数模论文绿色能源的择优与进一步探究

第五届数学建模竞赛论文绿色能源的择优与进一步探究论文题目： 绿色能源的择优与进一步探究摘 要随着社会的发展，能源的可持续性已经成为越来越多的人的共识，传统能源产业已经发展到原料逐渐枯竭的边缘，目前，绿色能源的快速发展一定程度上缓解了能源供应不足以及能源效益低下的问题本问题是一个评估预测问题，我们对于题目的几个问题分别建立了如下的数学模型对于问题一，我们详细的分析了当前绿色新能源的发展状况，通过搜集大量的资料，经过整理与分析我们得出了，绿色能源作为新一代的新型能源，在近几年已经得到快速发展，尤其是在水能，风能等方面得到大力推广。并且在以后几年中，政府将继续加强对绿色能源的发展，新型能源将在以后的产业中发挥举足轻重的作用。对于问题二，我们建立了层次分析模型，从环境，经济，健康等不同方面，多个侧面考虑分析，建立了可靠的层次模型，分析了当今社会主要的五种能源的优劣，并最终确定了方案层对目标层的权重向量w（0.1729，0.1310，0.2203，0.1341，0.3948）T,据此我们得出了水电能源是未来一定时期内的最优能源，并据此向有关政府提出相关建议：增大对水电建设的投资力度，促进能源的可持续性对于问题三，首先，为了评估和预测该产业对经济的影响，我们建立了灰色预测模型，评估和预测了未来五年内（20112015）几种能源的走势，并通过matlab等计算机软件作出相关图形，分析得出政府部分要加大对水电发展的投资，以缓解全国用电量快速增长带来的压力，同时要适当控制火电发电带来的低效率、高污染问题；其次，在环境和健康影响方面，我们先肯定了水电发展对环境和健康有利的一面，然后分析其带来的不利影响！我们利用层次分析法，得出了噪声和水质退化对环境影响较大，然后对噪声建立了固定点源噪声源模型和流动声源模型，得出要严格控制基坑和砂石加工与生活区，管理站等的距离。对于水质，分别在非稳态和稳态情况下建立了数学模型，得出要对废水集中处理，严格控制污染源!问题四：根据我们的模型分析结果，向有关部门提出建议，向大众说明了这一产业在人们生活中的影响，并进行推广。关键词：层次分析法 灰色预测模型 残差检验 噪声源模型 水质退化一、问题重述 随着人类社会进入21世纪，能源的枯竭问题已经越来越成为众多产业的发展瓶颈，为此，世界各国都在寻求一种高效的综合效益优良的能源，我国也正在积极的发展绿色经济，倡导低碳生活，开创新型产业，问题要求我们选取当前的一个绿色产业，分析其当下的发展状况和发展形式，并与传统产业进行比较，得出此种产业的优势，以及是否可以大力推广，如果广泛推广该产业，评估其对环境，经济，健康的影响。二、模型假设1，假设问题二中忽略一些次要的方面，认为能源产生的所有影响可以归结为经济、社会、环境三个方面；2，假设问题三中数据，全国发电量只由火电，水电，核电组成，忽略其他方式产生的较少电量；3，假设在模型中测得的噪声数据只考虑施工现场的，忽略其它的噪声源对其影响三、符号说明lamadmax:最大特征向量CI:一致性检验指标RI:修正系数CR:一致性比例Wi：权重向量x(0)=（x(0)(1),x(0)(1),x(0)(n):灰色预测的原始数据C：后验差比P：最小误差概率LA(r):距声源r（m）处A声级，dB；LWA:A声功率级，dB；R:测点与声源的距离，m：L总:预测声级，dB；Li:各叠加声级，dB；n:n个声压级。Leq:预测点出的声压级，dB(A);LAmax:距车辆行驶路面中心7.5m出的源强；N:车流量，辆/h；S:噪声传播途中声屏障的减噪量。Q:每小时的机动车数量，辆/h；V:反应单元内水的体积，L：K1:流入该水体的污染物一级反应动力学降解系数，s-1；c：单元水体污染物浓度，mg/L;c1：流入该水体的入流污染物浓度，mg/L；四、模型建立与求解问题一：绿色能源的发展现状与前景 中国绿色能源产业发展具有资源优势，最近快速增长。