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Tipo: Tese
Título: Physic and machine learning in photovoltaic systems modelingn: exploring hybrid approaches
Autor(es): Santos, Leticia de Oliveira
Orientador: Carvalho, Paulo Cesar Marques de
Coorientador: AlSkaif, Tarek
Palavras-chave em português: Modelos físicos;Aprendizado do computador;Geração de energia fotovoltáica;Modelos híbridos
Palavras-chave em inglês: Physical Models;Machine Learning;Photovoltaic power generation;Hybrid models
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Data do documento: 2025
Citação: SANTOS, Letícia de Oliveira. Physic and machine learning in photovoltaic systems modelingn: exploring hybrid approaches. 2025. 93 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: Técnicas de modelagem híbrida que combinam modelos físicos e baseados em dados têm mostrado potencial para a estimativa da geração fotovoltaica (FV), pois incorporam vantagens de ambas as abordagens individuais. Apesar da crescente popularidade, diferentes estratégias de hibridização para aplicações FVs e o impacto da escolha do modelo físico no desempenho dos modelos híbridos ainda permanecem pouco explorados. Esta tese apresenta um estudo abrangente dos modelos híbridos para previsão da geração FV, introduzindo uma nova classificação em três categorias: modelos de Aprendizado de Máquina Informados por Física (Physics-Informed Machine Learning (ML)), Modelos Físicos Otimizados (Optimized Physical Models) e Modelos Guiados por Física (Physics-Guided Models). Como contribuição chave, propõe-se um Modelo Físico Otimizado baseado no balanço de energia de sistemas FVs, utilizando inferência Bayesiana para mitigar incertezas nos parâmetros. O modelo é integrado a uma Cadeia de Modelagem Física (CMF) e combinado com técnicas de ML por meio de duas abordagens híbridas: Physics-Informed ML, que se baseia nos modelos de ML, e Physics-Guided, que prioriza a modelagem física. São testadas combinações de quatro modelos de ML (Regressão Linear Múltipla – MLR, K-Nearest Neighbors – KNN, Extreme Gradient Boosting – XGB e Random Forests – RF) com três composições de CMF: padrão (CMF1), seleção otimizada de modelos (CMF2) e o modelo proposto baseado no balanço de energia (CMF3). Os resultados mostram que a escolha do modelo de ML tem o maior impacto na performance, com métodos ensemble (RF e XGB) consistentemente apresentando os menores valores de MAE (0.030–0.032 kW/kWp), enquanto MLR apresenta um MAE de 0.036–0.037 kW/kWp. Comparando, a escolha da CMF tem um efeito menor, com diferenças da CMF1–CMF2 de 0,001 kW/kWp para a maioria dos casos. Contudo, a CMF3 proposta supera os modelos clássicos nas duas abordagens híbridas, oferecendo uma base mais precisa para modelos híbridos. No geral, a abordagem Physics-Informed ML com a CMF3 e XGB ou RF apresenta a melhor performance (0.030 kW/kWp). Esse resultado demonstra o potencial dos modelos de ML em capturar a física subjacente da conversão PV por meio de engenharia de dados e descrever com boa precisão a conversão FV, em comparação com modelos híbridos predominantemente físicos. Em síntese, esta pesquisa demonstra o impacto da escolha do modelo físico no desempenho dos modelos híbridos, compara estratégias de hibridização e oferece orientações sobre como equilibrar precisão, complexidade e capacidade de generalização na modelagem FV.
Abstract: Hybrid modeling approaches that combine physical and data-driven techniques have shown potential for photovoltaic (PV) power estimation by leveraging the strengths of both individual techniques. Despite their increasing popularity, different hybridization approaches for PV applications and the impact of physical model selection on hybrid model performance remain underexplored. This thesis presents a comprehensive study on hybrid models for PV power prediction, introducing a novel classification into three categories: Physics-Informed Machine Learning (ML) models, Optimized Physical Models, and Physics-Guided Models. As a key contribution, an Optimized Physical model based on the energy balance of PV systems is proposed, with Bayesian inference applied to mitigate parameter uncertainties. The model is integrated into a Physical Model Chain (PMC) and combined with ML techniques using two hybridization approaches: Physics-Informed ML, which relies on ML models, and Physics-Guided models, which prioritize physical modeling. Combinations of four ML models (Multiple Linear Regression – MLR, K-Nearest Neighbors – KNN, Extreme Gradient Boosting – XGB, and Random Forests – RF) are tested with three PMC compositions: standard (PMC1), optimized model choice (PMC2), and the proposed energy balance-based (PMC3). The results show that ML model choice has the greatest impact on performance, since ensemble methods (RF and XGB) consistently present the lowest MAE values (0.030–0.032 kW/kWp), while MLR reaches 0.036–0.037 kW/kWp MAE. In comparison, PMC choice has a smaller effect, with differences across PMC1–PMC3 of 0.001 kW/kWp in MAE for most cases. Nevertheless, the proposed PMC3 surpasses classical models in both hybrid approaches, providing the most accurate foundation for hybrid frameworks. Overall, the Physics-Informed ML models combining PMC3 and XGB or RF yield the best accuracy (0.030 kW/kWp). This result demonstrates the potential of ML models to capture the underlying physics of PV conversion through feature engineering and accurately describe PV power conversion compared to primarily physical hybrid models. In conclusion, this work demonstrates the impact of physical model selection on hybrid model performance, compares hybridization strategies, and offers guidance on balancing accuracy, complexity, and generalizability in PV power modeling.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84167
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0001-5132-875X
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/5543418311211926
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0002-0115-0807
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/0935409654079900
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0002-1780-4553
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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