Los vertidos a la atmósfera son un componente de riesgo importante en cualquier instalación. Las plantas fotovoltaicas se instalan necesariamente al aire libre, por lo que están expuestas a la caída directa de rayos.
Los sistemas de protección de estructuras e instalaciones contra el rayo se rigen por la norma NBR-5419, que tiene como base la IEC 62305 – Protección Contra el Rayo. La norma tiene 4 partes:
- Parte 1: Principios generales – establece los requisitos para determinar la protección contra descargas atmosféricas;
- Parte 2: Gestión de riesgos – establece los requisitos para el análisis de riesgos en una estructura por descargas atmosféricas a la tierra;
- Parte 3: Daños físicos a estructuras y peligros para la vida: establece los requisitos para proteger una estructura contra daños físicos mediante un SPDA y para proteger a los seres vivos contra lesiones causadas por voltajes de contacto y de paso en las proximidades de un SPDA;
- Parte 4: Sistemas eléctricos y electrónicos internos en la estructura: proporciona información para el diseño, instalación, inspección, mantenimiento y prueba de sistemas de protección eléctricos y electrónicos (Medidas de Protección contra Sobretensiones ─ MPS) para reducir el riesgo de daño interno a la estructura debido a Impulsos electromagnéticos de descargas atmosféricas (LEMP).
El principal índice para establecer el nivel de exposición de una instalación al rayo es Ng, que es igual al número de descargas anuales al suelo (descargas atmosféricas/km²/año).
La Figura 1 muestra el mapa del índice de Ng, en el planeta y en Brasil, donde Ng varía de 1 a 20. Se puede ver que América del Sur destaca en el planeta en cuanto a incidencia de rayos. Las áreas negras son puntos calientes: regiones con una incidencia muy alta de rayos, que ocurren en América del Sur (Venezuela y Colombia) y África Central.
El índice Ng permite calcular la probabilidad de que una instalación sea alcanzada por un rayo en un año, simplemente multiplicando la superficie ocupada (en km²) por Ng (Ng x S = rayos por año). Una UFV GD de 5 MWp, que ocupa una superficie de 100.000 m² en una región con Ng = 10, estará expuesta a la incidencia media de un rayo al año.
La Figura 2 muestra los cuatro tipos de riesgo previstos por la NBR-5419-2. El análisis de riesgo a realizar para un techo GFV es el mismo que se debe realizar para el edificio en su conjunto, ya sea residencial, comercial o industrial. Se pueden considerar todos los tipos de riesgo:
- R1 – pérdida de vidas humanas – ya que los edificios son frecuentados por personas que viven, trabajan o están allí para prestar algún servicio;
- R2 – pérdida de servicio al público – si el edificio alberga un hospital, museo, central telefónica, subestación protegida, etc.;
- R3 – pérdida de patrimonio cultural – si el edificio alberga un museo o una biblioteca, por ejemplo;
- R4 – pérdidas económicas – asociadas a daños a instalaciones y equipos e interrupción de operaciones.
Para un GFV o un UFV terrestre, sólo se deben aplicar las evaluaciones relativas a los riesgos R2 y R4. El riesgo R1 no es de aplicación, debido a que los paneles fotovoltaicos son instalaciones exteriores y, por tanto, no pueden proporcionar protección a las personas.
Para controlar este tipo de riesgo es necesaria la disponibilidad de un sistema de alarma de tormenta eléctrica que se aproxima, que puede ser monitoreado local o remotamente, lo que permite a los equipos que trabajan en la zona retirarse a lugares resguardados hasta que el riesgo de caída de rayo ya no exista. . Evidentemente el riesgo R3 no es aplicable.
El riesgo R4 muchas veces no se considera, principalmente debido a la falta de información suficiente para caracterizar las pérdidas económicas asociadas con la caída de un rayo. Lo que queda es R2, que puede estar asociado a daños materiales a la instalación y fallas de componentes esenciales para su funcionamiento, lo que, en última instancia, resultará en pérdida de generación, ya sea para el sistema interconectado o para el consumidor interno.
