Математичне моделювання та оптимізація розміщення сонячних панелей на дахах міських будівель із використанням генетичних алгоритмів

Анотація

Стратегічне розміщення сонячних панелей на дахах у густонаселених містах відіграє ключову роль у вирішенні сучасних енергетичних проблем та досягненні цілей сталого розвитку. Однак цей процес часто ускладнюється численними обмеженнями, включаючи обмежений простір на даху, складну геометрію та значний вплив затінення від сусідніх будівель. Для подолання цих викликів у цьому дослідженні представлено систему математичного моделювання, засновану на генетичних алгоритмах, які добре підходять для навігації у великому та нелінійному просторі рішень, пов'язаних з оптимальним розміщенням сонячних панелей. Запропонований підхід інтегрує декілька шарів специфічної для міста інформації, включаючи розміри даху, допустиму відстань між панелями, мінливість сонячного випромінювання та динаміку тіні, на яку впливають висота та орієнтація будівлі. Кодуючи конфігурації панелей як хромосоми і застосовуючи еволюційні операції, такі як відбір, кросинговер і мутації, алгоритм ітеративно еволюціонує до конфігурацій, які максимізують уловлювання енергії, дотримуючись технічних і геометричних обмежень. Фітнес-функція врівноважує вихід енергії та штрафи за затінення, просторові конфлікти та фізичні межі даху, забезпечуючи реалістичні та здійсненні результати. Завдяки імітаційним дослідженням метод демонструє значне покращення ефективності планування та енергоефективності порівняно з випадковими або евристичними стратегіями розміщення. Крім того, адаптивність генетичного алгоритму дозволяє йому пристосовуватися до змінних умов на дахах, що робить його дуже придатним для застосування в різних міських контекстах. Результати підкреслюють не лише технічну надійність підходу, але й його потенціал як інструменту підтримки прийняття рішень для міських енергетичних планувальників та архітекторів. Зрештою, це дослідження підкреслює цінність поєднання математичного моделювання з еволюційними обчисленнями для розкриття невикористаного потенціалу міських дахів як децентралізованих джерел енергії, тим самим сприяючи створенню більш чистого, стійкого і просторово оптимізованого майбутнього відновлюваної енергетики.