании ИГС позволили определигь классы возмо;кных математических моделей ИГС, выявить основные особенности сформулированных в работе задач синтеза ИГС и предлагаемых методов их решения.

Отличительной особенностью задач оптимального проектирования ИГС является то, что их основные системные параметры: целевые функции, условия функционирования (ограничения), коэффициенты при целевых функциях и ограничений, в общем случае не могут быть заданы однозначно.

Поэтому в качестве основного класса задач оптимизации ИГС приняты задачи нелинейного стохастического программирования. Проанализированы различные прямые численные методы и особенности построения алгоритмов решения этих задач: способы регулировки шага, критерии останова, проблемы вычисления стохастического квазиградиента.

Неопределенность и нечеткость переменных проявляется все ярче с увеличением ИГС в масштабах и постепенным ее усложнением. При этом ИГС обычно становится не только технической, но и эколого-экономической. В этих случаях адекватность моделей оптимизации можно повысить, рассматривая задачу с нечеткими переменными.

При этом часто оказывается, что эксперты могут задать для нечетких переменных лишь диапазон их изменения: минимальное, наиболее вероятное и максимальное чндчеьгяя. Тогда такие переменные можно описать как случайные величины с заданной функцией плотности треугольного распределения вероятности с линейным изменением ее на интервалах между значениями и единичной площадью треугольника.

Масшабность и сложность И! С требует исследования проблемы декомпозиции системы на подсистемы таким образом, чтобы последовательные независимые исследования этих подсистем приводили к эквивалентному исследованию всей системы в целом. В случае, когда целеззя функция задачи является сспарабельпой, т.е. эффективность работы каждой подсистемы зависит только от выделяемого этой подсистемой ресурса, но не зависит от распределения его между другими подсистемами, решение задачи не представляет особых трудностей и при большем количестве подсистем.

В качестве классической для ИГС предлагается следующая задача оптимального управления. Предположим, что ресурс может производиться несколькими подсистемами. Причем, в их составе может существовать аккумулятор и аварийная подсистема. Задача состоит в минимизации функционала:

Г N

F ZZ^MOb В, ¡Л (03) => mir. (10) t-~l

при ограничениях:

X, 5 X. (t) 51 X - диапазон изменения переменных, (11)

N

удовлетворение потребностей, (12)

¡-1

X:(t) = h (Vj (t),U (t))- производство ресурса, (13)

v. (t+1) = v.(t) +у.(t)-a;(t) - аккумулятор, (14)

V.(l) задается, i=l,2,......,N, t=l,2,....,T (15)

Решение этой задачи может быть получено методом декомпозиции с использованием функции H(z)~min L(x,v,z), где:

L = IЕ (ii*-,ct>] - g,[x;(t)]) + z(o • [b(t> - ¿^(t)]} (i6)

t-i 1=1

Так как Лагранжиан является сепарабельным, общую задачу можно разделить па

независимые подзадачи при заданных значениях множителя ъ для подсистем без аккумулятора (к=1,Ы1) и с аккумулятором (е=1,М2), где Гч^+Г^Г^'

Т N.

ЕЁ№к(03-г(0-хк(0^тт, при (И) (17) 1=1 ы

£ Е (в. Ь. (03 - fe [X. (03) + 2(0 ■ 2 Хе (I)} => тах

1=1 .=1 е~1

при (13)-(15). (18)

Алгоритм решения включает в себя следующие процедуры: начальный ввод г, решение задач в подсистемах, расчет г, проверка сходимости решения.

Наличие аккумулятора и возможность выброса ресурса в окружающую среду придает особенность системе. Выброс может сыграть как позитивную, так и отрицательную роль. При этом мера перехода ею роли может определяться, например, квадратичной зависимостью.

В работе также анализируется случай, когда функционал задачи не сепарабелчный, но связь между подсистемами слабая, т.е. в функционале участвует незначительное количество составляющих, описывающих межподсистемные связи.

Так как любая ИГС взаимодействует с внешней средой, то правомерность использования на практике расчетно-теоретических результатов моделирования и синтеза ИГС во многом определяется корректностью представления природно-климатической и/или иной внешней информации.

Основу природно-климатической информации в НВЭ представляет наружный климат. Поэтому в работе проанализирована взаимосвязь потребителя информации о наружном климате с формой ее представления. Формами представления информации о наружном климате были: способ представления ( табличные данные, расчетные зависимости); временной масштаб (часовой, суточный); параметры наружного климата (температура воздуха, солнечная радиация, скорость ветра, влажность).

На основе анализа ряда исследований (Бринкворт Б., Гутерис П., Мустачи С., Харченко И.В., Никифоров ВА., Ферт А Р.,...) выявлено, что наиболее перспективным способом представления информации о наружном климате является вероятностный метод моделирования его параметров, т.к. этот метод наиболее полно отвечает требованию сразу трех критериев: простоты,надежности и скорости моделирования; временным масштабом - суточная информация. Определяющим же параметром наружного климата для ИГС является солнечная радиация. Выделено

совместное исследование автора с Чугуевец Т.П., где разработан комплекс моделей наружного климата. Эти модели стали основой процедуры моделирования наружного климата. Отмечено, что моделирование суточной радиации при атом осуществлялось на основе кубических сплайнов. В настоящей работе ставилась задача корректного вероятностного моделирования поступления суточной солнечной радиации на горизонтальную поверхность с учетом многомодальное™ ее функции распределения более простым способом.

Ранее было определено, что объем выборки солнечной радиация я условиях Туркменистана должен составлять 14 ».ет, чтобы с 95% достоверностью и предельной ошибкой менее 10% эта выборка характеризовала бы всю генеральную совокупность наблюдений.

По критерию Кохрена проверена гипотеза об однородности генеральной совокупности значений солнечной радиации по эмпирическим данным и установлено, что календарный месяц можно считать фчэовооднородным. Приняв месяцы фазовооднородными строился вероятностный ряд распределения эмпирических данных для каждого из них. Затем осуществлялось моделирование поступления суточной солнечной радиации на горизонтальную поверхность на базе разработанного эмпирического вероятностного ряда с генерированием псевдослучайных чисел из массива чисел с равномерным законом распределения я интервале [0,1].

В некоторых практических случаях, например, в энергетических системах с аккумуляторами, зажно не только уметь корректно моделировать поступление суточной солнечной радиации, но и обеспечить необходимый уровень ее межсутсчной корреляции. Для таких случаев аналогичные процедуры моделирования повторялись для мсжсуточпой корреляции.

Статистическая оценка гипотезы о незначительном отличии совокупности эмпирических значений радиации от полученных в результате моделирования эсуществлена по критерию Колмогорова-Смирнова (ККС) (табл.2).

Табл.2 Результаты оценки качества моделирования солнечной радиации.

I I мгс ! i ! « ккс \ 0.93 I 0.93 « ! v vi vii viii ix x x, I ! xii Л-

0.97 I ! ! 0.99 0.95 0.89 0.84 0.88 0.95 0.96 0.95 ( 0,96

Из таблицы видно.что согласие между совокупностью эмпирических и моделируемых шачений радиации выше для зимнего и весенного сезонов,хуже для летнего. Это объясняется характером распределения солнечной радиации внутри вариационного

ряда. Летом вероятности попадания радиации в интервалы имеют резкие различия.

Ранее, в совместных исследованиях автора с Чугуевец Т.П., в качестве одного из возможных элементов внешней среды при проектировании пастбищных автономных овцеводческих гелиокомплексов, представляющих собой ИГС животноводческого направления, было рассмотрено пустынное пастбище. В настоящей работе эти исследования дополнены процедурой моделирования оценки влияния выпаса скота на экосистему пустынь. В основе этой процедуры лежит методический подход, оценивающий оптимальную нагрузку на пастбище. Этот подход основан на соблюдении экологического равновесия на территории. При этом принято, что дмрадауия пастбищ от выпаса скота может иметь место в зависимости от следующих факторов: а) эффекта вытаптывания скота территории; б) низкой урожайности; в) псревыпаса скота; г) недовыпаса скота. Эти факторы взаимосвязаны. Состояние пастбища оценивается по разработанной шкале степени деградации пастбищ:

Слабый уровень - степень деградации равен до 0.2;

Допустимый уровень - степень деградации от 0.2 до 0.37;

Умеренный уровень - степень деградации от 0.37 до 0.63;

Сильный уровень - степень деградации от 0.63 до 0.8;

Очень сильный уровень - степень деградации от 0.8 и выше;

В конце первого раздела третьей главы кратко проанализированы причины сложностей внедрения результатов задач оптимизации а практику: отсутствие заинтересованности в результатах оптимизации со стороны практиков; частый неучет социально-экономических явлении в разрабатываемых моделях; необходимость совершенствования методов оптимизации с учетом неопределенности и многокритериальное!!! явлений; трудность реализации решений, связанная часто с модернизацией структуры систем.

