Uma abordagem de engenharia de dados para a avaliação de desempenho em plantas fotovoltaicas de geração de energia elétrica

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Nonato, Nicolle
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Pato Branco
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38973
Resumo: The generation of electrical energy from photovoltaic systems (PV, from the English *photovoltaic*) has established itself as one of the main alternatives for diversifying the energy matrix and reducing greenhouse gas emissions. Due to its abundance, modularity, and progressive cost reduction, solar energy plays a strategic role in the energy transition and in the security of the electrical grid. However, the prolonged operation of photovoltaic plants is affected by multiple degradation factors, such as material aging, dust accumulation, variations in solar irradiance, and increases in cell temperature. These effects reduce the predictability of generation and introduce uncertainties regarding the expected economic return, posing a central challenge for managers and energy policymakers. This dissertation proposes a dynamic and adaptable approach for evaluating the performance of PV plants. It consists of two stages: the first corresponds to data engineering, which aims to adapt the operational records of any plant through data extraction, preprocessing, and discretization, in order to enable performance analyses and their comparability; the second stage corresponds to the performance analysis itself, structured as a cycle that involves discovering the process model from the data, evaluating that model, capturing performance metrics, proposing improvements for the real process, and continuous reevaluation with new data that cyclically describe new scenarios. The practical operationalization of this cycle, especially the model’s feedback with real-time data, can be achieved through integrated monitoring systems, such as Internet of Things (IoT)-based platforms and supervisory control and data acquisition (SCADA) systems, which allow for the continuous collection of operational and environmental variables. Although the reevaluation stage was not empirically executed in this study due to the lack of direct access to the plant for post-analysis interventions, the approach proposes an iterative implementation in real operational environments, with automatic model updates at defined intervals (for example, daily or weekly), depending on the size of the plant (scalable for small to large-scale plants, with data volumes ranging from megabytes to gigabytes) and the available infrastructure. The methodology was applied in a real case study, using data from an operating photovoltaic plant. The results indicated that solar radiation and cell temperature were, in that case, the most influential factors on performance, in addition to evidencing a slow but consistent degradation rate, on the order of 0.02% per year, linked to these factors. This rate is substantially lower than the average reported in the literature (approximately 0.5% per year), possibly attributed to regular maintenance practices that mitigate cumulative effects, such as aging and dust accumulation. Considering the typical lifespan of solar panels, estimated at 25 to 30 years, a cumulative degradation of about 0.6% over 30 years represents a minimal and non-significant loss in economic terms for well-maintained systems, although this rate may vary according to panel quality—high-quality panels (for example, with materials resistant to UV and humidity) exhibit lower degradation, while low-quality options may exceed 1% per year, impacting long-term viability. This approach can naturally be extended to other plants, contributing to the advancement of performance evaluation methodologies by offering an integrated and reproducible solution that integrates data science into the practice of energy generation.
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However, the prolonged operation of photovoltaic plants is affected by multiple degradation factors, such as material aging, dust accumulation, variations in solar irradiance, and increases in cell temperature. These effects reduce the predictability of generation and introduce uncertainties regarding the expected economic return, posing a central challenge for managers and energy policymakers. This dissertation proposes a dynamic and adaptable approach for evaluating the performance of PV plants. It consists of two stages: the first corresponds to data engineering, which aims to adapt the operational records of any plant through data extraction, preprocessing, and discretization, in order to enable performance analyses and their comparability; the second stage corresponds to the performance analysis itself, structured as a cycle that involves discovering the process model from the data, evaluating that model, capturing performance metrics, proposing improvements for the real process, and continuous reevaluation with new data that cyclically describe new scenarios. The practical operationalization of this cycle, especially the model’s feedback with real-time data, can be achieved through integrated monitoring systems, such as Internet of Things (IoT)-based platforms and supervisory control and data acquisition (SCADA) systems, which allow for the continuous collection of operational and environmental variables. Although the reevaluation stage was not empirically executed in this study due to the lack of direct access to the plant for post-analysis interventions, the approach proposes an iterative implementation in real operational environments, with automatic model updates at defined intervals (for example, daily or weekly), depending on the size of the plant (scalable for small to large-scale plants, with data volumes ranging from megabytes to gigabytes) and the available infrastructure. The methodology was applied in a real case study, using data from an operating photovoltaic plant. The results indicated that solar radiation and cell