到2010年底，中国水电装机达到 1.9亿千瓦，中国风电装机总量达4000万千瓦，居世界前茅，太阳能光伏电池生产国已连续两年成为世界第一。但中国的新能源产业仍存在技术和市场瓶颈，面临缺乏人才以及成本高的困境。中国政府新能源发展目标规划明晰，重点发展水能、风能、生物质能和太阳能，未来10年新能源发展将迈上新台阶。规划实现2020年风电总体规模有1亿千瓦，水电装机容量达到3亿千瓦，太阳能发电180万千瓦，生物质发电装机3000万千瓦。发展绿色能源有助于解决能源不足的问题，有利于培育新的经济增长点，推动区域经济 发展，有利于缓解环境保护的压力。 近年来，中国水电产业快速发展。随着水电产业的发展，本土龙头企业的竞争力增强。中国政府通过补贴、税收减免、低息贷款等政策，扶持水电产业发展。未来，中国水电产业将呈现出不同技术发展路线共存、水电机组整机行业进入门槛提高、中外厂商竞争愈发激烈。1.中国绿色能源产业发展现状和展望 绿色能源产业发展现状 绿色能源主要是指太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能等新型能源。 .风力发电成果显著 截至2010年底，中国风电装机总量达4000万千瓦，居世界前茅。 中国风能资源丰富，小型风电机组技术发展成熟。 设备国产化程度较低，发电成本高是中国风电产业的发展瓶颈。 尚不具备生产大型风力发电机的能力，80的设备需要进口。 与煤电相比，风电的成本要高33 60。 中国风能资源普遍分布在西部地区，而电力主要用户则是分布在东部沿海，风电。 传输成本较高。 .水电发展成熟，装机总容量居世界第一 到2010年底，中国水电装机达到1.9亿千瓦。 水能资源丰富，水电生产技术成熟，并形成了完备的产业体系水能资源理论蕴藏量6.94亿千瓦，中国水电技术开始向发展中国家大规模输出水电技术。 投资不足以及环境和移民问题是中国水电产业的发展瓶颈。 一直以来，投资不足是制约水电建设的主要因素，而今后，环境和移民问题特别是水库移民问题将成为制约水电建设新的瓶颈。 .太阳能产业进入快速发展阶段，生产规模世界第一 中国是重要的太阳能光伏电池生产国，已连续两年成为世界第一 。 太阳能资源丰富，技术不断提高，初步形成产业化 。 年太阳辐射总量高于5000MJ/m ，年日照时数大于2000h，绝大多数地区年平均日辐射量在4kwh/m2 以上，太阳能理论储量达每年17000亿吨标准煤。 设备依赖进口，产业缺乏统筹，市场规模偏小是太阳能产业的发展瓶颈。 光伏产业两头在外，90%以上的原料和市场均依赖国外，关键设备全靠进口，产 业利润有限。 光伏产业主要应用于边远地区，发展缺少统筹安排，市场狭小且竞争无序。 .生物质能应用广泛，但目前处于初期发展阶段 目前我国的生物质能资源的消费总量仅次于煤炭、石油、天然气，位居第四位 。 生物质能资源丰富，发展潜力巨大，但受地域资源等限制。 生物能源发电目前受地域资源限制，分布不均导致成本较高 。 农林废弃物的收、储、运工作相当复杂和艰巨。 相关科研、技术和人才支撑不够，研发滞后于企业发展要求。 中国绿色能源产业发展政策 国家重点鼓励发展的绿色能源产业是水能、生物质能、风能和太阳能。 .新增投资促进水电建设，实现2020年水电装机容量达到3亿千瓦的目标 从2006年到2020年，新增1.9亿千瓦，投资1.3万亿 鼓励民资投资小水电，解决农村和偏远山区用电困难。 .鼓励风电发展，实现2020年风电1亿千瓦的目标 实施新能源产业振兴规划以来大大提升了中国风电的装机容量 根据国家能源局的数据，到 2020 年，力争在甘肃、内蒙古、河北、东北，以及江苏沿海等地建立若干个千万千瓦风电基地。.