В результате анализа возможностей применения системного подхода как теоретической базы исследовании: а) выработаны методологические приемы решения задач оптимального проектирования И ГС, суть которых сводится к исследованию ИГС на различных уровнях организации систем: локальном, зональном а региональном с выбором соответствующих моделей, методов и алгоритмов расчета; б) разработан обобщенный алгоритм проектирования ИГС (рис.5), позволяющий организовать рациональную последовательность принятия решений по оптимальному проектированию ИГС. Эти результаты способстовывают успешному преодолению вышеуказанных сложностей.

Первая часть завершается вторым разделом третьей главы работы - формулировкой предмета и задачи математической гелиотехники - нового научного подхода в НВЭ.

Fîîc. 5. Укрупненная схема обобщенного алгоритма проектирования НГС.

Необходимо отметить, что в настоящей работе гелиотехника понимается шире, чем в обычном понимании: не только как наука о преобразовании солнечной энергии в тепловую и электрическую, а как дисциплина изучающая всю нетрадиционную и возобновляемую энергетику. Основные научные положения гелиотехники как междисциплинарной науки разрабатывались на базе тех наук и их разделов, которые интегрированы в ней. Специфическая интеграция некоторых из них в рамках гелиотехники уже привела к образованию новых научных направлений (например, гелиобиотехнологкя). Но ни одно из них не рассматривает в едином комплексе проблему рационального развития НВЭ, тогда как в настоящее время становится все более очевидным,что изолированное изучение этой проблемы и ее различных аспектов (технологической, экономической, экологической, социальной) не позволит создать общей теории сбалансированного взаимодействия НВЭ с .метасистемой "общество-природа" и эффективно решать практические задачи по интенсификации и рационализации использования НВЭ.

Для решения этих проблем необходимо и целесообразно формирование нового междисциплинарного научного подхода,предметом исследования которой станет изучение взаимодействия НВЭ с обществом и природой с системных позиций. Поэтому появление нового научного подхода в НВЭ - математической гелиотехники (МГ ) - обусловлено реальностью.

Математическая гелиотехника - это интегральное междисциплинарное научное направление,изучающее закономерности взаимодействия нетрадиционной и возобновляемой энергетики с метасистемой "общество-природа" и разрабатывающая научные принципы гармонизации этого взаимодействия с системных позиций. Математика представляет собой одну из основных синтезирующих начал МГ.

Как в каждом научном направлении,так и в математической гелиотехнике можно разделить теоретическое и прикладное направления.

Предметом теоретической математической гелиотехники является изучение закономерностей взаимодействия НВЭ с метасистемой "общество-природа" и разработка общей теории гармонизации этого взаимодействия.

Предметом же прикладной математической гелиотехники является моделирование и синтез интегрированных гелиосистем. Поэтому в прикладном направлении математическую гелиотехнику можно определить как научное направление об интегрированных гелиосистемах различного функционального назначения и иерархического уровня,закономерностях их функционирования и путях их оптимизации.

Таким образом, результаты первой части работы составляют методологическую

базу решения проблемы системного проектирования ИГС, и концептуальную основу рационализации и интенсификации использования НВИЭ с помощью этих систем.

Вторая часть работы посвящена синтезу различных ИГС, Задачи синтеза ИГС подчинены определенной логической структуре системных исследований в НВЭ. Исходя из результатов первой части работы ИГС исследованы на локальном, зональном и региональном уровнях.

В первом разделе четвертой главы работы сформулированы и решены задачи синтеза одноресурсных ИГС на локальном уровне. В качестве одноресурсных ИГС рассмотрены системы водо- и энергоснабжения,исходя из практической значимости этих систем в нашем регионе.

Основным элементом системы водоснабжения (СВ) в аридной зоне является солнечная опреснительная установка (СОУ). При решении задачи оптимального проектирования СВ системным параметром СОУ, связующим ее с СВ будет ее производительность.

Экономико-математическая модель простейшей задачи ежемесячного планирования производства воды с применением СОУ и бака-аккумулятора с доставкой ее при

необходимости аварийными способами на место потребления, с учетом колебаний произведете а и хранения продукта представляется в следующем виде:

12

c.t) .хв +FNL(xu) + M^di -y.(x,w)=> min (19)

!

y(x,w)~ max{ b,(w )-q (w).x.3-x j+x.O}

при ограничениях: x<x.4; xo~X,2; *>0; i=l.....12; j-l,...,14.

Задача (19) относится к классу задач нелинейного стохастического программирования. Функция y(x,w) является негладкой. Можно доказать, что математическое ожидание (М) в определенной степени сглаживает целевую функцию. Эффект сглаживания в основном зависит от количества имитаций объекта исследования на одной итерации.

Детерминированный аналог стохастической задачи (19) формулируется в виде:

26

с • х.з + FNL(x 4) + £dk • Xk => min (20)

k = 15

с добавлением в вышеуказанные ограничения следующих условий:

41 • х„ + хм - + хк > Ь(, хк > О, =

Задача (19) решена квазиградиентным методом с адаптивной регулировкой шага, а задача (20) - методом линеаризации.

Задачи (19) и (20) решались для условии пастбищного водоснабжения. Потребности в воде Ь^чг) считались детерминированными и вычислялись по известным соотношениям для потребителей 1000 голов овец и 4 чабанов с учетом 95% обеспеченности уровня осадков. Среднемесячная удельная производительность солнечных опреснительных установок определялась из многолетнего опыта их эксплуатации. Приняты: С/ =13.73 руб/м2; ГМЬ(х14)=0.22 • (260+43.8руб; </=25 руб/м5. Слабая нелинейность РА'Ь позволяет при необходимости успешно перейти от нелинейной задачи к линейной.

В стохастическом случае численные эксперимен ты производились для различных интервалов возможного разброса чу) от от 5% до 25%. Плотность распределения в моделируемых диапазонах принята равномерной, так как в этом случае можно наиболее полно выяснить эффект влияния интервала разброса д.(№') на результат решения.

При проведении численных экспериментов возникла необходимость "хорошею подбора" сочетаний количества имитаций объекта исследования за одну итерацию, значения начального шага, количества итераций. При неудачном их сочетании серия эксперимента завершалась с возрастанием значения целевой функции относительно начального приближения. Особенно ярко этот эффект проявляется в зоне "оврага". Поэтому при приближении к этой зоне серия эксперимента начиналась с меньшим шагом, а количество имитаций объекта исследования за одну игерацкш увеличивалась. Кроме того, последний фактор способствует более корректному определению достижения зоны "оврага". Необходимо отметить, что и диапазон возможных значений стохастических параметров играет роль при выборе количества имитаций системы за одну итерацию. Чем шире диапазон, тем практически целесообразнее увеличивать значение этого фактора с целью достижения требуемой точности расчета за малое количество итераций.

Результаты численных экспериментов, проведенных с учетом вышеуказанных

обстоятельств, представлены в табл.З.

Из табл.З видно, что а детерминированной постановке нецелесообразно использовать

аварийную систем}-. Стохастика вносит изменения не только в результат, но и б качество решения: появляется необходимость использования аварийной системы. Эта необходимость возрастает с увеличением диапазона возможных значений стохастических параметров, что вполне естественно.

ггяз.з

Розудататы численных экспериментов задач (19) и (20)

N Задача FL,руб. FNL.pyö. FR,руб. F.pyö.

1 qi(v):±0,05qt 17386 621 662 18650

2 qi(w):±0,10qi 17005 596 1235 18836

3 qi(w):±OtlSqi 16513 585 2080 19178

4 Qi (к) :±0,20qi 15954 563 2705 1S312

5 4i(w):±0,2.5qi 15728 575 3453 1S753

5 Дет,задача 10351 1223 - 11574

FL,FNL,FR - соответственно линейная, нелинейная и рекурсивная части целевой функции. Аварийную систему представляет FR.

В практике часто необходимо удовлетворять потребителя продукцией с гарантированной обеспеченностью и минимальными затратами. С этой целью поставлена вероятностная задача водоснабжения:

26

с -х + с -х + Ус. • xL ^ min (2t)

13 13 14 14 A-i * * v '

k=15

с ограничениями:

P{q. (w) • x13 + xM - x. + xk > Ц} > a;;

P{x, <xu}>ß.,

Эта задача решена путем создания ее детерминированного эквивалента. При этом

31

принято, что удельная производительность солнечных опреснителей q(w) имеет нормальное распределение с математическим ожиданием q и среднеквадратическим

отклонением б ; х0=0; а ■= Р =0.95.