temperature were, in that case, the most influential factors on performance, in addition to evidencing a slow but consistent degradation rate, on the order of 0.02% per year, linked to these factors. This rate is substantially lower than the average reported in the literature (approximately 0.5% per year), possibly attributed to regular maintenance practices that mitigate cumulative effects, such as aging and dust accumulation. Considering the typical lifespan of solar panels, estimated at 25 to 30 years, a cumulative degradation of about 0.6% over 30 years represents a minimal and non-significant loss in economic terms for well-maintained systems, although this rate may vary according to panel quality—high-quality panels (for example, with materials resistant to UV and humidity) exhibit lower degradation, while low-quality options may exceed 1% per year, impacting long-term viability. This approach can naturally be extended to other plants, contributing to the advancement of performance evaluation methodologies by offering an integrated and reproducible solution that integrates data science into the practice of energy generation.A geração de energia elétrica a partir de sistemas fotovoltaicos (PV, do inglês photovoltaic) tem se consolidado como uma das principais alternativas para a diversificação da matriz energética e a redução das emissões de gases de efeito estufa. Por sua abundância, modularidade e queda progressiva de custos, a energia solar ocupa papel estratégico na transição energética e na segurança da malha elétrica. Entretanto, a operação prolongada das usinas fotovoltaicas é afetada por múltiplos fatores de degradação, como o envelhecimento dos materiais, o acúmulo de poeira, as variações na irradiância solar e o aumento da temperatura da célula. Esses efeitos reduzem a previsibilidade da geração e introduzem incertezas sobre o retorno econômico esperado, configurando um desafio central para gestores e formuladores de políticas energéticas. Esta dissertação propõe uma abordagem dinâmica e adaptável para a avaliação de desempenho de usinas PV. Ela é composta de duas etapas: a primeira corresponde à engenharia de dados, que visa adequar os registros operacionais de qualquer usina, por meio de extração, pré-processamento e discretização de dados, a fim de viabilizar análises de desempenho e sua comparabilidade; a segunda etapa corresponde à análise de desempenho propriamente dita, estruturada como um ciclo que envolve a descoberta do modelo de processo a partir dos dados, a avaliação desse modelo, a captura de métricas de desempenho, a proposição de melhorias para o processo real e a reavaliação cíclica e contínua com novos dados que ciclicamente descrevem novos cenários. A operacionalização prática desse ciclo, especialmente a retroalimentação do modelo com dados em tempo real, pode ser realizada por meio de sistemas de monitoramento integrados, como plataformas baseadas em Internet das Coisas (IoT) e sistemas de supervisão e aquisição de dados (SCADA), que permitem a coleta contínua de variáveis operacionais e ambientais. Embora a etapa de reavaliação não tenha sido executada empiricamente neste estudo devido à ausência de acesso direto à usina para intervenções pós-análise, a abordagem propõe uma implementação iterativa em ambientes operacionais reais, com atualizações automáticas do modelo a cada intervalo definido (por exemplo, diário ou semanal), escalável para plantas de pequeno a grande porte. A metodologia foi aplicada em um estudo de caso real, utilizando dados de uma planta fotovoltaica em operação. Os resultados indicaram que a radiação solar e a temperatura da célula foram, naquele caso, os fatores mais influentes sobre o desempenho, além de evidenciarem uma taxa de degradação lenta, porém consistente, da ordem de 0,02% ao ano, atrelada a esses fatores. Essa taxa é substancialmente inferior à média reportada na literatura (aproximadamente 0,5% ao ano), possivelmente atribuída a práticas regulares de manutenção que mitigam efeitos cumulativos, como envelhecimento e acúmulo de poeira. Considerando a vida útil típica das placas solares, estimada em 25 a 30 anos, uma degradação acumulada de cerca de 0,6% em 30 anos representa uma perda mínima e não significativa em termos econômicos para sistemas bem mantidos, embora essa taxa possa variar conforme a qualidade das placas — painéis de alta qualidade apresentam degradação menor, enquanto opções de baixa qualidade podem exceder 1% ao ano, impactando a viabilidade a longo prazo. Essa abordagem pode ser naturalmente estendida para outras usinas, contribuindo para o avanço das metodologias de avaliação de desempenho, ao oferecer uma solução integrada e reprodutível, que integra ciência de dados à prática de geração de energia.Universidade Tecnológica Federal do ParanáPato BrancoBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de ComputaçãoUTFPRTeixeira, Marcelohttps://orcid.org/0000-0002-1008-7838https://lattes.cnpq.br/8925349327322997Cury, Jose Eduardo Ribeirohttp://lattes.cnpq.br/0287055549224841Johann, Jerry Adrianihttps://orcid.org/0000-0001-6184-8011http://lattes.cnpq.br/3499704308301708Cury, Jose Eduardo Ribeirohttp://lattes.cnpq.br/0287055549224841Southier, Luiz Fernando Puttowhttps://orcid.org/0000-0003-2420-4094https://lattes.cnpq.br/6785711491335996Nonato, Nicolle2025-11-28T12:47:24Z2025-11-28T12:47:24Z2025-10-31info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfNONATO, Nicolle. Uma abordagem de engenharia de dados para a avaliação de desempenho em plantas fotovoltaicas de geração de energia elétrica. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2025.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38973porhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.eninfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2025-11-29T06:18:26Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/38973Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2025-11-29T06:18:26Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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