Atualmente, a demanda por energia elétrica em todo mundo tem se mostrado crescente e acelerada. Este crescimento é provocado pela alta elevação populacional e pela dependência de tecnologias que utilizam energia elétrica. Portanto, cada vez mais aumenta a necessidade por energia elétrica que geralmente provém de fontes não renováveis ou hídricas com alagamento de grandes áreas. Este modelo ocasiona a poluição do ambiente e o aquecimento global.

Para atenuar este problema, a obtenção de energia elétrica através de fontes renováveis mostra-se uma alternativa menos agressiva ao meio ambiente. Dentre estas fontes, destaca-se a energia solar fotovoltaica, onde a energia extraída por um painel fotovoltaico depende da incidência de radiação solar direta em uma determinada área da placa fotovoltaica. A potência máxima será extraída quando o painel estiver posicionado perpendicularmente aos raios solares, maximizando a área de incidência. Nos sistemas fotovoltaicos utilizados em residências o painel é instalado em uma estrutura fixa no telhado com uma inclinação igual ao da latitude do local de instalação. Por serem fixos, a radiação solar direta será perfeitamente perpendicular ao painel somente durante um curto intervalo de tempo ao longo do dia, em alguns dias do ano.

De maneira a aumentar o tempo de extração da energia solar, o painel fotovoltaico deve ser capaz de acompanhar a trajetória solar, a partir de atuadores, sensores e um algoritmo robusto para o controle em tempo real, implementados em um computador de baixo custo. Portanto, este trabalho tem o objetivo de maximizar a incidência de raios solares perpendicularmente ao painel fotovoltaico durante o maior intervalo de tempo possível, de forma a movimentar as placas fotovoltaicas, fazendo-as acompanhar o trajeto do sol. O controle da posição do painel é feito com base na comparação entre a posição do sol calculado por algoritmos genéticos e a posição do painel fotovoltaico, determinado por sensores.

Algoritmos Genéticos (AG’s), utilizados para estimar as coordenadas do sol neste projeto, são métodos para encontrar soluções de baseadas nos mecanismos de evolução de populações de seres vivos, seguindo o princípio da seleção natural e sobrevivência do mais apto, declarado em 1859 pelo naturalista e fisiologista inglês Charles Darwin em seu livro A Origem das Espécies.

            Em comparação com os sistemas naturais, os AG’s descrevem o problema (ambiente de sobrevivência) sob forma de uma função matemática, em que as "estruturas" (indivíduos) mais fortes obterão valores mais altos de função. Assim cada indivíduo corresponde a uma possível solução. Então, trabalhando com um grupo de indivíduos simultaneamente, verifica-se a potencialidade de cada um em relação ao grupo, tentando selecionar os mais aptos para o cruzamento. Depois de se efetuar o cruzamento, cada gene de cada indivíduo estará sujeito a uma eventual ação da mutação. Logo, os AGs baseiam-se nos processos naturais de seleção, cruzamento e mutação. Esses processos são conhecidos como operadores genéticos (LUÍZ SOARES, 1997).

É montado o protótipo de acordo com a Figura 1. Os sensores Magnetômetro em conjunto com Acelerômetro, instalados atrás do painel, provem as informações de localização para o acionamento dos motores de passo, determinando o posicionamento angular da placa fotovoltaica. A partir de um relógio de tempo real (RTC ‑ Real Time Clock) e dados da localização, os algoritmos genéticos implementados no Raspberry-Pi estimam a posição solar. Desta forma deve-se obter o sincronismo do angulo de inclinação entre a posição angular do painel e a posição solar.

Figura 1 ‑ Protótipo De Rastreador Solar De Baixo Custo Utilizando Algoritmos Genéticos

Fonte: Próprio autor, 2018.

1. 1. Inclinação da Placa Fotovoltaica

O sensor GY-80 10 DOF possui a função de acelerômetro e magnetômetro. Ambas as grandezas são medidas através de vetores tridimensionais. Pode-se definir o vetor aceleração e o vetor campo magnético  como:

  = a_x, a_y, a_z  e  = m_x,m_y,m_{z .}

Em condições normais de funcionamento, o vetor A aponta na direção vertical, sentido para baixo; já o vetor M aponta sempre para o sentido do norte magnético terrestre, na direção horizontal. O rastreamento solar exige que as coordenadas geográficas sejam determinadas para que o rastreador possa verificar se o painel se encontra posicionado corretamente em relação à radiação direta. O produto vetorial A e M resulta em A x M = E.

