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Type: Dissertação
Title: Aplicação de algoritmos de otimização metaheurísticos na estimativa dos parâmetros ótimos de diferentes distribuições de velocidade do vento em duas cidades do nordeste brasileiro
Title in English: Application of metaheuristic optimization algorithms to estimate the optimal parameters of different wind speed distributions in two cities in northeastern Brazil
Authors: Guedes, Kevin Santos
Advisor: Andrade, Carla Freitas de
Co-advisor: Rocha, Paulo Alexandre Costa
Keywords: Engenharia mecânica;Ventos;Energia eólica - Otimização;Multi-criteria statistical analysis;Wind speed modeling;Metaheuristic optimization algorithms
Issue Date: 2020
Citation: GUEDES, K. S. Aplicação de algoritmos de otimização metaheurísticos na estimativa dos parâmetros ótimos de diferentes distribuições de velocidade do vento em duas cidades do nordeste brasileiro. 2020. 70 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Abstract in Brazilian Portuguese: Para um melhor aproveitamento da energia eólica, é imprescindível uma minuciosa análise do recurso eólico. Nesta análise, as distribuições de velocidade do vento desempenham um importante papel, sendo a mais comum a de Weibull. Contudo, esta distribuição não é sempre a mais adequada, o que torna necessária a avaliação de diferentes distribuições para a obtenção de informações mais confiáveis. Outra etapa essencial é a estimativa dos parâmetros que regem estas distribuições, pois a precisão destas estimativas afeta diretamente os cálculos de geração de energia. Nos últimos anos, diferentes métodos de otimização foram utilizados com esta finalidade e, em comparação com os tradicionais métodos numéricos, eles apresentaram melhor desempenho. Contudo, em energia eólica, a aplicação destes métodos é centrada nas distribuições convencionais de dois parâmetros, tais comoWeibull, Gamma e Lognormal. Ademais, diferentes autores ressaltam a falta de estudos que utilizam métodos de otimização com este fim. Diante deste cenário, quatro algoritmos de otimização metaheurístico (MOA), nomeadamente, Pássaros Migratórios, Competição Imperialista, Busca Harmônica e Busca do Cuco, foram utilizados, neste estudo, para ajustar 11 distribuições de velocidade do vento. O estudo foi conduzido em duas cidades no Nordeste do Brasil, sendo esta uma das melhores regiões do mundo para geração de energia eólica, uma vez que os ventos são propícios para tal propósito. Foram também analisadas três funções objetivo distintas para determinar qual delas deve ser aplicada aos MOA para que um melhor ajuste seja obtido. Por fim, os ajustes obtidos pelos MOA foram confrontados, através de uma objetiva análise estatística, com os obtidos pelo método numérico Máxima Verossimilihança (MLE). A função objetivo que garantiu melhores resultados foi a maximização do coeficiente de determinação. Em relação ao MLE, os MOA apresentaram ajustes significativamente melhores, visto que os valores de Score Global (GS) obtidos foram menores. Tal fato demonstra a capacidade dos MOA de estimarem precisamente os parâmetros dos modelos de distribuição. Nas duas regiões analisadas, os modelos de três parâmetros proporcionaram, em geral, melhor ajuste do que os de dois parâmetros. Em São João do Cariri, o melhor ajuste foi obtido através da distribuição Gamma Generalizada, que apresentou GS = 0; 005766, e a amplamente utilizada distribuição de Weibull ocupou a quarta posição com GS = 0; 009369. Em Petrolina, o melhor ajuste foi obtido através da distribuição Lindley Generalizada Extendida, que apresentou GS = 0; 005246, e a de Weibull ocupou a quinta posição com GS = 0; 007894. Os modelos de Birnbaum-Saunders e Lognormal foram os que apresentaram piores ajustes nas duas regiões.
Abstract: For a better use of wind energy, a thorough analysis of the wind resource is essential. In this analysis, wind speed distributions play an important role, the most common being the Weibull distribution. However, this distribution is not always the most suitable, which makes it necessary to evaluate different distributions to obtain more reliable information. Another essential step is the estimation of the parameters governing these distributions, as the accuracy of these estimates directly affects the power generation calculations. In the last years, different optimization methods have been used for this purpose and, compared to traditional numerical methods, they have performed better. However, in wind energy, the application of these methods is centered on the conventional two-parameters distributions, such as Weibull, Gamma and Lognormal. Moreover, different authors emphasize the lack of studies that use optimization methods for this purpose. Given this scenario, four metaheuristic optimization algorithms (MOA), namely, Migrating Birds, Imperialist Competition, Harmony Search and Cuckoo Search, were used in this study to fit 11 wind speed distributions. The study was conducted in two cities in Northeastern Brazil, which is one of the best regions in the world for wind energy generation, since winds are favorable for this purpose. Three distinct objective functions were also analyzed to determine which one should be applied to the MOA in order to obtain a better fit. Finally, the fits obtained by the MOA were compared, through an objective statistical analysis, with those obtained by the Maximum Likelihood (MLE) numerical method. The objective function that achieved best results was the maximization of the determination coefficient. Regarding the MLE, the MOA presented significantly better fits, since the Global Score (GS) values obtained were lower. This demonstrates the ability of MOA to accurately estimate the parameters of the distribution models. In both analyzed regions, the three-parameter models generally provided better fit than the two-parameter models. In São João do Cariri, the best fit was obtained through the Generalized Gamma distribution, which presented GS = 0; 005766, and the widely used Weibull distribution ranked fourth with GS = 0; 009369. In Petrolina, the best fit was obtained through the Extended Generalized Lindley distribution, which presented GS = 0; 005246, and the Weibull distribution ranked fifth with GS = 0; 007894. Birnbaum-Saunders and Lognormal models presented the worst fits in both regions.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/50508
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