Задача решалась с возможностью вовлечеиля в систему водоснабжения аварийного способа и без него. Результаты расчетов показали, что я первом случае при заданных исходных данных оптимальные значения переменных составляет: площадь опреснителей x*Î4i9ii\ объем бака хы~56 м*; необходима работа аварийной системы в ноябре: хи=16 ь? и в декабре х2=36 м*. При этом целевая функция равна 20552 руб.

Практический интерес представляет задача гарантированного автономного обеспечения ресурсами ИГС. Поэтому задача (21) решалась без участия аварийной системы. Результаты: площадь опреснителей xi3—1470 л/; объем бака xtf=63 м3. При этом целевая функция равна 20808 руб. Незначительная разница в целевых функциях свидетельствует о возможности и целесообразности при принятых исходных данных организовать автономную ИГС - систему водоснабжения, которая обеспечит потребителей водой в каждый интервал времени (в данном случае ежемесячно) с 95% надежностью,

В этом разделе также исследована возможность применения квантильного метода к решению вероятностных задач оптимизации. Отмечена перспективность метода в решении задач моделирования и синтеза ИГС, проанализирована проблема редукции вероятностной задачи к стохастической и трудности, связанные с наличием бака-аккумулятора в постановки задачи синтеза СВ.

Еще одной одноресурсной ИГС, имеющей практическую значимость, является система энергоснабжения (СЭ).

Одним из элементов СЭ представляется биореактор по производству биогаза. Поэтому в работе исследован вопрос оптимизации его технологических параметров. Исследования проводились по схеме: "активные многофакторнш лабораторные эксперименты с обработкой их результатов - масштабирование биореахторсв -оптимизация технологических параметров промышленного биореактора". В качестве исходного сырья приняты отходы мелкого рогатого скота (MPC), что связано с их широким распространением в нашем регионе.

Определено основное факторное пространство, состоящее из шести факторов:температуры ферментации (Т), влажности субстрата (И), степени загрязненности исходного сырья (D), степени минерализации субстрата (S), дозы загрузки (Z) и продолжительности брожения (Е). Выбор S и D обусловлен спецификой нашего региона.

Основное факторное пространство разделено на дна подпространства:

32

четырехфакторное и двухфакторное.В первое подпространство в качестве факторов включены Т,Н,0,5.

Рациональным в рассматриваемом случае принят план эксперимента 54//25, что означает варьирование четырех факторов на пяти равномерных уровнях по принципу латинского квадрата с общим количеством экспериментов-25.

Эксперимент проводился с дублированием. Продолжительность процесса выхода биогаза - 30 суток. В эксперимент дополнительно включены пять точек, составляющих экзаменационную выборку с целью анализа предсказательной способности разрабатываемой математической модели на основе обработки экспериментальных данных по 25-ти точкам.

По критерию Кохрена при значимости 0.05 выявлено, что расхождение между выборочными дисперсиями параллельных опытов следует считать случайными. Ошибка воспроизводимости составляет 10 мл. Доверительные границы для ошибки воспроизводимости при доверительной вероятности 0.95 составили от 7 до 14 мл.

Математическая модель процесса выхода биогаза в зависимости от четырех факторов искалась в классе полиномиальных функции второго порядка. С целью ортогоналиээщии функции аппроксимации и упрощения расчетов оценок коэффициетсо полиномиальных моделей факторы переведены из натуральных переменных в кодированные на интервале [■1;1]. Для определения параметров модели использовался аппарат множественного пошагово! о рс^эессионнсро анализа. Исхода из идеи существования модели оптимальной сложности определена модель выхода биогаза в виде (¡4 -0.98):

У = ",71 + 92.5 ■ Т + 780.3 • Н + 57.1 • О - 141.7 • Б f 214 • Т • Н -

-208.4 • Т ■ 5 + 128.2 • Т2 - 359.6 • Н • Б + 677.2 • Н2 (22)

Анализ (22) показывает, что на выход биогаза в комплекс? рассматриваемых факторов существенное, причем положительное, влияние оказывает влажность субстрата (80% детерминации). Проверка предсказательной способности модели на экзаменационной выборке показала, что максимальная относительная ошибка составляет около 20%. Изменение температуры процесса с 56°С до 28°С при фиксировании остальных факторов п заданных значениях приводит к понижению выхода объема биогаза на 38.7%. Аналогичное понижение влажности субстрата с 95% до 35% снижает выход биогаза на 89%. Также разработаны модели для метана н углекислого гада, составляющих основные компоненты биогаза.

Отличительной особенностью задачи максимизации выхода биогаза на основе регрессионных зависимостей является ее многоэкстремальность. Но поиск глобального

экстремума по функции (22) не требует привлечения компьютеров и сложных методов расчета. Дело в том, что простейший анализ показывает, что глобальным максимумом (23) будут значения переменных Т~1, Н—1, После перекодировки

переменных соответственно 56°С, 95%, 28%, пресная вода.

В аридной зоне не всегда возможно обеспечить оптимальные значения параметров. В таких случаях пользуясь моделью (22) можно вычислить близкие к оптимуму значения факторов, соответствующие условиям конкретной местности. В этом практическая ценность модели.

Во второе факторное подпространство включены два фактора: доза загрузки (2) и продолжительность брожения (Е). Проведение активного лабораторного эксперимента с управлением дозы загрузки является достаточно сложной и трудоемкой процедурой, которое связано с требованием обеспечения герметичности (анаэробности) биореактора в условиях эксперимента. В связи с этим, сконструирован специальный биореактор.

Технологические условия проведения этого эксперимента выбраны исходя из результатов предыдущего исследования: влажность субстрата 95%, температура ферментации 55° С, время экспозиции эксперимента - 38 суток. Отличительность времени экспозиции связана с незначительным выходом биог.гэа в первые восемь суток. Поэтому в этот период второй эксперимент шел в пассивном режиме - режиме наблюдения.

Поскольку в задачу исследований входило выявление влияния этих факторов не только как самостоятельных показателен, но и их суммарного эффекта, планирование эксперимента осуществлялось так, чтобы затем было возможно разработать квадратичную модель. В связи с этим, использован двухфакторный симплекс -суммируемый план с размещением опыта в вершинах и в центре шестиугольника. Опыты в центре в таких условиях повторяются четыре раза для обеспечения униформности плана и определения ошибки воспроизводимости. Особенность этого плана заключается в том, что продолжительность брожения регулируется на трех, тогда как, доза загрузки на четырех уровнях.

Ошибка воспроизводимости эксперимента определялась по результатам четырех, находящихся в равных условиях опытов. Доверительные границы для ошибки воспроизводимости при доверительной вероятности 95% составили от 0.2 до 5.2 мл. Ошибки воспроизводимости свидетельствуют о том, что эксперимент проведен удачно, что позволяет перейти к математической обработке полученных результатов.

На основе регрессионного анализа получено уравнение выхода биогаза в зависимости

от дозы загрузки и прдолжительности брожения, относительная ошибка (5 ) в которой составляет 0.43 %. Множественный коэффициент детерминации (И) счснь

высок и составляет 0.9996. Выявлено, что по сравнению с дозой загрузки более весомую роль играет продолжительность брожения субстрата.

По\учены квадратичные зависимости выхода метана и углекислого газа от дозы

загрузки и продолжительности брожения. При этом по выходу метана 5 =4.33 %,

Я 43 %, а по выходу углекислого газа 5 =/.5/ %, Н=^97.16 %.

Тенденция к возрастанию выхода биогаза наблюдается при стремлении дозы загрузки к минимальному, а продолжительности брожения - максимальному значению. Выявлено, что продолжительность брожения 13 суток без дозы загрузки является наиболее оптимальным режимом функционирования системы. Но в этом случае возможность экстраполяции результатов расчета является дискуссионным.

В работе также исследован процесс выхода биогаза в зависимости от трехкомпонентного субстрата.

При отработке технологии производства биогаза практический интерес представляет не только изучение влияния различных параметров на суммарный выход конечного продукта, но и динамика продукции за цикл производства.

Типичная динамика процесса выхода биогаза представляет собой логистическую кривую с тремя характерными участками: а) начальным, где формируется процесс роста микроорганизмов, б) ннтенсификационным, где наблюдается этап бурного роста микроорганизмов, в) насыщения, где выход биогаза стабилизируется. В связи с этим, для описания динамики процесса выхода биогаза разрабатываются три модели: а) модель, оценивающая время до начала выхода биогаза; б) модель, оцешвающая время прекращения выход? биогаза; я) модель динамики выхода биогаза на участке развитого роста микроорганизмов. Все зги модели связаны с изучаемыми факторами. С помощью приведения логистической кривой к линейному виду проведен множественный пошаговый регрессионный анализ экспериментальных данных. Соединение этих трех типов моделей позволило получить в целом посуточный выход биогаза в зависимости от четырех факторов. Проверена адекватность этого подхода на данных Келова К.