下达补助资金，实现2020年太阳能发电180万千瓦的目标 2009年3月23 日，财政部、住房和城乡建设部出台关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见并出台了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法，决定有条件地对部 分光伏建筑进行每瓦最多20元人民币的补贴。 2009年7月21 日财政部、科技部、国家能源局联合宣布启动金太阳示范工程，采取财政补助、科技支持和市场拉动方式，加快国内光伏发电的产业化和规模化发展。 .投资2000亿，实现2020年生物发电达3000万千瓦的目标 从2006年到2020年，生物质发电新增装机容量2800万千瓦，约需投资2000亿。 到2020年生物质发电装机3000万千瓦，在总发电装机中的比重达到2%左右的发展目标。问题二：我们采用层次分析法模型（AHP）。 模型二的建立：层次分析法是对一些较为复杂、较为模糊的问题作出决策的简易办法，它特别适用于那些难于完全定量分析的问题。它是美国运筹学家Satty教授于上世纪70年代初期提出的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法。层次分析法中，Saaty等建议引用数字 19 及其倒数作为标度。下表列出了 19 标度的含义： 表1-1注意：若因素i与因素 j的重要性之比为aij ，那么因素 j与因素i重要性之比为 aji且有aij=1/aji 经实验检验，采用19标度作为判断结果的合理性与正确性最为合适。问题二中，要求我们从环境，经济，健康等角度来评价一下绿色能源与传统产业相比有哪些优势，我们通过层次分析模型的建立，选取不同的绿色新能源与传统的能源进行比较，得出可靠的结果。我们建立的层次分析模型如下：D1D5是如下的几种能D1:可燃冰D2:汽油D3:风能D4:火电D5:水电 图1-2模型二的求解及一致性检验：求本层要素相对于上一层要素的权重.方法是将本层的要素Ai和Aj（i,j=1,n）相对于上一层要素Ck（k=1,m）按重要程度进行两两比较，得判断矩阵(aij)mxn，我们首先对各层之间的要素进行两两比较得出如下的判断矩阵：目标层与准则层之间： 表1-3注意表中主对角线数字aii=1，且有aji=1/aij.求上述判断矩阵的最大特征值和特征向量，特征向量(w1，w2,w3,，wn)T，该向量标志要素A1，,An相应于上层要素Ck的重要程度的排序, 求判断矩阵的最大特征向量和最大特征值，使用matlab中的eig()函数，求得w=(0.7396,0.0938,0.1666)T,即权重，下面进行一致性检验：需要检验判断矩阵中的aij值之间是否具有一致性，即i ,j=1, ,n,有aij=wi/wj，因而判断矩阵可写为 这里n为特征值.当判断矩阵完全一致时有lamadmax=n，而当判断矩阵在一致性上存在误差时有lamadmaxn,误差越大，（lamadmax -n）的值就越大.其中我们运用Matlab软件中的函数eig(A)计算出lamadmax.层次分析法中用CI作为检验判断矩阵一致性的指标，其中CI=(lamadmax-n)/(n-1)因判断矩阵的阶数n越大时，一致性越差，为消除阶数对一致性检验的影响，引进修正系数RI，并最终用一致性比例CR 的值作为判断矩阵是否具有一致性的检验标准.其中CR=CI/RI，当计算得到CR值小于0.1时，认为判断矩阵具有一致性.由matlab算得lamadmax=3.0142，CI=（lamadmax-3）/（3-1）=0.0071，查表的RI=0.58（n=3），CR=CI/RI=0.0120.1，虽然说矩阵A不具有绝对的一致性，但是具有满意的一致性，是可以接受的，对应的权重即为w=(0.7396,0.0938,0.1666)T下面依次对各层进行权重分析，并且经过单层一致性检验，每一个判断矩阵有满意的一致性: 表1-4Lamadmax=5.0718,CI=( Lamadmax-5)/(5-1)=0.01795,RI=1.12,CR=CI/RI=0.016200，1=i=5，1=j=5，Bij的取值方法可参考萨蒂的方法。