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Tipo: Dissertação
Título: Dispositivo de previsão de irradiância solar por meio de aprendizagem de máquina utilizando sensores de luminosidade LDR e imagens do céu
Título em inglês: Solar irradiance prediction device through machine learning using LDR luminance sensors and sky images
Autor(es): Marinho, Felipe Pinto
Orientador: Rocha, Paulo Alexandre Costa
Palavras-chave: Energia solar;Aprendizagem de máquina;Processamento digital de imagens;Previsão de curto prazo
Data do documento: 2020
Citação: MARINHO, Felipe Pinto. Dispositivo de previsão de irradiância solar por meio de aprendizagem de máquina utilizando sensores de luminosidade LDR e imagens do céu. 2020. 71f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Ceará , Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Fortaleza-CE,2020.
Resumo: Uma das principais dificuldades para o uso da fonte solar na geração de eletricidade na rede se deve ao seu comportamento intermitente. Assim, previsões de irradiância solar de curto prazo, que são aquelas realizadas para um horizonte de até 6 horas a posteriori, são relevantes para que o operador da rede elétrica possa prever quedas de fornecimento de usinas solares e, de posse destas informações, o mesmo consiga realizar um melhor gerenciamento do fornecimento e da demanda de energia. Neste sentido, no trabalho em questão foram obtidas previsões de irradiância solar global para os horizontes de previsão de 10, 20 e 30 minutos a posteriori, por meio da aplicação de algoritmos de aprendizagem de máquina em conjuntos de dados constituídos por sinais obtidos por sensores de resistência dependente da luz e descritores estatísticos (média aritmética, desvio padrão e entropia de Shannon) extraídos de imagens do céu capturadas por uma câmera, onde a integração de tais sensores foi feita utilizando um Raspberry Pi 3. Desta foma, foi possível avaliar se a adição de preditores obtidos de imagens do céu proporcionam um melhora no desempenho dos modelos de aprendizagem de máquina utilizados. Além disso, também foi avaliado se o uso dos filtros de suavização da mediana e o de aguçamento do laplaciano da gaussiana nas imagens ocasionam aumentos na acurácia de previsão relativo ao caso em que se calcula os descritores estatísticos das imagens sem aplicação de nenhum filtro. Para o horizonte de 30 minutos a posteriori, a média aritmética da Raiz do Erro Quadrático Médio obtida pelos modelos, quando se considerou como atributos apenas os sinais fornecidos pelos sensores de luminosidade, foi de 165,83 W/m², já para o caso em que se adiciona informações de imagens não filtradas obteve-se 154,76 W/m², para o caso de se adicionar informações de imagens filtradas pelo filtro da mediana teve-se um valor de 154,08 W/m². Por fim, para o outro filtro obteve-se 163,26 W/m². Posteriormente, os algoritmos foram aplicados em um novo conjunto de dados que foi construído pela substituição dos preditores relacionados aos sensores de luminosidade por atributos caracterizados por serem funções de recorrência sobre os valores de irradiância de instantes anteriores. Para este caso, no horizonte de 30 minutos, as médias da Raiz do Erro Quadrático Médio foram de 136, 43 W/m², 138,82 W/m², 135 W/m² e 140, 05 W/m² para os casos sem imagem, com imagem, imagem filtrada com mediana e imagem filtrada com o outro filtro, respectivamente.
Abstract: One of the main difficulties in using the solar source to generate electricity for the grid is due to its intermittent behavior. Thus, short-term solar irradiance forecasts, which are those made for a horizons of until 6 hours ahead, are relevant so that the power grid operator can predict oscillations in the supply of solar plants and, in possession of this information, it can performed a better management of energy supply and demand. In this sense, in the present work, global solar irradiance forecasts were obtained for the forecast horizons of 10, 20 and 30 minutes a posteriori by the application of machine learning algorithms in data sets consisting of signals obtained by light dependent resistors and statistical descriptors (arithmetic mean, standard deviation and Shannon entropy) extracted from images of the sky captured by a camera, where the integration of such sensors was made using a Raspberry Pi 3. In this way, it was possible to evaluate whether the addition of predictors obtained from images of the sky provide an improvement in the performance of the applied machine learning models. In addition, it was also assessed if the use of the median smoothing and the Gaussian Laplacian sharpening filters over the images could increase the forecast accuracy relative to the case in which the statistical descriptors of the images are calculated without any filter. For the horizon of 30 minutes ahead, the arithmetic mean of the Root Mean Square Error obtained by the models which only the signals provided by the luminosity sensors were considered as attributes was 165.83 W / m², while for the case in which it is added information from unfiltered images it was obtained 154.76 W / m². For the case of adding information from images filtered by the median filter, a value of 154.08 W / m² was obtained and finally, for the other filter, a RMSE of 163.26 W / m² was obtained. Subsequently, the algorithms were applied to a new set of data that was built replacing the predictors related to the luminosity sensors by attributes characterized by being recurrence functions over the irradiance values of previous instants. For this case, for the 30 minute horizon, the mean of root mean square errors were 136, 43 W / m², 138.82 W / m², 135 W / m² and 140, 05 W / m² for cases without image, with image, image filtered with median and image filtered with the sharpening filter, respectively.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/56028
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