Las descargas atmosféricas suponen un enorme peligro para las plantas de generación solar fotovoltaica. Se cree que aproximadamente el 26% de todos los daños que sufren los sistemas fotovoltaicos en el mundo son causados por descargas atmosféricas directas o indirectas.
Teniendo en cuenta que muchas ciudades brasileñas tienen una densidad de descargas atmosféricas a la tierra (GN)2 entre 5 y 10 rayos/km2 por año, pronto tendremos en Brasil numerosas plantas afectadas anualmente por un número importante de descargas atmosféricas directas, algo para lo que debemos prepararnos con mucha dedicación.
Además de este hecho, una descarga atmosférica induce tensiones y corrientes hasta a 2 kilómetros de distancia de su punto de impacto.
Como las plantas fotovoltaicas normalmente están ubicadas en lugares aislados, podemos imaginar la cantidad de energía que les transfiere la caída de un rayo que alcanza un área equivalente a un radio de 2 km desde el centro de la planta.
La reducción del riesgo de daños es directamente proporcional al conocimiento que tenemos sobre ellos. Por tanto, es necesario dividir las asociadas a las descargas atmosféricas en plantas fotovoltaicas en tres categorías:
- Impactos directos del vertido sobre la planta;
- Sobretensiones o sobretensiones provocadas por descargas directas o indirectas en sus instalaciones, incluidos los módulos fotovoltaicos;
- Lesión o muerte de los trabajadores que se encuentren en las áreas abiertas de la planta.
Actualmente, Brasil cuenta con dos normas técnicas específicas para la protección contra rayos: ABNT NBR 5419-13/24/35/46:2015 “Protección contra rayos” y ABNT NBR 16785:20197 “Protección contra rayos – Sistemas de alerta de rayos eléctricos tormentas”.
Las dos normas son complementarias e igualmente importantes y deben seguirse en todos los proyectos de plantas fotovoltaicas.
La parte 2 de la norma ABNT NBR 5419:2015 presenta 4 tipos de riesgos para una estructura:
- R1, riesgo de pérdida de vidas humanas, incluidas lesiones permanentes;
- R2, riesgo de pérdida del servicio al público;
- R3, riesgo de pérdida del patrimonio cultural;
- R4, riesgo de pérdida de valores económicos.
La protección de las personas en las plantas fotovoltaicas contra los efectos de los rayos implica tensiones de paso y de contacto más que otros riesgos como, por ejemplo, los incendios.
Al ser las plantas fotovoltaicas básicamente espacios abiertos, es imprescindible desplazar a todas las personas de la planta a lugares resguardados, evitando que la descarga atmosférica, caiga donde caiga, llegue a personas con diferencias de potencial entre partes de su cuerpo mientras la corriente eléctrica de descarga viaja por el suelo.
La existencia de un subsistema de captura en este caso protegerá a los módulos y sus estructuras, pero nunca a los seres humanos.
Por lo tanto, R1 debe ser minimizado por sistemas de detección y alerta de rayos, basados en la norma ABNT NBR 16785:2019.
En plantas fotovoltaicas se requiere especial atención a R2, por la interrupción total o parcial del suministro de energía a un emplazamiento y a R4 por las pérdidas que provoca esta interrupción.
Si bien R2 y R4 parecen representar el mismo riesgo, R2 corresponde a las molestias causadas a los usuarios de la energía suministrada por la planta y R4 a las pérdidas económicas de sus propietarios, porque ya no suministrarán su producto, la energía eléctrica, y pueden tienen que compensar a sus clientes.
Los sistemas fotovoltaicos dependen del área que forman sus módulos para captar la radiación solar. Cuanto mayor sea esta superficie, mayor será la energía convertida, pero también mayor será la exposición del sistema fotovoltaico a las descargas atmosféricas.
Como los sensores interceptan los rayos y la luz solar, se debe estudiar muy bien el diseño del subsistema de captura, para que el sombreado provocado por los sensores sea el menor posible, como se muestra en la Figura 2.