萨蒂引用了数字1,2,3-9及其倒数1,1/2,1/3-1/9，作为标度，其意义是：Bi 比Bj，相同稍大大很大绝对大Bij13579 表3-1如果Bij取2,4,6,8表示影响程度之比介于两个等级之间（如Bij=2表示两者对环境和健康影响力之比介于相同和稍大之间），列出表格如下：B1B2B3B4B5B111/4321/4B241321B31/31/311/21/3B41/21/2211/2B541321 表3-2根据表格得到Bij矩阵如图所示，编写相关mtalab程序（程序见附录3）可得上矩阵的最大特征值lamadmax=5.3283，CI=（lamadmax-5）/（5-1）=0.082，查表得RI=1.12，CR=CI/RI=0.073施工生活区居民点，但是由管理站的噪声值较大，所以要严格控制管理站与施工区的距离，减小其噪声值！【改善措施】综合表31和表32可知，基坑和砂石加工要离施工生活区，管理站，居民点等尽量远，基坑控制在500m之外，砂石加工控制在400m之外！另外可以在施工区周围建造绿化带，设置防护板等，这样可以减弱噪声，粉尘等对周边环境和人健康的影响！2、建立水质预测模型 如果将一个单元水体，如一个水库看成如图33所示的完全混合的，水质浓度一致的反应单元。在微时段dt时间，反应单元的入流流量为Q，污染浓度为c1，进入该单元水体后，偶遇反应单元内的搅拌混合作用，污染物瞬间即均匀分散至整个反应单元内，其污染浓度为c，流出的流量为Q。此时，可依据水量平衡和质量平衡原理建立稳态，非稳态的基本方程。1. 非稳态情况非稳态是指流量，污染物浓度不稳定，均随时间变化的情况。 1）水量平衡基本方程：如图35dt时间内由入口进入单元水体的水量为Q1dt，从出口排除的水量为Qdt，其差值为在dt时间内反应单元的蓄水量dV，即：Q1dtQdt=dV于是得水量平衡基本方程为：Dv/dt=Q1Q 2）水质迁移基本方程：如图35，在dt时间内从入口进入单元的污染物量为Q1c1dt，从出口排出量为Qcdt，污染物在该单元水体中由于各种作用引起的转化增量为VSidt，进入量减排出量加上转化增量应等于dt时间内污染物得变化量dVc，即Q1c1dtQcdt+VSidt=dVc 整理后，得水质迁移转化基本方程：dVc/dt= Q1c1Qc+VSi当反应单元内的源漏项Si，仅为反应衰减项K1c，且V近似为常数时，则零维水质迁移转化基本方程变为：dc/dt=Q1/Vc1（Q/V ）c+ Si在非稳态条件下，零维水质迁移转化方程为：dc/dt=Q1/Vc1（Q/V ）c+K1c式中K1污染物的降解系数，d1。令R=Q1/Q，T=V/Q，代入上式后，得：dc/dt=Rc1TcK1c，并假定R为常数，解之，得混合均匀的水体中污染浓度随时间的变化为：c=Rc1/（1+K1T）1e（1/T+K1）t+c0e（1/T+K1）t2. 稳态情况 稳态时dc/dt=0 水量平衡基本方程式：Q=Q1=常量 即反应单元的出流等于入流，反应单元没有调节作用，蓄水量保持不变。 水质迁移转化基本方程：c=c1+(V/Q) Si 该条件下，式dc/dt=Q1/Vc1（Q/V ）c+ Si中Q=Q1，V为常量，源漏项为一阶反应动力学关系（K1c）时，式dVc/dt= Q1c1Qc+VSi变为c=c1/（1+K1V/Q）=c1/(1+K1t)【对环境和健康的影响评估和预测分析】 在水电发展的过程中，水质退化对环境和人的健康都会产生严重影响！水质退化主要是由于生产和生活污水大量排放，导致地面水产生污染，甚至污染到地下水引起的。例如，施工设备，机械维修过程将会产生大量油废水，这些废水如果不经处理直接排入河道，将会对河流周围的环境产生极大不利影响，如水富营养化，导致水生生物大面积死亡等。