Opis
W pracy przedstawiono problematykę optymalizacji złożonych układów elektrycznych wykorzystaniem metody populacyjnej zmodyfikowanego algorytmu genetycznego. Analizowano układ turbina wiatrowa kinetyczny magazyn energii (generacja energii)oraz dwa typy oświetlenia elektrycznego: wnętrz oraz dróg i ulic. Na podstawie modeli matematycznych opracowano algorytmy numeryczne oraz ich komputerowe implementacje. Spis treściStreszczenie 6 Wykaz ważniejszych oznaczeń 7 1. Wprowadzenie 12 1.1.Techniczno-ekonomiczne aspekty projektowania i użytkowania układów elektrycznych 12 1.2. Ekologia w projektowaniu, konstrukcji i eksploatacji układów technicznych 14 2. Cel, zakres i zadania szczegółowe 18 3. Charakterystyka wybranych układów elektrycznych 21 3.1. Wprowadzenie 21 3.2. Turbiny wiatrowe 22 3.2.1. Wykorzystanie turbin wiatrowych, zasoby energetyczne wiatru 22 3.2.2. Model matematyczny turbiny wiatrowej 26 3.2.2.1. Budowa i zasada działania 26 3.2.2.2. Regulacja mocy mechanicznej 29 3.2.2.3. Model układu przeniesienia napędu 30 3.2.2.4. Model obwodowy generatora 31 3.3. Magazyny energii 37 3.4. Algorytm współpracy turbiny wiatrowej z kinetycznym magazynem energii 42 3.4.1. Charakterystyka układu turbina wiatrowa–kinetyczny magazyn energii 42 3.4.2. Analiza statystyczna przebiegów prędkości wiatru 46 3.4.3. Dobór pojemności kinetycznego magazynu energii do współpracy z turbiną wiatrową 50 3.4.4. Wyniki analizy statystycznej pomiarowych przebiegów prędkości wiatru i doboru pojemności magazynu kinetycznego 51 3.4.5. Badania symulacyjne układu elektrownia wiatrowa–kinetyczny magazyn energii 64 3.5. Systemy oświetlenia elektrycznego 82 3.5.1. Promieniowanie świetlne i wielkości fotometryczne 82 3.5.2. Złożone systemy oświetlenia elektrycznego 84 3.5.2.1. Definicje podstawowe 84 3.5.2.2. Systemy oświetlenia wnętrz 85 3.5.2.3. Systemy oświetlenia układów komunikacyjnych 87 3.5.3. Wymagania normatywne 89 3.5.3.1. Systemy oświetlenia wnętrz 89 3.5.3.2. Systemy oświetlenia układów komunikacyjnych 90 3.5.4. Metody analizy pola świetlnego 91 3.5.4.1. Ogólna charakterystyka 91 3.5.4.2. Zjawisko wielokrotnych odbić 92 3.5.4.3. Różniczkowy opis pola świetlnego 94 3.5.4.4. Całkowy opis pola świetlnego 96 3.5.4.5. Wyznaczanie parametrów fotometrycznych na podstawie analizy pola świetlnego w złożonych systemach oświetleniowych 98 3.5.5. Numeryczna i informatyczna realizacja analizy pola świetlnego złożonych układów oświetlenia elektrycznego 100 3.5.5.1. Aproksymacja brył fotometrycznych 100 3.5.5.2. Systemy oświetlenia wnętrz 102 3.5.5.3. Systemy oświetlenia układów komunikacyjnych 106 3.5.5.4. Implementacja informatyczna aplikacji do obliczeń pola świetlnego 107 3.6. Podsumowanie 113 4. Metody optymalizacji i sposoby ich realizacji informatycznej 116 4.1. Wprowadzenie 116 4.2. Metody optymalizacji 118 4.2.1. Zadanie, typy i ograniczenia optymalizacji 118 4.2.2. Metody deterministyczne 126 4.2.3. Metody stochastyczne i heurystyki 129 4.2.3.1. Metoda Monte Carlo 130 4.2.3.2. Heurystyki „samotnego poszukiwacza”132 4.2.3.3. Heurystyki populacyjne 134 4.2.4. Metody hybrydowe 135 4.3. Numeryczna i informatyczna realizacja obliczeń optymalizacyjnych 137 4.3.1. Języki programowania, technologia .NET i wielowątkowość 137 4.3.2. Konfiguracja sprzętowa komputerów przeznaczonych do obliczeń optymalizacyjnych 141 4.3.3. Metody podnoszenia efektywności kodu źródłowego i wynikowego 143 4.3.4. Dostęp do baz danych w aplikacjach optymalizacyjnych 145 4.4. Zrównoleglenie obliczeń numerycznych 147 4.4.1. Charakterystyka i możliwości obliczeniowe komputerów równoległych i wielordzeniowych 147 4.4.2. Tworzenie aplikacji na maszyny równoległe i wielordzeniowe 155 4.4.2.1. Szeregowanie zadań, efektywność kodu wynikowego 155 4.4.2.2. Maszyny z pamięcią lokalną 156 4.4.2.3. Maszyny z pamięcią wspólną 157 4.4.2.4. Komputery z procesorami wielordzeniowymi 157 5. Optymalizacja wybranych układów elektrycznych 161 5.1. Wprowadzenie 161 5.2. Charakterystyka zadań optymalizacji wybranych układów elektrycznych 162 5.3. Ekonomiczne aspekty optymalizacji złożonych układów elektrycznych 165 5.4. Kryterium optymalizacyjne, ograniczenia strukturalne i funkcjonalne 168 5.4.1. Układy turbina wiatrowa–kinetyczny magazyn energii 168 5.4.2. Złożone systemy oświetlenia elektrycznego wnętrz 177 5.4.3. Złożone systemy oświetlenia elektrycznego układów komunikacyjnych 185 5.5. Model analityczny i informatyczny metody optymalizacyjnej 194 5.5.1. Wybór metody 194 5.5.2. Zastosowana metoda algorytmu genetycznego 198 5.5.3. Zrównoleglenie algorytmu optymalizacji 212 5.5.3.1. Układy turbina wiatrowa–kinetyczny magazyn energii 212 5.5.3.2. Systemy oświetlenia elektrycznego wnętrz 214 5.5.3.3. Systemy oświetlenia elektrycznego układów komunikacyjnych 216 5.5.4. Informatyczna realizacja systemów optymalizacyjnych 218 5.6. Wyniki obliczeń optymalizacyjnych 225 5.6.1. Metodyka i zakres badań 225 5.6.2. Właściwości zastosowanego algorytmu optymalizacyjnego 228 5.6.3. Układy elektrownia wiatro