La energía generada por un sistema fotovoltaico es directamente proporcional a la superficie de sus módulos, que deben instalarse en zonas abiertas, ocupando muchas veces grandes superficies, que pueden alcanzar los pocos kilómetros cuadrados en las grandes plantas solares.
Una consecuencia directa de la gran superficie es la gran vulnerabilidad de los sistemas fotovoltaicos a las descargas atmosféricas directas e indirectas [1], que suponen a nivel mundial hasta el 26% de todos los fallos que se producen en estas instalaciones [2].
A pesar del crecimiento de la generación solar fotovoltaica en Brasil, muchos empresarios de este sector no invierten los recursos necesarios en protección contra rayos (PDA) [3], sometiendo así sus inversiones a pérdidas que podrían minimizarse si estos fenómenos naturales - significativamente frecuente en Brasil – recibió la debida importancia [4].
La ausencia de medidas de protección adecuadas puede destruir o dañar, total o parcialmente, los sistemas fotovoltaicos, retrasando el retorno de la inversión en su construcción. Para evitarlo, es necesario dotar al mercado fotovoltaico de información objetiva y precisa sobre los riesgos asociados a la caída de rayos y cómo reducirlos [5].
Las descargas atmosféricas causan daños a las estructuras de cuatro formas diferentes, como se muestra en la siguiente tabla.
Tabla 1 – Elaborada por el autor con base en la norma técnica ABNT NBR 5419-1:2015
Protección contra descargas atmosféricas
Los PDA se dividen en SPDA (sistemas de protección contra descargas atmosféricas) y MPS (medidas de protección contra sobretensiones) [6] (Figura 2). La SPDA es responsable de proteger la estructura contra los efectos de una descarga atmosférica directa (S1), constituida por la protección externa mediante los subsistemas de captación, descenso y puesta a tierra, y la protección interna [7] mediante la distancia de seguridad y equipotencialización.
Como cada uno de estos elementos tiene sus características específicas, deben ser analizados, como lo hace la propia norma, individualmente, y luego interconectados de manera adecuada para que tengan la eficiencia esperada de un SPDA.
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Figura 2 – Estructura de la PDA. Fuente: ABNT NBR 5419:2015
Subsistema de captura
El subsistema de captura es fundamental para proteger una estructura contra el rayo, debido a que es el primer elemento del SPDA que entra en contacto con la descarga atmosférica, evitando así que alcance un objeto que no tenga la capacidad de absorber y conducir dicho rayo. cantidad de energía.
Los captadores no atraen, capturan ni detienen los rayos, los interceptan al ubicarse en puntos estratégicos de una estructura, de donde se emiten líderes ascendentes que se encuentran con los líderes escalonados que salen de las nubes, rompiendo la fuerza dieléctrica del aire. mediante saltos, origen del nombre escalonado.
Como el punto, entre varios, de donde sale el líder ascendente que conecta con el escalón es el que será alcanzado por el rayo, todas las ubicaciones posibles capaces de emitir líderes ascendentes deben ser protegidas por los captores (Figura 3).
Esta teoría se conoce como modelo electrogeométrico y es la base para calcular el posicionamiento de los sensores en una estructura. De acuerdo con la norma técnica ABNT NBR 5419:2015, la probabilidad de penetración de corriente de rayo en una estructura está significativamente limitada por la correcta instalación de un subsistema de recolección.
Están formados por la combinación de varillas (incluidos mástiles), conductores suspendidos y conductores de malla (Figura 4).
Cualquiera que sea la composición del subsistema de captura, todos los elementos de captura deben cumplir plenamente con los requisitos de la norma, y es el correcto posicionamiento de estos elementos, formando un subsistema de captura, lo que determinará el volumen de protección, la región del espacio protegida de el impacto directo de una descarga atmosférica.
Si se utilizan sensores individuales, deben interconectarse en el nivel de cobertura para garantizar la división de la corriente en al menos dos rutas.
Un punto fundamental para los profesionales y usuarios de sistemas fotovoltaicos es la no aceptación por la ABNT NBR 5419:2015 del uso de detectores destinados a atraer rayos o impedir su aproximación al suelo.
