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Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/38394
Tipo: Tese
Título: Variabilidade climática e estimativa da geração fotovoltaica: análises observacionais e modelagem em diferentes escalas no Brasil
Autor(es): Silva, Louise Pereira da
Orientador: Abrahão, Raphael
Membro da Banca: Lago, Taynara Geysa Silva
Membro da Banca: Brito, Alisson Vasconcelos de
Membro da Banca: Lopes, Felipe Vigolvino
Membro da Banca: Medeiros, Susane Eterna Leite
Resumo: As mudanças climáticas podem impactar o desempenho das energias renováveis, uma vez que a eficiência da geração de energia fotovoltaica é suscetível a variações nas variáveis meteorológicas. Nesse contexto, a compreensão das condições climáticas locais torna-se fundamental para o adequado dimensionamento, planejamento e operação desses sistemas. Assim, esta tese tem como objetivo analisar a influência das variáveis climáticas na geração de energia fotovoltaica em localidades do Brasil, por meio da análise de séries históricas de dados meteorológicos e da avaliação de diferentes métodos de estimativa da geração. Como contribuição, incorpora-se uma abordagem baseada em análise de agrupamento para investigação de padrões climáticos, permitindo uma avaliação mais detalhada da variabilidade temporal. A tese foi estruturada em capítulos no formato de artigos científicos. No Capítulo 2, foi aplicada a análise de tendência por meio do teste de Mann-Kendall, associado ao declive de Sen, em conjunto com um método baseado em análise de agrupamento. Os resultados indicaram aumento significativo da temperatura média do ar em 36 estações meteorológicas do semiárido brasileiro. A análise de agrupamento permitiu identificar que os anos mais recentes estão associados a valores mais elevados de temperatura, além de evidenciar os períodos do ano em que esses aumentos foram mais pronunciados. Essa abordagem também possibilitou detectar variações não identificadas pela análise de tendência tradicional. No Capítulo 3, foi realizada a comparação entre a geração fotovoltaica observada e estimada por cinco modelos empíricos. Os resultados indicaram que todos os modelos apresentaram tendência de superestimação da geração, com erros relativos entre aproximadamente 19% e 21%, embora com desempenho semelhante na representação da variabilidade dos dados. Entre os modelos avaliados, o modelo 3 apresentou melhor desempenho, com menor viés e menor dispersão. No Capítulo 4, foram aplicados modelos de regressão linear múltipla, Random Forest e um modelo empírico para estimativa da geração fotovoltaica monofacial, utilizando validação temporal com TimeSeriesSplit. O modelo Random Forest apresentou desempenho superior, com coeficiente de determinação médio de aproximadamente 0,66 e erro quadrático médio de 7,64 (kWh/dia)², enquanto a regressão linear múltipla apresentou R² em torno de 0,61. A otimização de hiperparâmetros resultou em melhoria adicional, alcançando R² de 0,67 e MSE de 6,42 (kWh/dia)². No Capítulo 5, foi realizada a estimativa da geração fotovoltaica bifacial por meio de equações empíricas e do método Random Forest. Os resultados indicaram ganho de aproximadamente 12,6% na irradiância efetiva, resultando em aumento de cerca de 83,42 MWh na geração. O modelo Random Forest apresentou melhor desempenho (RMSE ≈ 175 kWh e R² = 0,76), enquanto o modelo empírico apresentou tendência de subestimativa. De modo geral, os resultados evidenciam a importância da análise detalhada das condições climáticas locais e mostram que a combinação de métodos estatísticos, aprendizado de máquina e análise de agrupamento permite uma avaliação mais robusta da geração fotovoltaica.
Abstract: Climate change may impact the performance of renewable energy systems, as the efficiency of photovoltaic power generation is highly sensitive to variations in meteorological variables. In this context, understanding local climatic conditions becomes essential for the proper sizing, planning, and operation of these systems. Thus, this thesis aims to analyze the influence of climatic variables on photovoltaic power generation in locations across Brazil, through the analysis of historical meteorological data and the evaluation of different generation estimation methods. As a contribution, it incorporates an approach based on cluster analysis to investigate climatic patterns, enabling a more detailed assessment of temporal variability. The thesis is structured into chapters in the format of scientific articles. In Chapter 2, trend analysis was performed using the Mann–Kendall test, associated with Sen’s slope estimator, in conjunction with a method based on cluster analysis. The results indicated a significant increase in mean air temperature at 36 meteorological stations in the Brazilian semi-arid region. The cluster analysis made it possible to identify that more recent years are associated with higher temperature values, as well as to highlight the periods of the year in which these increases were more pronounced. This approach also enabled the detection of variations not identified by traditional trend analysis. In Chapter 3, a comparison was carried out between observed and estimated photovoltaic generation using five empirical models. The results indicated that all models exhibited a tendency to overestimate generation, with relative errors ranging from approximately 19% to 21%, although they showed similar performance in representing data variability. Among the evaluated models, Model 3 presented the best performance, with lower bias and dispersion. In Chapter 4, multiple linear regression, Random Forest, and an empirical model were applied to estimate monofacial photovoltaic generation, using temporal validation with TimeSeriesSplit. The Random Forest model showed superior performance, with an average coefficient of determination of approximately 0.66 and a mean squared error of 7.64 (kWh/day)², while multiple linear regression presented an R² of around 0.61. Hyperparameter optimization led to further improvements, achieving an R² of 0.67 and an MSE of 6.42 (kWh/day)². In Chapter 5, bifacial photovoltaic generation was estimated using empirical equations and the Random Forest method. The results indicated a gain of approximately 12.6% in effective irradiance, resulting in an increase of about 83.42 MWh in energy generation. The Random Forest model showed better performance (RMSE ≈ 175 kWh and R² = 0.76), while the empirical model exhibited a tendency to underestimate generation. Overall, the results highlight the importance of a detailed analysis of local climatic conditions and demonstrate that the combination of statistical methods, machine learning techniques, and cluster analysis enables a more robust evaluation of photovoltaic power generation.
Palavras-chave: Cluster
Mann-Kendall
Tendências
Energia solar
Energia fotovoltaica
Módulo bifacial
Módulo monofacial
Estimativa
Trends
Solar energy
Photovoltaic energy
Bifacial module
Monofacial module
Estimation
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal da Paraíba
Sigla da Instituição: UFPB
Departamento: Engenharia Mecânica
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Tipo de Acesso: Acesso aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
URI: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/38394
Data do documento: 30-Mar-2026
Aparece nas coleções:Centro de Tecnologia (CT) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica



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