Las tensiones y corrientes inducidas provocadas por descargas atmosféricas pueden provocar fallos permanentes o temporales en inversores solares y células fotovoltaicas, además de acelerar la degradación de estos componentes, algo todavía poco considerado.
Por tanto, la vulnerabilidad de los sistemas fotovoltaicos a las descargas indirectas, cuya probabilidad de ocurrencia es mucho mayor que la de las descargas directas, es significativa.
Esto justifica una fuerte inversión en medidas de protección contra sobretensiones (MPS), algo que va mucho más allá de la simple instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) 8 en cajas de conexiones, sólo para cumplir con los requisitos reglamentarios.
Para que las sobretensiones transitorias no comprometan la viabilidad tecnoeconómica de las plantas fotovoltaicas, es necesario que todas sus características, como el tipo de módulos, el diseño de los cables y la posición de los electrodos de tierra, por ejemplo, se optimicen en para reducir su vulnerabilidad a las descargas atmosféricas.
El estudio de la protección de las plantas solares frente a las descargas atmosféricas se encuentra todavía en sus fases iniciales.
Investigadores de todo el mundo han analizado aspectos específicos de este tema, para encontrar soluciones de protección más eficientes, además de contabilizar los costos asociados a los daños causados por rayos en los sistemas fotovoltaicos, ya que reducir las inversiones en protección durante la fase de construcción de la planta puede significar gastos adicionales. costos con el mantenimiento durante su operación: el conocido equilibrio entre CAPEX y OPEX9.
La simple instalación de detectores y DPS no será suficiente para garantizar la protección de las plantas fotovoltaicas frente a las descargas atmosféricas.
También será necesario el uso de sus estructuras metálicas como blindajes indirectos, una adecuada relación entre los detectores y los pilares puestos a tierra (Figura 3) y, en definitiva, el desarrollo de células fotovoltaicas con mayor resistividad a las sobretensiones transitorias.
Los vertidos a la atmósfera suponen un serio reto para las plantas fotovoltaicas. Cuando se instalan en lugares con alta densidad de rayos, pueden verse afectados anualmente por varias descargas directas o indirectas.
Para reducir esta vulnerabilidad, es necesario instalar sistemas de protección contra rayos (SPDA) y realizar medidas de protección contra sobretensiones (MPS) dentro de las recomendaciones de la norma ABNT NBR 5419:2015, con características adecuadas a las peculiaridades de una planta solar fotovoltaica.
Referencias
ZHANG, Y.; CHEN, H. Consideraciones sobre el diseño de la estructura del sistema fotovoltaico para una protección eficaz contra rayos. Transacciones IEEE sobre compatibilidad electromagnética. mayo de 2020;
Grupo de Descarga Atmosférica (ELAT), INPE (Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales);
ABNT NBR 5419-1:2015, Protección contra descargas atmosféricas Parte 1: Principios generales;
ABNT NBR 5419-2:2015 Versión Corregida:2018, Protección contra descargas atmosféricas Parte 2: Gestión de riesgos;
ABNT NBR 5419-3:2015 Versión Corregida:2018, Protección contra descargas atmosféricas Parte 3: Daño físico a las estructuras y peligros para la vida;
ABNT NBR 5419-4:2015 Versión Corregida:2018, Protección contra descargas atmosféricas Parte 4: Sistemas eléctricos y electrónicos internos en la estructura;
ABNT NBR 16785:2019, Protección contra descargas atmosféricas – Sistemas eléctricos de alerta de tormentas;
DPS: El airbag de los sistemas fotovoltaicos;
Deja que la luz del sol ilumine tu instalación eléctrica.
Respuestas de 2
¡Hola
¿Se aplica la NBR 5419 a plantas fotovoltaicas terrestres en áreas abiertas? ¿Cómo maneja estas instalaciones?
Como técnico eléctrico – planta de fábrica, leo el material, que me instruye más sobre cómo entender los sistemas y cómo manejarlos, además de actualizarme sobre protección personal y comprender las normas técnicas. excelente articulo.