Esta norma sólo especifica métodos de captura de eficiencia reconocida por la comunidad científica internacional, no reconociendo la validez de recursos artificiales destinados a aumentar el radio de protección de los captadores o inhibir la ocurrencia de descargas atmosféricas (Figura 5).
Los componentes del subsistema de captura instalados en la estructura deberán ubicarse principalmente en esquinas salientes, extremos expuestos y bordes, de acuerdo con uno o más de los siguientes métodos:
- Método del ángulo de protección;
- Método de la bola rodante;
- Método de malla.
Según la norma, los métodos de esfera rodante y malla son adecuados en todos los casos y el método del ángulo de protección es adecuado para edificios de forma simple, estando limitado por la altura de los sensores con relación al plano de referencia que debe proteger.
Por tanto, al contrario de lo que muchos profesionales creen, aumentar la altura del mástil sensor no supone una mayor superficie protegida, e incluso puede suponer el efecto contrario.
En relación específicamente a la protección de sistemas fotovoltaicos, es importante observar la creación de zonas de sombra por parte de los captadores sobre los módulos fotovoltaicos, las cuales pueden evitarse mediante el uso de mini captadores o mástiles relativamente alejados de los módulos, en ambos casos estudiando Anteriormente se analizó la relación entre la efectividad de captar versus la eficiencia de utilizar la luz solar.
Otro aspecto importante en el diseño de SPDA para sistemas fotovoltaicos es la opción entre sistemas aislados y no aislados. Mientras que un SPDA aislado (Figura 7) no tiene conexión galvánica entre sus sensores y conductores de bajada y el sistema fotovoltaico, un SPDA no aislado (Figura 8) tiene una conexión metálica con el sistema fotovoltaico – por lo tanto la corriente de impulso, una porción de la corriente de descarga atmosférica interceptada por el SPDA, circula a través de los módulos, estructuras de soporte, cables e inversores, que en este caso requerirán medidas de protección adecuadas para el paso de esta corriente.
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Figura 7 – SPDA aislado. La corriente del rayo no pasa a través del SFV, a través de él sólo se conducen corrientes inducidas. Fuente: DEHN
Conclusión
La eficacia de un subsistema de captura depende del correcto posicionamiento de los dispositivos de captura, colocando dentro de su volumen de protección cualquier objeto que no deba ser impactado directamente por una descarga atmosférica. Respecto a los sistemas fotovoltaicos en las cubiertas de los edificios, su presencia no incrementará la incidencia de descargas atmosféricas en dichos edificios, pero será necesario que todos los elementos del sistema fotovoltaico, especialmente sus módulos, estén incluidos en el diseño del subsistema de captación.
Referencias
- 1) HERNÁNDEZ, JC; JURADO, Francisco; VIDAL, PG; Protección contra el Rayo y Sobretensiones en Instalaciones Fotovoltaicas. Transacciones IEEE sobre entrega de energía. Volumen 23, nº4. Octubre de 2008.
- 2) ZHANG, Yang; CHEN, Hongcai; DU, Ya Ping. Consideraciones del diseño de la estructura del sistema fotovoltaico para una protección eficaz contra rayos. Transacciones IEEE sobre compatibilidad electromagnética. Mayo de 2020.
- 3) SANTOS, Sergio. Protección contra descargas atmosféricas en plantas fotovoltaicas. Canal Solar. Agosto de 2020. https://canalsolar.com.br/protecao-contra-descargas-atmosfericas-em-usinas-fotovoltaicas/
- 4) ¿Lo sabías? Grupo de Electricidad Atmosférica (ELAT). Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (INPE). http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/el.atm/perguntas.e.respostas.php
- 5) PINHO, João Tavares; GALDINO, Marco Antonio. Manual de Ingeniería de Sistemas Fotovoltaicos. Grupo de Trabajo de Energía Solar (GTES). CEPEL, DTE, CRESESB. Marzo del 2014.
- 6) Asociación Brasileña de Normas Técnicas (ABNT). ABNT NBR 5419-1:2015. Protección contra el rayo Parte 1: Principios generales. https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=333548 7) La expresión protección interna se utiliza porque normalmente en las edificaciones se trata de elementos instalados en el interior, a diferencia de lo que generalmente sucede en SFV .