Оптимизация процесса функционирования промышленных биогазовых систем предполагает наличие механизма адекватного переноса результатов лабораторных исследований на опытно-промышленные и промышленные образцы. В работе, как первый этап анализа проблемы масштабирования биореакторов, разработано уравнение изменения масштаба объема биореактора на основе систематизации результатов исследования различных авторов:

У=Ут-говв (23)

где: Ч^-объем биореактора-модели,м3; г-коэффициент масштаба. Следующий этан исследований в анализе биореакторов - математическое моделирование и оптимизация биогазовых установок. Динамика процесса анаэробной ферментации биомассы в биореакторе описывается общеизвестной системой дифференциальных уравнений. Удельная скорость роста микроорганизмов определяется по формуле Чена н Хашимоты. На основе этих уравнений определена удельная скорость выхода метана из биореактора (%) при выходе его на стационарное состояние в зависимости от суточного расхода вводимого в биореактор субстрата (21), рабочего объема биореактора (V) и кинетических показателей роста и гибели микроорганизмов (И

Целью оптимизации в технологическом плане является максимизация товарного метана (Е), представляющего собой разность между суточным выходом метана (С) и количеством метана, необходимым на собственные нужды бисреактора для поддержания термостабильного режима (Сн), зависящим от технологии процесса преобразования метана в тепловую энергию и теплогютери биореактора:

Р = С - Сн => шах, С = V, Ь;) V при Т = соп51 (24)

Результаты этих расчетов ценны тем, что показывают зону создания эффективных биогазовых установок. Так, при дозе загрузки 2—5 и'/суг биореактор оптимального объема практически неспособен в термофильном режиме выработать товарный метан.

Вышеприведенный анализ представляет собой только энергетический аспект проблемы анаэробной ферментации животноводческих отходов. Но эта технология позволяет еще получить качественные удобрения. Исследование этого направления в комплексе с энергетическим дело будущего.В этом случае биореактор становится многоресурсным объектом,

В целом, выходные показатели биореактора становятся связующими параметрами при переходе на локальный уровень анализа системы энергоснабжения (СЭ).

В работе рассмотрена задача синтеза СЭ с пятью энергетическим объектами по производству электрической энергии: биореактора, фотопреобразователя, термодинамической энергетической установки, ветроагрегата и дизель-генератора. Математически задача оптимизации СЭ относится к классу задач нелинейного стохастического программирования. Отличительная особенность этой мсдсли заключается в том, что в ней учтена возможность реализации перепроизводства энергии, что позволяет рассматривать систему как автономно, так и в рамках единой большой системы энергоснабжения. Наличие ветроагрегата вносила а модель дискретность. Показана возможность использования непрерывных значений количества ветроагрегатов

с последующей дискретизацией. Для решения задачи использован квазиградиентный алгоритм с адаптивной регулировкой шага.

Одной из проанализированных проблем практической оптимизации этой задачи была проблема корректного выбора интервала моделирования. При часовом интервале моделирования точность результатов высокая, так как стохастичносгь учитывается наиболее полно, но времени для решения задачи требуется много. При месячном же интервале моделирования (когда месячные параметры получаются путем осреднения суточных), точность результатов низкая, а времени для расчетов необходимо мало. Это наглядно демонстрирует эффект осреднения скоростей ветра', при часовом интервале количество ветряков юраздо меньше, чем при суточном. Выбор интервала моделирования в каждом случае зависит от условий функционирования системы и степени изученности корректного перехода от одного интервала к другой.

Расче ты проявили необходимость постановки многокритериальных задач, так как в некоторых случаях при разных оптимальных параметрах системы наблюдался примерно одинаковое значение целевой функции - минимума затрат (различие составило до

3%).

Второй раздел четвертой главы работы посвящен системному проектированию многоресурсных ИГС.

К первом подразделе этого раздела анализирована проблема оптимального проектирования пастбищного автономного овцеводческого комплекса (ПАОГ) как И! С. Цель ПАОГ - обеспечение водой,энергией и кормами автономных потребителей в условиях аридной зоны при производстве овцеводческой продукции. ПАОГ комплексно исследован Чугуевец Т.П. Обобщенно ПАОГ разделен на четыре подсистемы: водо-и энергоснабжения, кормообеспечения и жилищно-ироизводственный блок. Такое разделение универсально для многоресурсных ИГС. В настоящей работе углублены исследования подсистем. Так выше были представлены результаты анализа систем водо- и энергоснабжегош я качестве одноресурсных ИГС. С помощью межподсястемных ;вязен они объединяются в единую ИГС-ПАОГ.

Одним »з неотъемлемых элементов ПАОГ является солнечный дом. Целью разработки таких домов является создание комфортных условий для человека. В условиях нашей страны особенно важную роль играет создание комфортных условий а жяр*ос время года. В связи с этим, проанализирован вопрос об оптимальном :оотношении сторон и ориентации солнечных домов с точки зрения минимума юглощения солнечной радиации и теплшотерь зданий. Но оптимальные ориентация л соотношения сторон для прямоугольной формы дома могут не обеспечить организовать »ом с комфортными условиями. Поэтому решается задача оптимизации активно-

пассивной системы теплохладоснабжения дома.

Во втором подразделе раздела работы,посвященного синтезу миопэресурсных ИГС, исследована проблема оптимизации кормобеспечения и теплоснабжения безотходного животноводческого комплекса (БЖК).

В качестве одного из неотъемлемых элементов БЖК представлен фстореактор по производству хлореллы-биологически ценной белково-витаминной добавки к кормам.

Решение детерминированной задачи определения оптимального количества секций фотореактора Лгпри площади светоприемной поверхности каждой секции $; значении суммарной солнечной радиации,поступающей на горизонтальную поверхность ](ш); функционировании реактора Т часов в сутки и X суток в год , минимизирующей как дефицит,так и избыток продукции хлореллы при заданных потребностях Ь имеет вид:

= Ь / (0.0037 • К*) • 5 • х- X) (25)

Но стохастичность солнечной радиации вносит неопределенность на величину производимой хлореллы. Поэтому обычно оперируют ожидаемыми, осредненными значениями объема производства. Для потребителя же наряду с определением оптимальной площади фотореактора практическую значимость имеет и оценка возможного отклонения производимого продукта от ожидаемого

В связи с этим, рассчитаны значения относительных погрешностей в определении общей светоприемной площади технологической линии производства хлореллы относительно средних значений ](к') при различных способах учета стохастичности ](V/}. построением доверительного интервала для математического ожидания ](&), расчетом интервала распределения через стандартное отклонение среднего значения оценкой интервала распределения при допущении неизвестности дисперсии ](ч/). Их значения доходят до 35%.

Итак, результаты этих расчетов позволяют не только определить оптимальную площадь фотореакторов, но и оценить возможные отклонения от нее, величины ожидаемого дефицита или перепроизводства продукта, а также выбрать б зависимости от используемого технологического рабочего сезона наиболее обоснованные критерии оценки неопределенности, вносимой природой энергоисточника.

Количественное же определение доли участия хлореллы в рационе кормления животных связано с решением задачи оптимизации кормовых районов с обеспечением их полноценности и сбалансированности.

При этом следует руководствоваться принципом: животные должны есть то, что им предлагают, а не то,что они хотят. Это позволит превратить их в живой комбинат. Но при этом то, что им пред лагают должно соответствовать рациональному сочетанию

\

возможностей кормовом базы с .потребностью животных.

Модели планирования оптимальных рационов кормления сельскохозяйственных животных широко известны. В настоящей работе исследована линейная детерминированная экономико-математическая модель, минимизирующая затраты на рацион при ограничениях по обеспечению: а) потребности животных п заданных питательных веществах; б) общего веса планируемого рациона в допустимых пределах; в) требуемы* соотношений определенных питательных веществ рациона в заданных пределах; г) необходимой доли участия определенной группы кормов в составе рациона.

От.мг:'.;: сльиой особенностью этой модели от других является включение в ограничения требуемых соотношений. Оказалось, что часто это приводит к несовместимости ограничений и задача переходит в класс несобственных задач математического программирования.

Расчеты с использованием модифицированного симплекс-метода по планированию оптимальных суточных кормовых рационов для молодняка крупного рогатого скота (КРС) 6-9 месячного возраста, живой массой 160-215 кг. и ожидаемым среднесуточным привесом 600 г. показали, что использование в составе рационов хлореллы при наличии зеленых кормов (люцерны, кукурузы) нецелесообразно. Это объясняется несколькими причинами: а) н настоящее время стоимость производства хлореллы высока; б) хлорелла богата теми питательными веществами, которые есть у зеленых кормоа, однако, стоимость последних значительно ниже; и) ке имеется достаточно полной информации о питательном составе хлореллы; г) комплексно не рассматривалась направленность воздействия хлореллы на организм животных.