Onde E é um vetor perpendicular a A e M, possui direção horizontal e sentindo apontando para o leste geográfico. A partir dos vetores A, M e E é possível obter vetores que apontam para as demais coordenadas geográficas: Um vetor Norte (N), um vetor Sul (S), um vetor Oeste (W) e um vetor Normal à superfície terrestre (U) sendo: N = M, S = -M, W = -E, U=-A

Os ângulos formados entre a projeção do eixo x no plano composto pelos vetores E e U e o vetor E, é chamado de angulo de rastreio Ψ e é definido por:

Ψ =          (1)

Onde x_u e x_e são coordenadas da projeção do eixo x nos vetores U e E respectivamente. De forma similar, o angulo formado entre a projeção do eixo y no plano composto pelos vetores N e U e o vetor N é chamado de angulo de inclinação da superfície β, definido como sendo:

       (2)

Sendo y_u e y_N as coordenadas da projeção do eixo y nos vetores U e N respectivamente. A relação às projeções do novo sistema de coordenadas tridimensional para o posicionamento angular do painel com os ângulos Ψ e β é apresentado na figura 2.

Figura 2 ‑ (a)Definição de Ψ no plano E x U e (b) β no plano N x U

Fonte: BATISTA DE ARAÚJO, 2015.

1. 2. Calculo da posição solar

A posição do sol pode ser determinada a partir de dois ângulos notáveis utilizados na padronização definida pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) em sua norma NBR10899/2006: Energia Solar Fotovoltaica - Terminologia. O ângulo horário solar (ω) é o angulo diedro com aresta no eixo de rotação da Terra, formado pelo semiplano que contém o sol e o semiplano que contém o meridiano local, com faixa de variação -180º < ω < +180º e, por convenção, positivo no período da tarde. A declinação solar (δ) é o angulo de vértice no centro da Terra, formado pelas semirretas definidas pela direção do sol e pelo plano do Equador, com faixa de variação -23,45º ≤ δ ≤ +23,45º e, por convenção, positivo quando o Sol estiver incidindo perpendicularmente no hemisfério Norte (ABNT, 2006). A figura 3 ilustra os ângulos ω e δ em relação à Terra e a um observador genérico.

Figura 3 ‑ Definição do ângulo horário solar ω e da declinação solar δ em relação a um observador.

Fonte: BATISTA DE ARAÚJO, 2017.

Em seu trabalho, Oliveira (2007) utilizou equações matemáticas para a determinação do angulo horário solar (ω). Essas equações possibilitam uma boa aproximação para o valor de ω que está relacionado com a hora solar obtida em um relógio de sol. Devido a irregularidade da orbita terrestre em torno do sol, que descreve uma trajetória elíptica e pela inclinação do eixo de rotação da terra, a hora determinada por um relógio solar difere em alguns minutos do horário local. A diferença em minutos (E) entre a hora solar e a hora local é definida como sendo (OLIVEIRA, 2007):

 E = 9,87sin (2B) - 7,53cos (B) - 1,5sin (B)                                           (3)

Onde B é dado em radianos e é:  , 1 ≤ N ≤ 365  (4)

B representa um angulo que corresponde ao ponto no qual a terra se encontra na orbita solar. N representa o dia juliano, que é o número correspondente ao dia do ano entre 1 e 365. Em consequência das equações 3 e 4, a hora solar (H_s) pode ser calculada como:

     (5)

Sendo L_p a longitude do meridiano da hora oficial e L_l a longitude do meridiano local, que possui valor negativo caso esteja situado a Oeste do meridiano da hora oficial. A hora solar e o angulo horário solar ω expresso em graus estão relacionados pela seguinte equação:

             (6)

A declinação solar δ é calculada levando em consideração apenas o dia juliano (N). É definida como sendo (ALATA; AL-NIMR; QAROUSH, 2005):

1. 3. Aplicação com AGs

O protótipo proposto mostrou-se promissor, visto que o seu uso pode acarretar uma melhora significativa no aproveitamento da energia solar obtida dos painéis solares, ao utilizar uma arquitetura de baixa custo que pode ser implementada de maneira simples e segura pelo consumidor residencial de forma a obter os benefícios na sua conta de energia. Em uma etapa futura do trabalho serão feitas medidas que poderão mensurar de maneira mais precisa o quanto o sistema pode ser mais econômico que o convencional.