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Tipo: Tese
Título: Contribuições para a resolução do problema de extração dos parâmetros do modelo fotovoltaico de um diodo
Autor(es): Deotti, Lucas Meirelles Pires
Primeiro Orientador: Silva Junior, Ivo Chaves da
Membro da banca: Belati, Edmarcio Antonio
Membro da banca: Gasparin, Fabiano Perin
Membro da banca: Passos Filho, João Alberto
Membro da banca: Dias, Bruno Henriques
Resumo: O modelo de um diodo constitui a base físico-matemática prevalecente para a representação do comportamento elétrico de geradores fotovoltaicos, sustentando aplicações de simulação de desempenho e de caracterização de seus componentes. Seu emprego prático, contudo, requer o ajuste dos cinco parâmetros de sua equação característica. Em princípio, a forma mais consistente de realizar essa tarefa é extrair tais parâmetros a partir de uma curva corrente–tensão (I–V) do gerador em estudo, de modo que a equação característica a reproduza da maneira mais fidedigna possível. Essa etapa conduz a um problema de otimização desafiador, marcado por não linearidade, transcendência e não convexidade, além de sensibilidade numérica e forte dependência das escolhas de formulação e da abordagem de cálculo adotada. A partir de uma revisão bibliográfica abrangente e de uma análise crítica dos tratamentos existentes, constatou-se que a abordagem formal do modelo — baseada na reescrita explícita da equação característica via função W de Lambert — combinada a uma formulação com restrições de canalização coerentes constitui a alternativa mais adequada e promissora para a obtenção de soluções de alta qualidade. Esse diagnóstico motivou a proposição de um arcabouço metodológico, desenvolvido em duas frentes complementares. A primeira dedicou-se ao cálculo da função W de Lambert no domínio fisicamente relevante ao modelo de um diodo, culminando em um método preditor–corretor autoiniciado, capaz de retornar soluções com acurácia na ordem da precisão de máquina e baixo custo computacional. A segunda frente concentrou-se em uma iniciativa, ao que consta, sem precedentes na literatura: o desenvolvimento de um método determinístico de busca local, sob medida para a resolução direta do problema. Em consequência, concebeu-se o “tailored exterior-point method” (TEPM), cuja arquitetura combina distintos mecanismos para lidar com as dificuldades estruturais e numéricas intrínsecas ao problema, tais como barreira logarítmica modificada, regularização inercial e escalonamento simétrico de matrizes. Por meio de estudos de caso difundidos na literatura, verificou-se que ambos os métodos propostos são competitivos, destacando-se frente às alternativas de estado da arte em termos de eficácia e robustez. Adicionalmente, em uma aplicação envolvendo a resolução de mais de um milhão de problemas de extração a partir de curvas I–V, esses desempenhos foram corroborados: o elevado potencial de acurácia do TEPM foi evidenciado, ao passo que o método preditor–corretor autoiniciado mostrou-se pertinente ao proporcionar tempos de simulação reduzidos, compatíveis com as exigências da aplicação. Em síntese, as contribuições originais desta tese consistem sobretudo na proposição de dois métodos dedicados — o método preditor–corretor autoiniciado e o TEPM —, os quais constituem instrumentos para a resolução efetiva, reprodutível e bem fundamentada do problema de extração dos parâmetros do modelo de um diodo a partir de uma curva I–V, com valor direto para a comunidade científica e para o setor fotovoltaico.
Abstract: The single diode model is the leading physical–mathematical framework for representing the electrical behavior of photovoltaic generators, supporting both performance simulation and component characterization. However, practical application requires adjusting the five parameters of its characteristic equation. The most consistent approach involves extracting these parameters from a current–voltage (I–V) curve of the generator under study, ensuring the characteristic equation accurately mirrors the observed behavior. This process presents a challenging optimization problem, characterized by nonlinearity, transcendence, nonconvexity, numerical sensitivity, and a strong dependence on the chosen formulation and calculation approach. Through a comprehensive literature review and critical analysis of existing treatments, it was established that a formal approach to the model—based on the explicit rewriting of the characteristic equation using the Lambert W function—combined with a formulation incorporating coherent boundary constraints, constitutes the most appropriate and promising alternative for obtaining high-quality solutions. This insight led to the proposal of an integrated methodological framework developed along two complementary lines. The first focuses on efficient computation of the Lambert W function within the physically relevant domain of the single-diode model, culminating in a self-started predictor–corrector method capable of delivering solutions with machine-precision accuracy and low computational cost. The second line focused on an initiative that, to the best of the author’s knowledge, has no precedent in the literature: the proposal of a deterministic local search method specifically designed for the direct solution of the problem. Consequently, the tailored exterior-point method (TEPM) was conceived, whose architecture combines mechanisms specifically designed to address the structural and numerical challenges, such as a modified logarithmic barrier, inertial regularization, and symmetric matrix scaling. Through case studies widely reported in the literature, both proposed methods were shown to be highly competitive, standing out among state-of-the-art alternatives in terms of efficacy and robustness. Moreover, in a large-scale application involving the solution of more than one million parameter extraction problems from I–V curves, these performances were further corroborated: the high accuracy potential of the TEPM was evidenced, while the self-started predictor–corrector method proved suitable by providing reduced simulation times compatible with the application’s requirements. In summary, the original contributions of this thesis consist primarily in the proposal of two dedicated methods—the self-started predictor–corrector method and the TEPM—which constitute concrete tools for the effective, reproducible, and technically grounded solution of the single diode model parameter extraction problem from an I–V curve, with direct value for both the scientific community and the photovoltaic industry.
Palavras-chave: Geração solar fotovoltaica
Modelo de um diodo
Estimação de parâmetros
Função W de Lambert
Método de ponto exterior
Solar photovoltaic generation
Single diode model
Parameter estimation
Lambert W function
Exterior-point method
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Sigla da Instituição: UFJF
Departamento: Faculdade de Engenharia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Attribution-ShareAlike 3.0 Brazil
Licenças Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20628
Data do documento: 16-Mar-2026
Aparece nas coleções:Doutorado em Engenharia Elétrica (Teses)



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