В то же время является очевидным, что в условиях нашей страны животноводческие хозяйства не могут обеспечиваться зелеными кормами н полном объеме. Поэтому были проведены расчеты по выявлению оптимальных рационов при частичном замещении зеленых кормов хлореллой. Так с ростом доли хлореллы в смеси "комбикорм-хлорелла" наблюдалось понижение общего веса опимального рациона. Это свидетельствует о повышении биологической ценности рациона. Определено предельно допустимое значение добавки хлореллы в сухом виде к кормам при наличии в хозяйстве зеленых культур в ограниченном количестве - 80 г. Выявлено, что сбалансированные кормовые рационы в условиях отсутствия зеленых культур (зимнее время) можно получить только при участии хлореллы.

Анализ чувствительности параметров показал, что уменьшение стоимости производства хлореллы в 10 раз не влияет на результат расчета рациона п условиях отсутствия зеленых кормов. При этом стоимость рациона уменьшилась на 61%.

При решении задачи оптимальной организации кормообеспечения и теплоснабжения

БЖК результаты анализа по фотореакторам, кормовому рациону и биореактору по производству биогаза участвовали как системные показатели. Принято, что в рамках БЖК теплоснабжение осуществляется с помощью: а) солнечных коллекторов как широко распространенного вида нетрадиционного теплоснабжения; б) сезонного теплового аккумулятора как одного из перспективных методов средне- к долгосрочного аккумулирования энергии; в) биогазовой энергетической установки (БЭУ), органически вписывающейся в состав БЖК; г)котельной, работающей на традиционном топливе. Оптимизационная модель представляла собой детерминированную задачу нелинейного программирования с нелинейными офаничениями с критерием минимума приведенных затрат. Осуществлена модификация нелинейных ограничений в линейные путем управления радиусами метантенков цилиндрической формы. При атом задача решается методом линеаризации. Исследование этой модели позволило выявить: а) возможность декомпозиции общей задачи на подзадачи кормо- и теплоснабжения, б) переизбыток производства энергии и необходимость поиска путей ее эффективной утилизации, в) целесообразность модернизации критериальной функции с целью вовлечения в разряд переменных мощности потребителей.

Кроме ПАОГ и БЖК в рамках исследований многоресурсных И ГС в работе рассмотрена задача оптимизации отопительной мощности биологического безотходного комплекса (ББГ). Отличительной чертой этой системы от другах ИГС является внутренняя взаимосвязь между ее основными элементами через ограждающие конструкции и воздухообменные процессы с целью эффективной утилизации избыточного тепла и газовых выделений.

Совместно с одним из авторов идеи ББГ Аширбаевым М.Х. на основе схемы тепловых потоков системы "теплица-птичник-шампиньоннчиа" разработана оптимизационная математическая модель с линейной целевой функцией, мшшмиаирующей отопительную мощность системы и нелинейными ограничениями.

Задача решена с использованием модифицированного симплекс метода для решения задач линейного программирования путем модификации нелинейных ограничений в линейные. Результаты позволяют найти оптимальные соотношения площади элементов.

Пятая глава работы посвящена синтезу ИГС на зональном урозне анализа, предусматривающем исследование проблемы размещения интегрированных гелиосистем.

Научное обоснование размещения ИГС с учетом природно-климатических, социально-экономических, экологических и других особенностей региона целесообразно рассматривать в двух аспектах.

В первом, узком смысле, задача обоснования размещения ИГС конкретного вида производства сводится к установлению и обоснованию ареалов их распространения в

| регионе. Традиционным решением в этом случае является районирование территории региона но комплексу выходных показателей, изучающего возможности размещения И! С определенного функционального назначения для про'гззодсгяа конкретного вида продукции. В результате определяется возможность производства рационального вида п;юдукцни ИГС. Обычно этот подход используется в начальном этапе анализа задач размещения. Районирование территории региона позволяет выявить границы и зоны использования различных ИГС г. определенной технологией.

Во втором, в широком смысле, задача размещения ИГС представляет собой задачу составления оптимального плана размещения их сети в регионе по определенным критериям с учетом г,граничений,налагаемых на процесс их функционирования и возможности взаимосвязи этих систем. В наиболее общем виде эта задача представляет собой сложную оптимизационную задачу производственно-транспортного типа, сформулированного в виде многопродуктовой модели с наличием нескольких критериев, оценивающих качество функционирования системы и неопределенностей различной физической природы.

В первом разделе пятой главы работы в рамках обобщенного алгоритма проектирования ИГС реализован простейший алгоритм принятия решения о размещении интегрированных гелиосистем, который позволяет районировать ИГС относительно потенциальных возможностей местности. Суть этого алгоритма заключается в определении потенциальных возможностей местности в производстве определенного вида продукции.

На конкретном примере показано применение этого алгоритма размещения по выявлению целесообразности организации Г1АОГ на пустынной местности. Особенность функционирования ПАОГ требует анализа двух направлений производства на местности: чоды с использованием колодцев и кормообеспечения от ресурсов пастбища.

По объему запасов грунтовой воды, степени ее минераадзации, дебету колодца, потребности одной овцы в воде определяется количество овец, которых может удовлетворить этот колодец водой - .'V.

По радиусу отгона овец, урожайности пастбищ в зоне, поедаемости запаса корма и потребности одной овцы в этих кормах определяется количество овец, которых можно содержать на этой территории - Л^.

На основе анализа этих результатов по критерию можно определить рациональное количество стен, подлежащих содержанию на территории исходя из ее потенциала. Например, критерием определения рационального количества овец может стать соотношение :

^тшп^.К} (26)

Этот критерий ориентирует мощность ПАОГ на минимальное из возможного количества овец, что не нарушает естественный потенциал территории без учета взаимосвязи территорий между собой. Иначе говоря, эта территория становится замкнутой.

Обычно данные по колодцу и радиусу отгона бывают нечеткими. Проведен сравнительный анализ двух подходов: с учетом и без учета нечеткости переменных. Выявлена необходимость учета нечеткости.

Во втором разделе пятой главы работы рассмотрена задача размещения ИГС в широком смысле, которая представляет собой задачу производственно-транспортного типа, ориентированную на специализацию, концентрацию и кооперирование производства.

Анализированы некоторые обобщенные свойства оптимального плата, проблема декомпозиции и агрегирования подобных задач, и их типы (непрерывные, частично целочисленные, дискретные). Подчеркнута особенность задач размещения -необходимость учета взаимозаменяемости и взаимозависимости производства ресурсов и продукции в различных пунктах размещения.

В качестве примера решена задача оптимального размещения сети солнечных опреснительных комплексов (СОК) в пустынной зоне. Физическая модель этой задачи заключается в следующем: имеются вероятные пункты потребления питьевой воды (¡—1,п), размещения СОК (г=1,т) и добычи исходной воды (к=1,р). Исходя из условий технологии опреснения воды и других условий, сформулированы следующие ограничения: а) объем исходной воды, доставляемого из к-го колодца во все пункты размещения СОК не может превысить мощность колодца !с, б) объем исходной воды, доставляемой в /-й пункт размещения СОК со всех колодцев в зоне должен удовлетворять потребность, которая складывается из потребностей СОК в исходной воде и необходимого объема этой воды для смешения ее с дистиллятом с целью получения питьевой воды требуемого качества; в) объем производства питьевой воды требуемого качества для потребителей у не может превышать возможности СОК в пунктах размещения г, г) Питьевая вода, производимая в /~м пункте размещения СОК должна удовлетворять требуемым нормам по качеству воды в зонах потребления /; д) объем доставляемых питьевых вод из пунктов размещения СОК в каждый пункт потребления /должен удовлетворить потребности.

В целом, задача сформулирована в виде стохастической многокритериальной оптимизации. Стохастичность обусловлена производительностью СОК, а критериями представлены: а) минимум приведенных затрат на создание в зоне сети СОК; б) максимум мощности потребителей в зоне; в) минимум возможного ущерба

\

!

окружающей среде я зоне эксплуатации сети СОК.

Гаким образом, задача заключается в выборе рациональных мест размещения пункта добычи исходной воды, производства опресненной и готовой воды, вычисления оптимальных площадей СОК и мощности потребителей, схем транспортировки исходной, опресненной и готовой воды с точки зрения оптимизации критериеа при условии выполнения ограничений.

Для решения задачи выбран метод главного критерия. Этим критерием стал минимум приведенных затрат. Мощность потребителей можно задать в каждом шаге оптимизации до случая выполнения условия несовместимости ограничений, что покажет аа потенциальную способность зоны. Экологический критерий также переводится в разряд ограничений. Эго целесообразно с той точки зрения, что жесткое экологическое ограничение не позволит перейти грань экологического дисбаланса, тогда как критериальная форма по смыслу есть затраты на восстановление экологического нарушения, т.е. некий штраф, а это уже связано с неопределенностью. Когда есть возможность уйти от неопределенности, то это надо сделать.

