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Title: Um estudo comparativo entre redes neurais profundas e o modelo numérico WRF-ARW para previsão de energia solar a curto prazo
Other Titles: A comparative study between deep neural networks and the model numerical WRF-ARW for short-term solar power forecasting
Authors: Conterato, Flávio Santos
metadata.dc.contributor.advisor: Nascimento, Erick Giovani Sperandio
metadata.dc.contributor.advisor-co: Moreira, Davidson Martins
metadata.dc.contributor.referees: Santos, Alex Álisson Bandeira
Fisch, Gilberto Fernando
Keywords: Aprendizado profundo;Energia solar;Inteligência artificial;WRF-ARW;Redes neurais profundas;Nordeste brasileiro
Issue Date: 2022
Publisher: Centro Universitário SENAI CIMATEC
Citation: CONTERATO, Flávio Santos. Um estudo comparativo entre redes neurais profundas e o modelo numérico WRF-ARW para previsão de energia solar a curto prazo. Orientador: Erick Giovani Sperandio Nascimento. 2022. 109 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional e Tecnologia Industrial) – Centro Universitário SENAI CIMATEC, Salvador, 2022.
metadata.dc.description.resumo: A utilização de fontes renováveis de energia é um grande passo para o futuro de uma nação, onde no Brasil tem se destacado pela grande disponibilidade de energia solar em todo o seu território. No entanto, a presença de nuvens e aerossóis na atmosfera podem comprometer a utilização deste tipo de energia no sistema elétrico, sendo a previsão das variáveis meteorológicas associadas uma tarefa desafiadora. Neste sentido, tendo em vista um modelo sustentável de geração energia e os recentes avanços na área de Inteligência Artificial (IA) para o desenvolvimento de modelos preditivos, esse trabalho visa desenvolver um modelo computacional baseado em aprendizagem profunda de máquina (deep learning) para realizar a previsão de temperatura e radiação solar global, para servirem como base para o cálculo da potência de energia solar, além de também fazer uma comparação com o tradicional modelo atmosférico Advanced Research Weather Research and Forecasting (WRF-ARW). Os treinamentos das redes foram realizados com dados de quatro cidades da região do centro-oeste baiano, reconhecida por possuir um alto potencial solarimétrico. Para fins de testes, foram utilizados dados obtidos na região da cidade de Ibotirama na Bahia e na cidade de Petrolina em Pernambuco, sem a inclusão de quaisquer desses dados no treinamento, com o intuito de verificar se as redes conseguiram representar corretamente o comportamento atmosférico do ambiente em estudo. Os resultados apontaram, no geral, que uma configuração composta por duas redes Multilayer Perceptron (MLP) apresentou a melhor métrica no cálculo da potência energética para região de Ibotirama, enquanto que uma combinação de Long Short-Term Memory (LSTM) e Convolutional Neural Network (CNN) foi melhor para Petrolina, no cálculo da potência energética. Todas as redes foram construídas para prever de 1 a 48 horas à frente com o intervalo de 1 hora. Uma análise estatística dos resultados finais para ambas as cidades alvo, sugerem uma boa aceitação da utilização de redes neurais para previsibilidade atmosférica, tendo em vista o baixo custo computacional e o desempenho superior para a previsão da geração de energia solar, em comparação com o WRF-ARW.
Abstract: The use of renewable energy sources is a big step for the future of a nation, especially Brazil has been highlighted by the large availability of solar energy throughout its territory. However, the presence of clouds and aerosols in the atmosphere can compromise the use of this type of energy in the electrical system, predicting associated meteorological variables a challenging task. In this sense, in view of a sustainable model of energy generation and recent advances in the area of Artificial Intelligence (AI) for the development of predictive models, this work aims to develop a computational model based on deep machine learning (deep learning) to perform the prediction of temperature and global solar radiation, both used to calculate solar energy power and the respective efficiency, and also to make a comparison with the traditional atmospheric model Advanced Research Weather Research and Forecasting (WRF-ARW). The training of the networks was carried out with data from four cities in the central west region of Bahia, recognized for having a high solarimetric potential. For testing purposes, data obtained in the region of the city of Ibotirama in Bahia and Petrolina in Pernambuco were used, without the inclusion of any such data in the training, to verify if the networks were able to correctly represent the atmospheric behavior of the environment under study. The results showed, in general, that a configuration composed of two Multilayer Perceptron (MLP) networks presented the best metric in the calculation of energy power for the Ibotirama region. While a combination of Long Short-Term Memory (LSTM) and Convolutional Neural Network (CNN) was better for Petrolina, predicting energy power. All networks were built to predict from 1 to 48 hours ahead with the 1 hour gap. A statistical analysis of the final results for both target cities suggest a good acceptance of the use of neural networks for atmospheric predictability, in view of the low computational cost and superior performance for the prediction of solar energy generation, compared to WRF-ARW.
URI: http://repositoriosenaiba.fieb.org.br/handle/fieb/1826
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