El análisis de riesgos es un proceso complejo, que implica la selección de un amplio conjunto de parámetros asociados con los diferentes aspectos del problema de la caída de un rayo en una instalación.
La disponibilidad de software ayuda mucho a la hora de preparar este análisis. Tomando como ejemplo el programa DEHN Risk Tool, que es uno de los más completos (incluida una versión en portugués), se pueden identificar los siguientes módulos del programa, que tratan diferentes grupos de parámetros:
- aspectos dimensionales del edificio – que, dependiendo del área construida y de la altura, define el área expuesta a la caída directa del rayo (considerando también el índice Ng);
- aspectos de ocupación del edificio – que pueden dividirse en diferentes zonas (clasificadas según criterios establecidos en la NBR-5419), número de personas, función y tipo de contenido del edificio, y valores que pueden asociarse a su contenido;
- Líneas de energía, comunicaciones y señales que dan servicio al edificio, así como los subsistemas internos interconectados a las mismas;
- infraestructura de puesta a tierra y protección contra rayos existente en la instalación;
- cuantificación de los cuatro tipos de riesgos (R1 a R4) y valores monetarios asociados;
- medidas a tomar para reducir los riesgos calculados a los niveles que se consideren apropiados.
La probabilidad de que una descarga cause daño físico a una estructura depende de las medidas de protección adoptadas, dependiendo de la clase SPDA, según lo establecido en la NBR-5419-2 – Tabla B.2 (reproducida en la Figura 3). La clase de SPDA a implementar en una instalación se define con base en el análisis de riesgo, realizado según lo establecido en la Parte 2 de la NBR-5419.
Vale la pena señalar que los paneles fotovoltaicos son estructuras que no se pueden proteger de la caída directa de rayos, ya que están expuestas a la intemperie. La instalación de un SPDA en una UFV terrestre requeriría un mayor espaciamiento entre los paneles fotovoltaicos, lo que resultaría en una reducción significativa de la capacidad de generación en Wp/m², y también daría lugar a un sombreado de los módulos fotovoltaicos, además de la implementación y costos de instalación del sistema.
Una solución intermedia adoptada en algunos proyectos es el uso de terminales aéreos fijados a las estructuras de los paneles fotovoltaicos. Estos componentes no impiden que los rayos caigan dentro de las estructuras, solo interceptan una parte de los rayos que podrían caer directamente sobre un módulo y los descargan normalmente en la estructura del conjunto fotovoltaico.
Los criterios de diseño para la instalación de estos componentes, en teoría, deben considerar las estructuras metálicas de los paneles fotovoltaicos como una inmensa jaula de Faraday, instalando los terminales de aire en los vértices de la celosía calculados según la clase SPDA determinada por el análisis de riesgo, lo que permitirá normalmente será II o III.
Con o sin el SPDA antes mencionado, los paneles fotovoltaicos de un UFV terrestre entrarán en la categoría de estructura desprotegida (Figura 3), que tiene un 100% de probabilidad de interceptar un rayo que pueda caer sobre su área de exposición. Luego es necesario realizar un análisis de riesgos de otras instalaciones de la UFV – electrocentros, cabinas de medición, salas de O&M, talleres, vestuarios, etc.
La Figura 4 muestra el SPDA de un centro eléctrico. El análisis de riesgos de un centro eléctrico normalmente indica que no es necesario instalar un SPDA, debido a su pequeña superficie y a la escasa presencia de personas. Por lo tanto, la especificación de los pararrayos para el centro eléctrico depende de una decisión que se tomará con el cliente final, quien a veces insiste en instalarlos.
Cabe señalar que, con o sin pararrayos, la instalación de DPS en el QGBT del electrocentro es obligatoria, y su especificación debe estar sujeta a un análisis que evalúe el tipo de UFV (con inversores concentrados o distribuidos), la existencia de líneas eléctricas de alimentación de baja tensión que salen del electrocentro para alimentar cargas externas (cámaras CCTV, antenas RSU, estación meteorológica, etc.).