Проанализированы различные методы оптимизации. В данном случае стохастический квазиградиентный алгоритм с адаптивной регулировкой шага неэффективен из-за наличия в нем операции проектирования, что приводит к большим затратам времени расчета. Поэтому исследована возможность применения стохастического метода линеаризации. Последующи анализ эффекта стохастичносги производительности СОК в годовом интервале времени показал на возможность перехода задачи к детерминированному ее аналогу. В табл.4 представлены результаты расчетов для при задании характеристик каждого локального пункта, расстояния между ними и транспортных расходов. Они показывают эффективность взаимодействия локальных пунктов в рамках зоны. Рациональность постановки такой задачи определяется невозможностью обеспечения водой 13000 потребителей при выполнении условии автономности локальных пунктов.

Шестая глава работы посвящена анализу стратегии развития нетрадиционной и возобновляемой энергетики на региональном уровне. В качестве региона принят Туркменистан. Поэтому стратегия развития НВЭ должна быть одной из частей национальной энергетической программы страны, а такая программа - необходимая составная часть социально-экономической программы развития страны.

Проанализированы особенности развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) 7 уркменистана, его экспортирующая направленность, причины возникновения диспропорции между производством топливно-энергетических ресурсов, их потенциалом и потреблением. Отмечено, что в наиболее общем виде в модели оценки стратегии

развития ТЭК региона с учетом НВЭ следует отразить: 1. Ухудшение условии добычи первичных энергоресурсов но времени, 2. Возможность импорта и экспорта энергоресурсов, 3. Влияние освоения энергоресурсов на экологию, 4. Неопределенность информации, 5. Децентрализованносгь и рассредоточепность потребителей, 6. Тенденцию изменения затрат на освоение энергоресурсов с течением времени, 7. Влияние эффекта "масштабности" на показатели системы как явление: чем мощнее система трубопровода, тем дешевле себестоимость, протекающей в нем продукции.

Табл. 4

Результаты расчетов по размещению СОК

Пункты ) Площади СОК, м. и Пункты 1 Добыча ьчдь» из колод ¡¿ев, куб. и Количество потребителей Целевая функция, руб.

1 5 3434 34266 1 2 3 4 5 2348 5869 2935 1174 4108 1184 11816 1 5.62

1 2 3 4 5 20903 4540 4027 1261 6280 1 2 3 4 5 2348 5869 2935 1174 4108 1422 3354 2191 775 3257 3.64

1 1 2 3 4 5 1982 4540 1779 522 2692 1 2 3 4 5 2227 5869 2935 1174 4106 1349 33 54 1533 675 2089 2.33 1

2 3 1 4 | 5 3659 1780 5228 2692 2 3 4 5 5869 2935 1174 4108 2703 1533 675 2089 1.74

В работе представлены результаты исследования простейшей модели по определе!ию оптимальной стратегии развития НВЭ в системе ТЭК региона.Эта задача сформулирована в форме максимизации доходов от производства и распределения энергоресурсов с учетом их влияния на окружающую среду при ограничениях на:

44

\

а) потенциал энергоресурсов в момент времени Л б) удовлетворение потребности региона, п ) ограниченность энергоресу(>сов за время Т, г)распределение энергоресурсов, при заданных начальных условиях.

Задача относится к классу задач линейного программирования. Она просчитана модифнцирогзаштым симплекс-методом на примере пяти видов энергоресурсов: солнечной энергии,ветра,биомассы.природного газа и нефти. Временной горизонт 25 лет, интервал

- 5 лет. Расчеты показали эффективность внедрения НВЭ в народное хозяйство региона при экспортирующей направленности природного газа, а нефть постепенно утрачивает сбою роль.

В приложении работы укрупненно описывается структура программного обеспечения

- диалоговой интерактивной системы (ДИС), разработанной для поддержки принятия решений при проектировании ИГС.

ДИС реализовывает функции управлениям) данными и б) процессами моделирования и оптимизации ИГС. При этом диалог: а) допускает активную и пассивную форму взаимодействия системы "исследователь-компьютер",

б) обеспечивает интеграцию различных прикладных программ в ДИС, в) имеет модульную структуру, г) организован в виде иерархического меню, д) имеет одно и многоэкранный режим работы, е) обеспечивает пвод-вывод информации и их редактирование в удобном для исследователя виде, ж) обеспечивает выдачу справок. Основными составным!» частями ДИС являются блоки: а) моделей, б) методов и алгоритмов реикния задач системного проектирования ИГС, в) ввод-вывод данных. В рамках ДИС разработана шформационная структура диалога, определены связи между компонентами различных блоков. В настоящее время ДИС совершенствуется.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проанализирована проблема рационализации и интенсификации использования НВИЭ в комплексе четырех аспектов: технологическом, экономическом, экологическом и социальном. Сравнены различные типы постановок задач (детерминированная, стохастическая, вероятностная), оценивающие экономическую эффективность гелиообъектов. Выявлено возрастание экономических показателей проектируемой системы При учете неопределенностей, которые являются неотъемлемыми свойствами процесса функционирования гелиообъектов. Показан недостаток традиции шого подхода оценки экономической эффективности гелиообъектов, заключающегося в его детерминированности и статичности. Разработан критерий оценки наступления зоны конкурентоспособности объектов НВЭ. Определено, что одним из эффективных путей решения проблемы рационализации и интенсификации использования НВИЭ

является разработка интегрированных гелиосистем (ИГС). Проведена классификация ИГС и их математических моделей, разработан обобщенный алгоритм проектирования ИГС. Сформулированы предмет и задачи математической гелиотехники как научного подхода, изучающего современными методами системного анализа взаимоотношение НВЭ с метасистемой "общество-природа". Предметом прикладной математической гелиотехники определены моделирование и синтез ИГС. Выделены основные направления исследований по моделированию и синтезу ИГС:

- разработка математических моделей, обеспечивающих как объективную оценку исследуемой проблемы, так и подготовку и анализ их решений на разных уровнях организации ИГС;

- анализ проблематики практической оптимизации ИГС;

- разработка программного обеспечения для орг анизации и ведение диалога при решении задач оптимального проектирования ИГС.

2. Предложена концепция построения системы моделей, позволяющая с учетом особенностей исследуемого класса ИГС ставить и решать широкий класс задач по оптимальному проектированию ИГС На основе этой концепции предложен алгоритм последовательной формализации моделей, описывающих исследуемую систем)' па различных уровнях детализации. Это: а) обеспечивает согласованный выбор агрегированной и детализированной модели ИГС, и б) позволяет сократить размерность решаемых задач.

3. На основании концепции построения систсмы моделей предложены методологические приемы по решению задач синтеза ИГС. Их суть сводится к исследованию ИГС на различных уровнях организации систем: локальном, зональном и региональном с выбором соответствующих моделей, методов и алгоритмов расчета.

4. Исследованы комплекс задач оптимального проектирования ИГС в линейной и нелинейной детерминированной, стохастической и вероятностной постановке. Проанализированы вычислительные методы решения поставленных задач и проблема их практической оптимизации.

5. Предложена и обоснована структура программного обеспечения для разработки и ведения диалога в интерактивных системах проектирования ИГС; разработаны алгоритмы и программы организации информационных обменов при подготовке и анализе решений в НВЭ.

6. Проанализированы и решены следующие практические задачи:

6.1 Так как любая ИГС взаимодействует с внешней средой и корректность ее оптимального проектирования зависит от надежности представленной информации о внешней среде, то в работе в области формирования репрезентативной внешней

\

информации:

- обобщены и классифга_трованы модели наружного климата; разработана простая, корректная и быстрая процедура вероятностного моделирования суточной солнечной радиации с возможностью учета межсуточной корреляции на базе обработки актинометрнческих наблюдений isa 14 лет в месячном разрезе. Качество моделирования оценено по критерию Колмогорова-Смирнова. Значения вероятности приемлимости гапотезы об одинаковости функций распределения моделируемых и актинометричесхнх данных составляет от 84% до 99%;

- предложен методический подход к оценке степени деградации пустьштапс пастбищ. Опраидываемостъ 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.