水库运行一段时间后，将会在库底淤积一定的泥沙，这些泥沙会使水的流动性减慢，也会影响水质，从而对河流水环境产生影响！而人一旦饮用或者用这些被污染的水灌溉农作物，将会对人体健康产生负面影响，威胁人的健康！水质的监测对环境和人的健康来说都至关重要！【改善措施】 施工期间，设定专门的废水处理点，将产生的生活污水，工业废水集中处理或者通过一定的科技手段，进行循环利用！运行期间，要定期处理水库底得淤泥，控制上游的污染物得排放，从源头抓起！ 模型优缺点对于层次分析法模型，优点缺点如下：优点：1. 系统性的分析方法层次分析法把研究对象作为一个系统，按照分解、比较判断、综合的思维方式进行决策，成为继机理分析、统计分析之后发展起来的系统分析的重要工具。2. 简洁实用的决策方法3. 所需定量数据信息较少。层次分析法主要是从评价者对评价问题的本质、要素的理解出发，比一般的定量方法更讲求定性的分析和判断。本模型中难以找到实得数据进行对判断矩阵赋值缺点：1. 不能为决策提供新方案2. 定量数据较少，定性成分多，不易令人信服针对问题三的灰色预测法，我们联系实际问题，得到如下该模型较好的体现了水电，火电，核电在我国电力发展中的角色，体现出各自发展的状况，并且很好的将实际值与预测值对应起来，误差较小。但该模型属于预测模型，对近几年的产电量只是预测作用，如果国家对我国电力结构进行大规模调整，将对该模型的预测值产生很大的影响。问题四：给报社的一篇稿子，向政府部分提出建议，普及水电能源对政府的建议：水电是一种可再生的清洁能源,开发水电有利于防止污染、保护环境。由问题二中的层次分析法模型，我们知道了，水电的综合效益要远远的大于火电，面对目前火力发电原料紧缺，全社会大力倡导清洁能源的形势，我们国家要充分利用自己的发展优势，紧跟绿色能源潮流，发展绿色发电。根据资料显示，我国大陆部分水电的理论蕴藏容量为6.94亿KW，年电量60829亿KWH,其中技术可开发容量为5.42亿KW，年发电量为24740KWH,列世界之冠。中国作为水能资源位居世界第一的国家，应充分利用水力资源发展水电，逐渐增加绿色能源的使用，减少传统产业带来的不必要的污染，在第三问题中，我们从经济，环境及健康三方面考虑，得出水电应该作为新能源加大开发的力度，以补充现在绝大部分发电量仍由火电提供的现状，分析得到火电作为现在传统能源支柱，但是火力发电的原料正在逐年下降，再加上火力发电污染大，燃料汽油也在不断的处于“透支”状态，因此我们强烈建议有关部分可以加大对水电，风能等新能源的投资，其中水力发电绿色产业要突出地位发展水电可以从中小流域出发来发展水电，根据实际情况做到因地制宜。“一方面中小河流域生态环境的脆弱性，需要在开发中积极保护生态环境；另一方面，应该合理规划、有序开发，切忌一哄而上，否则不仅不利于水电开发，反而会造成不利影响。总之，在中小河流水能开发中要做到统筹兼顾，在发展水利的同时保护生态环境。水电开发的前提是必须做好生态保护，保护与开发相结合，在保护中开发，在开发中保护。而在风电、太阳能等发展上不去，核电暂停审批新项目的情况下，水电在“十二五”必定会有一个大的发展，并且形成水电开发有序、经济社会发展、生态环境良好、民生质量提升的多赢局面。 向社会大众的推广：20世纪以来，新材料与新能源的使用改变着人类的生活习惯与生活方式。采用水电取代汽油以及煤炭在生活中的应用，使人类的生活在变得更加方便、快捷的同时，也促进了社会的可持续发展，保护了环境；开发水电可以弥补全国用电量快速增长导致的能源不足，为贫困人口利用电力提供可能，水电等再生能源的开发与利用则为“一次能源”贫乏的地区和远离城市或居住分散的人群提供了同样温暖舒适的生活。水电的发展促进了社会生活的改善，而且深刻地影响着人类的生活方式。水电的发展也可以改善用电紧张的局面，同时可以让政府决策者制定更好的用电收费标准与形式。 