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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/86382| Tipo: | Dissertação |
| Título: | Modelos de aprendizado de máquina para estimativa de temperatura de operação de módulos fotovoltaicos em clima semiárido |
| Título em inglês: | Machine learning models for estimating the operating temperature of photovoltaic modules in semi-arid climates |
| Autor(es): | Costa, Antônio Wellington Dantas da |
| Orientador: | Carvalho, Paulo César Marques de |
| Coorientador: | Santos, Letícia Oliveira |
| Palavras-chave em português: | Aprendizado do computador;Geração de energia fotovoltaica;Módulo fotovoltaico;Clima de regiões áridas |
| Palavras-chave em inglês: | Machine learning;Photovoltaic power generation;Photovoltaic module;Arid regions climate |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA |
| Data do documento: | 2026 |
| Citação: | COSTA, Antonio Wellington Dantas da. Modelos de aprendizado de máquina para estimativa de temperatura de operação de módulos fotovoltaicos em clima semiárido. 2026. 92 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026. |
| Resumo: | A crescente demanda por fontes de energia limpa e renovável impulsiona a expansão de sistemas fotovoltaicos (FV) em regiões de clima semiárido, onde a alta irradiância solar se combina com temperaturas elevadas que reduzem a eficiência de conversão energética. A temperatura de operação dos módulos FV (T mod ) é variável crítica para dimensionamento, monitoramento e otimização de desempenho. Este trabalho implementa e avalia modelos de Machine Learning (Aprendizado de Máquina – ML) para estimativa de T mod em condições de clima semiárido tropical. Utilizando dados experimentais coletados no Laboratório de Energias Alternativas da Universidade Federal do Ceará (LEA-UFC), em Fortaleza, durante dois anos de monitoramento (maio de 2023 a maio de 2025), foram implementados e comparados modelos organizados em três categorias: algoritmos de ML (Regressão Linear - RL, K-Nearest Neighbors - KNN, Random Forest - RF e eXtreme Gradient Boosting - XGBoost), correlações semiempíricas híbridas (linear, não-linear e racional) e modelos físico-empíricos consolidados (Ross, Faiman e PVsyst). O conjunto de dados final compreendeu 273.310 observações ao longo de dois anos, utilizando cinco variáveis preditoras meteorológicas: irradiância solar (G), temperatura ambiente (T a ), velocidade do vento (V w ) e ângulos solares. Os resultados demonstraram superioridade dos modelos de ML, com destaque para o KNN, que alcançou Mean Absolute Error (MAE) de 0,83°C, Root Mean Square Error (RMSE) de 1,44°C e coeficiente de determinação R 2 = 0,97, representando redução de aproximadamente 77% no MAE comparado aos modelos físicos. As correlações semiempíricas híbridas apresentaram desempenho intermediário, com redução de 22% no RMSE e 68% no viés sistemático comparado aos modelos físicos convencionais. A análise de importância de variáveis revelou que G e T a respondem por 70–80% da capacidade preditiva, enquanto V w apresentou contribuição inferior a 2%, consequência do microclima urbano com rugosidade elevada e baixas velocidades médias. O desempenho superior do ML explica-se pela estabilidade do clima semiárido local, que facilitou o aprendizado dos padrões, e pela capacidade dos algoritmos de se ajustarem automaticamente aos dados locais, capturando variações térmicas complexas sob elevada irradiação que modelos físicos genéricos não preveem. O trabalho aprofunda a compreensão sobre o aquecimento dos módulos Fv no semiárido brasileiro, fundamentando estratégias de otimização, resfriamento e controle inteligente. |
| Abstract: | The growing demand for clean and renewable energy sources drives the expansion of photovoltaic (PV) systems in semi-arid regions, where high solar irradiance is coupled with high temperatures that reduce energy conversion efficiency. The operating temperature of PV modules (T mod ) is a critical variable for sizing, monitoring, and performance optimization. This work implements and evaluates Machine Learning (ML) models for estimating T mod under tropical semi-arid climate conditions. Using experimental data collected at the Alternative Energy Laboratory of the Federal University of Ceará (LEA-UFC), in Fortaleza, during two years of monitoring (May 2023 to May 2025), models organized into three categories were implemented and compared: ML algorithms (Linear Regression - LR, K-Nearest Neighbors - KNN, Random Forest - RF, and eXtreme Gradient Boosting - XGBoost), hybrid semi-empirical correlations (linear, non-linear, and rational), and consolidated physical-empirical models (Ross, Faiman, and PVsyst). The final dataset comprised 273,310 observations over two years, using five meteorological predictor variables: solar irradiance (G), ambient temperature (T a ), wind speed (V w ), and solar angles. The results demonstrated the superiority of ML models, particularly KNN, which achieved a Mean Absolute Error (MAE) of 0.83°C, Root Mean Square Error (RMSE) of 1.44°C, and a coefficient of determination R 2 = 0.97, representing a reduction of approximately 77% in MAE compared to physical models. The hybrid semi-empirical correlations showed intermediate performance, with a 22% reduction in RMSE and a 68% reduction in systematic bias compared to conventional physical models. Feature importance analysis revealed that G and T a account for 70–80% of the predictive capacity, while V w contributed less than 2%, a consequence of the urban microclimate with high roughness and low average speeds. The superior performance of ML is explained by the stability of the local semi-arid climate, which facilitated pattern learning, and by the algorithms’ ability to automatically adjust to local data, capturing complex thermal variations under high irradiation that generic physical models fail to predict. This work deepens the understanding of PV module heating in the Brazilian semi-arid region, providing a foundation for optimization, cooling, and intelligent control strategies. |
| 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/86382 |
| ORCID do(s) Autor(es): | https://orcid.org/0009-0000-4158-8953 |
| Currículo Lattes do(s) Autor(es): | http://lattes.cnpq.br/5733503018578920 |
| Currículo Lattes do Orientador: | http://lattes.cnpq.br/0935409654079900 |
| ORCID do Coorientador: | https://orcid.org/0000-0001-5132-875X |
| Currículo Lattes do Coorientador: | http://lattes.cnpq.br/5543418311211926 |
| Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
| Aparece nas coleções: | DEME - Dissertações defendidas na UFC |
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| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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| 2026_dis_awdcosta.pdf | DISSERTAÇÃO | 2,09 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
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