6.2 Так как основу ИГС составляют элементы и задача оптимизации процесса их функционирования по технико-технологическому критерию может иметь относительную самостоятельность от ИГС, то:

- исследована проблема обеспечения теплового комфорта в помещении с использованием солнечной пассивно-активной к традиционной системы те]!лохладоснабжения;

- исследована проблема оптимизации технологических параметров биореактора по производству биогазд из отходов мелкого рогатого скота. Проведены активные лабораторные эксперименты. Разработаны планы экспериментов: четырехфакторньш по принципу латинского квадрата и двухфакторный симплекс-суммируеммй. 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 биореактора по технологическому критерию - максимизации товарного метана;

- проанализировано влияние стохастичности солнечной радиации на производительность фотореактора по выращиванию хлореллы и значения выходных показателей. Оценено, что относительная погрешность при определении площади саетоприемной поверхности фотореакторов от стохастичности солнечной радиации

может дойти до 35%. Исследована роль хлореллы в кормовом рационе животных.

6.3 На локальном уровне синтеза ИГС:

- исследована задача синтеза системы водоснабжения в детерминированной, стохастической и вероятностной постановках. Определены зоны их корректности и практической применимости. Показана роль размаха дисперсии при постановке этих задач. Определена возможность организации автономной системы водоснабжения с СОУ в пустынной местности, обеспечивающей потребности в воде с 95% вероятностью;

- решена стохастическая задача электроснабжения потребителей с учетом дискретности количества ветроагрегатов. Выявлена необходимость постановки многокритериальных задач, так как одинаковые значения критерия (минимума приведенных затрат) с малой погрешностью (до 3%) наблюдается при различных значениях искомых переменных; количества ветроагрегатов, площади фотопреобразователя и солнечного коллектора. Проанализировано влияние интервала моделирования на результат решения. Показана некорректность месячного интервала моделирования из-за эффекта осреднения характеристик наружного климата (особенно скорости ветра);

- путем модификации нелинейных ограничений в линейные решены задачи: а) тепло- и кормообеспечения в безотходном животноводческом комплексе. Определена . динамика приозводсгва и складирования хлореллы, вьмвлено перепроизводство тепловой энергии и отмечена необходимость модернизации критериальной функции с целью вовлечения в разряд переменных мощности потребителей; б) оптимизации межэлементных геометрических соотношений в биологическом гелиокомплексе, обеспечивающих их рациональное тепловое взаимодействие.

6.4 На зональном уровне синтеза ИГС:

- разработан алгоритм районирования ИГС по природно-климатическим условиям. На примере задачи районирования солнечных опреснительных комплексов (СОК) показана необходимость учета неопределенностей с использованием теории нечетких множеств;

- разработана многокритериальная математическая модель размещения опреснительных комплексов производственно-транспортного типа. Проанализированы стохастический и детерминированный виды моделей, методы их расчетов Задача размещения СОК решена методом главного критерия для пяти вероятных пунктов размещения колодцев, СОК и потребителей. Показана целесообразность исследования таких задач, позволяющих путем взаимодействия лока\ьных пунктов повысить потенциал Зоны.

6.5 В рамках исследований по анализу роли НВЭ на региональном уровне:

\

\

- исследована оценочная модель развития топливно-энергетического комплекса Гуркменистана с учетом НВЭ и экспортно-импортных возможностей региона в энергоресурсах. Определена перспективность широкого использования НВИЭ при экспортирующей направленности природного газа с утратой роли нефти с течением зремени с точки зрения максимизации дохода Туркменистана от производства и тродажи эпергоресурсоп с учетом экологии. Определены пути совершенствования »тон модели.

Таким образом, в работе разработаны методические основы оптимального 1роектированкя интегрированных гелиосистем, оценки и анализа их оптимальных ¡ешений. Теоретическая и практическая ценность работы состоит в том, что она одержит совокупность результатов, обеспечивающих повышение качества принимаемых >ешений в области НВЭ, объективную оценку выходных показателей ИГС и их >лементов, сокращение материально-трудовых затрат на их проектирование.

Эти результаты являясь обобщением и развитием исследований, проводившихся в аких направлениях науки как теория системного анализа и методы подготовки анализа >ешений представляют собой ростки нового научного подхода в НВЭ-математичсской глпотехники.

Разработанные в работе методические основы реализованы на практике при оздакни действующих и проектируемых интегрированных гелиосистем, других объектов 4ВЭ, о также и различных областях науки, техники и знаний.

Совокупность полученных в работе теоретических и практических положений юзволчет сделать вывод, что ее результатом является теоретическое обобщение и «¡пение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение -¡азработкн методических основ, моделей и анализа методов решения проблемы юделирования и синтеза интегрированных гелиосистем, представляющих собой один 13 путей рационального развития НВЭ. Это привело к необходимости формирования ¡ового научного подхода а НВЭ - математической гелиотехники.

СПИСОК РАБОТ:

1. Тойлиен К., Мурадов Б Б. Реализация на ЭВМ математической модели емпературного режима здания с пассивными гелиосистемами//Изв. АН "ССР,сер.ФТХиГН, 1986,N 3, с.93-95

2. Байрамов Р.Б.,ЧугуевецТ.П.,Мурадов Б.Б. Основы обобщенной математической юдели автономного гелиокомплекса//Изв.АН ТССР, сер.ФТХиГН, 1987,N.3, с.35-2.

3. Мурадов Б.Б.,Чугуевец Т.П.,Волосюк 3,И.Методика оценки продуктивности пустынных пастбищ на примере Центральных Каракумов// Пробл.осв.пуст. 1987, с.14-20.

4. Мурадов Б.Б.,Чугуевец Т.П. Формирование репрезентативной климатической информации при моделировании процесса функционирования гелиосистем// Пробл.осв.пуст.1988, с.23-28.

5. Тойлиев К.,Чугуевец Т.П..Мурадов Б.Б. Тепловой режим солнечного дома с учетом динамики пассивных элементов теплохладоснабжения//Изв АН ТССР, сер.ФТХиГН, 1989,N.1, с.97-99.

6. Аннаев М.,Мурадов Б.Б.,Чугуевец Т.П.,Ханов Ч.Х. Математическая модель процесса функционирования безотходного животноводческого комплекса с биореаятором // Гидродинамика и процессы переноса в биреакторах//Сб.н.тр , Новосибирск,АН СССР, Сибирское отделе!те, Институт теплофизики, с. 133-137.

7. Chuguevets Т.Р., Muradov В.В. The House with the Passive System of Heating and Cooling Supply as the Element of the Autonomous Heiiocompiex.//Jn book:Heat and Mass Transfer in Building Materials and Structures,1990,pp.615-626.

8. Baijramov R.B., Motulevich V.P. Chuguevez T.P., Muradov B.B.Experience of deve lopment and creation of autonomous heliocomplexes and their elements for desert zone exploitation // Proceedings of condensed papers.9th Miami International Congress on Energy and environment, vol.2,p.416.

9. Мурадов Б.Б., Чугуевец Т.П. Вероятностный метод моделирования климата/ /Тезисы IV научно-практической конференция молодых ученых и специалистов.АН ТССР, Ашхабад, 1987, с.236.

10. Мурадов Б,Б.,Ханов Ч.Х.,Чугуевец Т.П.,Аннаев М. Математическая модель межэлементной связи процесса функционирования безотходного животноводческого комплекса//Изв.АН ТССР.Сер.ФТХ и ГН.1990, N2. с.37-42.

11. Мурадов Б.Б.,Чугуевец Т.П.,Ханов Ч.Х. Оптимизация кормовых рационов сельскохозяйственных животных с использованием хлореллы//Изв.АН ТССР,

Сер.ФТХ и ГН.,1991,Ы5,с.77-81.

12. Мурадов Б.Б.,Чугуевец Т.П. Имитационная модель процесса функционирования опреснительного комплекса//Проблемы освоения пустынь, 1991,N3,с.15-21.

13. Мурадов Б.Б. О влиянии диапазона возможных значений стохастических параметров на оптимизацию гелиотехнической системы водоснабжения// Методы и программные средства оптимизации,моделирования и создания вычислительных систем:Сб,науч.тр./АН УССР.Ин-т кибернетики.-Киев,1990, с.81-83.

14. Мурадов Б. Б., Чугуевец Т. П., Ханов Ч. X. Оптимизация процесса

\

функционирования безотходного животноводческого комплекса с нетрадиционным энергоснабжением//Гелиотсхника.1991,N5 ,с.6-11.

15. Чугуевец Т.П.,Ханов Ч.Х.,Мурадоз Б.Б. Математическая модель выхода биогаза в зависимости от состава трехкомпонентного субстрата//Изв.АН ТС'СР,&.р.ФТХиГН, 1991, N4, с.59-63.

16. Мурадов Б.Б., Аллабердиеи Ч. Статистический анализ формирования температуры воздуха в теплице при выращивании тюльпанов.,//Изв. АН ТССР, сер. ФТХиГН. 1990, N4, с.55-59.

