Desenvolvimento de instrumentação para aquisição de dados solarimétricos distribuídos espacialmente e com alta resolução temporal

Descrição

Tipo

Dissertação de mestrado

Título alternativo

Primeiro orientador

Membros da banca

Eduardo Mazoni Andrade Marçal Mendes
Alexandre Dal Pai

Resumo

Uma característica marcante da geração solar fotovoltaica é sua sensibilidade às condições atmosféricas. Em dias nublados, o sombreamento dos módulos reduz significativamente a produção energética, tornando a fonte intermitente e estocástica. Essa variabilidade pode ocasionar interações indesejáveis com a rede elétrica. Tais interações são melhor gerenciadas se houver previsibilidade na geração fotovoltaica. Neste contexto, esta dissertação apresenta o desenvolvimento, implementação e validação de uma arquitetura experimental de monitoramento solar baseada em módulos fotovoltaicos utilizados como sensores de irradiância em sistemas embarcados de baixo custo. A proposta visa suprir a carência de dados solarimétricos com alta resolução temporal (1 Hz) e distribuição espacial, especialmente em regiões tropicais com elevada variabilidade atmosférica, como o Brasil. Foram desenvolvidos quatro protótipos com aquisição sincronizada via GPS, instalados em diferentes pontos do campus da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG): Escola de Engenharia (ENG), Laboratório de Extra Alta Tensão (LEAT), Centro de Pesquisas Hidráulicas (CPH) e Centro de Atividades Didáticas 2 (CAD2), com variações de inclinação e azimute. O sistema permite medições contínuas de irradiância no plano dos módulos e foi validado por comparação com dados de estação meteorológica do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), além de ensaio laboratorial e análise estatística, utilizando métricas como RMSE, MAE, BEM, MAPE, nRMSE e R². Foi realizada análise de resíduos a 1 min para avaliar a qualidade estatístico-metrológica das estimativas. Os resíduos foram definidos como r_P (t)=〖Irradiância〗_Protótipo (t)-〖Irradiância〗_Piranômetro (t) e r_c (t)=〖Irradiância〗_Corrigida (t)-〖Irradiância〗_Piranômetro (t), calculados após sincronização e agregação temporal. Os diagnósticos incluíram histogramas e QQ-plots (normalidade), ACF e teste de Ljung–Box (independência), boxplots por faixas e testes de Bartlett/Breusch–Pagan (heterocedasticidade), além de diagramas de dispersão com LOESS e regressão linear segmentada (resíduo × irradiância). Os resultados, em condições de céu limpo, mostraram que os sensores apresentaram R² superiores a 0,95, com RMSE médios entre 81,6 e 164,9 W/m² e MAPE inferiores a 50%, com destaque para o sistema instalado no CAD2. Para assegurar comparabilidade entre os pontos de medição, os dados foram corrigidos por modelos de decomposição e transposição da irradiância, padronizando as séries ao plano de referência da estação meteorológica do INMET (A521 – Pampulha). A decomposição separa a irradiância global horizontal em componentes direta e difusa, enquanto a transposição converte essas componentes para o plano inclinado dos módulos, considerando geometria de instalação. Em condições de céu parcialmente nublado e nublado, observou-se aumento dos erros — com nRMSE acima de 60% e MAPE superior a 70% no sistema LEAT — atribuídos à predominância da radiação difusa e à resposta não linear dos sensores. Os QQ-plots indicaram desvios leves nas caudas; ACFs e Ljung–Box revelaram autocorrelação de curta duração, reduzida após correção; boxplots e testes de Bartlett/Breusch–Pagan evidenciaram heterocedasticidade física atenuada; e a regressão segmentada apontou quebras de regime menos pronunciadas. A contribuição científica está na comprovação da viabilidade do uso de módulos fotovoltaicos como sensores confiáveis de irradiância, desde que aplicados protocolos de correção térmica, calibração e validação estatística. O sistema demonstrou incertezas relativas abaixo de 5% mesmo em condições atmosféricas instáveis, validando-se como ferramenta útil para análises espaciais da irradiância, suporte à modelagem de geração fotovoltaica e aplicações de previsão solar em curtíssimo prazo (nowcasting).