十分重要的一点是，要认识到水电的发展不仅是一种产业发展的模式，也是一种生活方式的转变，这就要求我们要树立绿色经济的意识，树立从点滴做起的习惯。比如现在化石燃料的燃烧会产生大量废气，对环境影响很严重，我们要从点滴做起，转变能源消耗模式.虽然对于个人，这是一件小事，但是如果在全社会范围内，树立了绿色能源意识，我们就可以节约很多的能源，实现经济的可持续性。参考文献1 袁震东 蒋鲁敏 束金龙 ，数学建模简明教程，华东师范大学出版社，2002年2月2 朱堂生，水利水电工程环境影响评价，中国环境科学出版社，2006年3月3 杨学桢，数学建模方法，河北大学出版社，2000年10月4 罗建军 杨琦，精讲多练MATLAB（第2版），西安交通大学出版社，2010年1月5中国国家统计局，05-10年中国主要工业产品产量情况，/kns55/index.aspx，访问2011年5月28日6 潘家铮，水电与中国，水电发展战略，第30卷第12期，1721,2004年12月出版7 皱结富，杨英，我国水电产业发展趋势分析，水电发展战略与经济评价，第一期，18，2002年出版附录附录一层次分析法的matlab代码如下以及一致性检验：clc,cleardisp(输入判断矩阵); A=input(A=); n,n=size(A); x=ones(n,100); y=ones(n,100);m=zeros(1,100); m(1)=max(x(:,1); y(:,1)=x(:,1); x(:,2)=A*y(:,1);m(2)=max(x(:,2); y(:,2)=x(:,2)/m(2); p=0.0001;i=2;k=abs(m(2)-m(1); while kp i=i+1; x(:,i)=A*y(:,i-1); m(i)=max(x(:,i); y(:,i)=x(:,i)/m(i); k=abs(m(i)-m(i-1); enda=sum(y(:,i);w=y(:,i)/a;t=m(i);disp(权向量:);disp(w);% 显示权向量wdisp(最大特征值:);disp(t);% 显示最大特征值t%以下是一致性检验CI=(t-n)/(n-1);RI=0 0 0.52 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 1.49 1.52 1.54 1.56 1.58 1.59;% 计算的标准CR=CI/RI(n);% 计算一致性if CR B=0.4931;0.1781;0.0851;0.0736;0.17; A*B=0.1089,0.1072,0.2206,0.1304,0.4328A = 0.3475 0.0389 0.1201 0.1679 0.1201 0.3126 0.0647 0.1679 0.3475 0.3126; B=0.833 0.1667; A*B= 0.2960 0.1280 0.1522 0.0819 0.3416A = 0.0357 0.5050 0.1649 0.2627 0.2419 0.2627 0.2345 0.1615 0.3230 0.2627; B=0.25;0.75; A*B=0.3877 0.2383 0.2575 0.1798 0.2778A =0.1089 0.2960 0.3877 0.1072 0.1280 0.2383 0.2206 0.1522 0.2575 0.1304 0.0819 0.1798 0.4328 0.3416 0.2778; B=0.7396;0.0938;0.1666; A*B=0.1729 0.1310 0.2203 0.1341 0.3984 A=0.0052 0.0015 0.0049 0.0079 0.0020; B=0.4931 0.1781 0.0851 0.0736 0.1700; A*B=0.0