17. Аширбаев М.Х.,Мурадов Б.Б.,Мурадов Р.Б. Оптимизация удельной отопительной мощности биологического гелиокомплекса//Гелиотехника, 1992, N1, с .5-9.

18. Байрамов Р.Б..Чугуевец Т.П..Мурадов Б.Б. Автономные гелиокомплексы как система рационального природопользования в пустынных зонах//Тезисы Всесоюзной конференции "Экологические проблемы охраны живой природы",Москва, 1990,с.224.

19. Naumov A.V., Kurbakovsky V., Muradov B.B. Applying the quantile optimization methods to watersupply system design//Technica! Report,91-29, Nov. 1991,p.16 The University of Michigan, USA, 16p.

20. Мурадов Б.Б. К оптимизации размещения опреснительных комплексов// Геэ.докл. на научно-практической конф. 'Человек.природа, общество", 1942,4.1, с.24-25, г.Ашгабат.

21. Мурадов Б.Б.,Чутуевец Т.П..Ахмедов Я. Системный подход к статистическому энализу процесса производства биогаза из животноводческих отходов // Тез.докл, на научно-практической конф." Использование солнечной энергии в народном хозяйстве"-24-26 сент. Ташкент - 1991, т 2, с.8-10.

22. Чугуевец Т.П..Ахмедов Я..Мурадов Б.Б. Оптимальное планирование многофакторного эксперимента по исследованию выхода биогаза из животноводческих отходов//Изв.АНТ, Сер.ФМТХ и FH.-1992.-N5, с.44-48.

23. Мурадов Б.Б., Келов К.К., Кдшанов А. Зависимость скорости выделения биогаза с использованием полиномов Чебышева.//Изв.АНТ, Сер.ФТХи ГН, 1990, N6, с.99-101.

24. Мурадов Б.Б.,Чугуепец Т.П.,Машаев К.Х. К проблеме оптимизации системы электроснабжения автономных потребителен//Тез.докл. на научно-практической ко.чф."Использование солнечной энергии в народном хозяйстве"-24-26 сент.Ташкент - 1991, т.З. с.17-19.

25. Мурадов Б.Б. О раампкых подходах к оценке эффективности гелиосистем//

Изв. АНТ.сер.мат. и тех. наук, 1992,N4, 12-17.

26. Банрамов Р.Б.,Мезилов К.А.,Мурадов Б.Б..Чугуевец Т.П. Параметрическая оптимизация низкотемпературных гелиоустановок на примере солнечного опреснителя./ /Докл. II Минского Международного Форума "Тепломассобмен-92",Минск,1992,Т.1Х,Ч2,с.18-25.

27. Чугуевец Т.П., Мурадов Б.Б. Определение Ko^JxJiwjHeina затенения поверхности испарения солнечной опреснительной установки элементами конструкции. //Изв. АН ТССР, сер. ФТХиГН.-1992,Ы1, с.37-42.

28. Мезилов К.А., Хайриддинов Б.Э.. Мурадов Б.Б., Эргашев Д.,Мурадов Р.Б. Определение величины солнечной радиации, поглощаемой почвой в гелиотеплице,// Гелиотехника,1992,N5 .с.75-76.

29. Мурадов Б.Б. Возобновляемые источники энергии в системе природопользования//Turk devletleri arasinda 2.ilmi isbirligi konferansi/'Tebligler, 2629 Haziran, 1993, Almati, Kazakistan, c.219.

30. Байрамов Р.Б., Мурадов Б.Б., Чугуевец Т.П. Гелиокомплексы: новый этап в использовании возобновляемых источников энергии.// Гелиотехника, 1993,N2,с.32-34.

31. Muradov B.B.,Chuguevets T.P.,Mashaev K.H..Akhmedov Ya. To the Problem of the Optimization of the Power System for the Autonomous Consumers.// Papéis of the Joint Turkmen-Iranian Scientific Seminar on Renewable Energy, Ashgabat,1993,pp,81-87.

Личный вклад автора в совместные публикации:

Выбор и адагггация методов расчета; разработка программного обеспечения, кроме в [19] и [26] в части конвективного теплообмена, осуществлен автором. Кроме того, предложен: в [1,5,7,17] алгоритмы расчета объектов исследований, [2,6,8,10] подход к формализации математической модели и проектированию исследуемых систем, [3,4,9,12,15] структура модели исследований; в [11,14,16,23,24,31] разргботапы исходные формы математических моделей; в [18,30] осуществлен анализ экологического аспекта гелиокомплексов и сформулирована концепция развития НВЗ на их базе; п [19] осуществлена постановка задачи и проанализированы результаты расчетов; в [21,22] разработан подход к исследованию и формализации моделей процесса выхода биогаза, плана эксперимента; в [26,27,28] разработан подход к формализации системы моделей, совершенствованы модели радиационного режима,затенения и экономических затрат.

\

Б.Б. Мьтрадсвьщ техники ылымларыц лекторы дней алым.так дереж,есшш алмак у45™ язап "Бирлешдирилен

1сли0сис1емалары молелирлемек ве бутеви ягдайда доретмек» диен

диссертациясъшын ГЫСГАЧА МАЗМУНЫ

Бирлешдирилен гс. чюснсгсмалар (БГС) адаты дэл ве гайтадан дерейои энергия чешмелершш услунликли пейдалаимагьщ бар ёлыдыр.

Иш шертлешш икн болумден ыбарат. Биринжи белумде бирлепшкрнлен гелиосистемалар ве оларын хасиетлери, горнушлсри, олары еврениепщ еллары хонцешуал нукдай назарындаи середилйзр. Бу белумде хэзирки заман амалы математикасыны бирлешдирилен гелиосистемалары ©вренмек учтш иендаланмагын зерурлыга иыгталяр. Белумде дурли математики методлары уланмагыц оппшал ёллары еалгы берилйэр.

Ишвд икшгжи белумшде биринжи белу мин неищелери пейдаланылып, бирлешдирилен гелиосистемаларын дурли гврнушлерини математики усул билен опшмал ягдайда деретмек меселелери анализленйэр ве чотулй-эр.

Суз ве энершя угщушшлик снстемаларыны. автопоч, малдарчылык ве биолошк комплекелерн оптимал ягдайда итнлэр ягш дорстмеши математики нроблемалары евренили-ор.

Непоседе. математики моделлерин, олары чезмепш методларынын комет билен оптимал бирлешдирилен гс. шосистема:иры дурли гниигалик дережесшще, ягны лежал, топал ве репюнал дережелериндс доретмек меселе.лери чезулйэр.

MODELLING AND SYNTHESIS OF THE INTEGRATED SYSTEMS FOR RENEWABLE ENERGY.

MURADOV B.B.

Annotation of the dissertation on the award of the scientific degree of the Doctor of the Technical Sciences on speciality Renewable Energy.

The work is devoted to the solution of the problem of rationalization&intensification of the use (RIU) of the non-conventional and renewable sources of energy (NRSE) on the basis of devolepment of the integration systems (IS) to Renewable Energy as ecological-economic systemsln view of that the problem of elaboration of the mathematical models of thP

optimal structures IS has been invesligated.Their qualities and peculiarities have been analysed,the calculation methods, algorythms and software supply were adapted and elaborated, the peculiarities of their practical use when modelling and optimizing were revealed.

From the content point of view the work was divided into two parts.In the first part the conceptual principles of the solution of the problem of RIU NRSE are discussed.Their applicable aspect is reflected in the concept of the development of NRSE on the basis of IS of different functional use.The classification of IS has been done.The necessity and rationalism of the involvement of the modern methods of the general theory of the system analysis was revealed for the efficient implementation of the suggested concept into practice.That brought to the formulation of the theoretical basis of the solution of the problem of RIU NRSE in the shape of the new scientific approach in the frame of NRSE -mathematical heliotechnique (MH).The subject and the basic problems were identified.Thus, the results of the first part of the work constitute the methodological basis of the problem under investigation.

The second part of the work is devoted to the applied problems of the MH.These problems are subjected to the definite logical structure of the system investigations in NRSE. IS of the investigation on the elementary, local,zonal and regional levels.The objects of the application of the system investigation were the area of the decision-making,the objects and the methodics of the investigations.The investigations are devoted to the solution of the followiug problems: the justification of the IS; the optimization of the elements, subsystems of IS; the predictiou of the effect of the involvement of NRSE into economy.

The set of the mathematical models has been elaborated solving the practical problems of IS analysis and synthesis.The modern methods were used: of the linear, non-linear, stokhastic programmingUhc solution of the probability problems of optimization;the analysis of the stochastis and uncertain information ; the theory of the experimental planning.

The following problems were solved:the optimization of the water and power supply systems with the analysis of the peculiarities of the different kinds of their setting.The problems of the optimal allocation of IS and the efficient involvement of NRSE into the economy of the region have been investigated.

\