Abstract

A distinctive feature of photovoltaic solar generation is its sensitivity to atmospheric conditions. On cloudy days, module shading significantly reduces energy production, making the source intermittent and stochastic. This variability can lead to undesirable interactions with the electrical grid. Such interactions are better managed when photovoltaic generation is predictable. In this context, this dissertation presents the development, implementation, and validation of an experimental solar monitoring architecture based on photovoltaic modules used as irradiance sensors in low-cost embedded systems. The proposal aims to address the lack of solarimetric data with high temporal resolution (1 Hz) and spatial distribution, especially in tropical regions with high atmospheric variability, such as Brazil. Four prototypes with GPS-synchronized acquisition were developed and installed at different locations on the campus of the Federal University of Minas Gerais (UFMG): School of Engineering (ENG), Extra High Voltage Laboratory (LEAT), Hydraulic Research Center (CPH), and Teaching Activities Center 2 (CAD2), with variations in tilt and azimuth. The system enables continuous irradiance measurements on the module plane and was validated by comparison with meteorological station data from the National Institute of Meteorology (INMET), as well as laboratory testing and statistical analysis using metrics such as RMSE, MAE, BEM, MAPE, nRMSE, and R². Residual analysis at 1-minute intervals was performed to assess the statistical-metrological quality of the estimates. Residuals were defined as r_P (t)=〖Irradiância〗_Protótipo (t)-〖Irradiância〗_Piranômetro (t) e r_c (t)=〖Irradiância〗_Corrigida (t)-〖Irradiância〗_Piranômetro (t), calculated after synchronization and temporal aggregation. Diagnostics included histograms and QQ-plots (normality), ACF and Ljung–Box test (independence), boxplots by range and Bartlett/Breusch–Pagan tests (heteroscedasticity), as well as scatter plots with LOESS and segmented linear regression (residual × irradiance). Results under clear-sky conditions showed that the sensors achieved R² values above 0,95, with average RMSE ranging from 81,6 to 164,9 W/m² and MAPE below 50%, with the CAD2 system standing out. To ensure comparability among measurement points, data were corrected using irradiance decomposition and transposition models, standardizing the series to the reference plane of the INMET meteorological station (A521 – Pampulha). Decomposition separates global horizontal irradiance into direct and diffuse components, while transposition converts these components to the inclined plane of the modules, considering installation geometry. Under partly cloudy and overcast conditions, error levels increased — with nRMSE above 60% and MAPE over 70% in the LEAT system — attributed to the predominance of diffuse radiation and the sensors’ nonlinear response. QQ-plots indicated slight tail deviations; ACFs and Ljung–Box revealed short-term autocorrelation, reduced after correction; boxplots and Bartlett/Breusch–Pagan tests evidenced attenuated physical heteroscedasticity; and segmented regression indicated less pronounced regime shifts. The scientific contribution lies in demonstrating the feasibility of using photovoltaic modules as reliable irradiance sensors, provided that thermal correction protocols, calibration, and statistical validation are applied. The system showed relative uncertainties below 5% even under unstable atmospheric conditions, validating its usefulness for spatial irradiance analysis, support for photovoltaic generation modeling, and very short-term solar forecasting (nowcasting).

Assunto

Engenharia elétrica, Eletrônica de potência, Energia renovável, Geração de energia fotovoltaica

Palavras-chave

Irradiância solar, Módulos fotovoltaicos como sensores, Monitoramento distribuído, Sistema embarcado, Alta resolução temporal, Interpolação espacial, Validação estatística, Decomposição e transposição da irradiância solar, Monitoramento solar de baixo custo, Previsão solar de curtíssimo prazo

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