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Proteção contra descargas atmosféricas em usinas fotovoltaicas

Descargas atmosféricas podem ser responsáveis por danos em sistemas fotovoltaicos

Autor: 18 de agosto de 2020março 18th, 2021Artigos técnicos
Proteção contra descargas atmosféricas em usinas fotovoltaicas

Proteção contra descargas atmosféricas em usinas fotovoltaicas

Descargas atmosféricas representam enorme perigo para as usinas de geração solar fotovoltaica. Acredita-se que aproximadamente 26% de todos os danos sofridos pelos sistemas fotovoltaicos no mundo sejam causados por descargas atmosféricas diretas ou indiretas.

Levando-se em consideração que muitas cidades brasileiras têm densidade de descargas atmosféricas para a terra (NG)2 entre 5 a 10 raios/km2 por ano, teremos no Brasil em breve inúmeras usinas atingidas anualmente por um número significativo de descargas atmosféricas diretas, algo para o qual devemos nos preparar com muita dedicação.

Além desse fato, uma descarga atmosférica induz tensões e correntes até 2 quilômetros de distância de seu ponto de impacto.

Figura 1 Usina solar fotovoltaica em São Gonçalo do Gurguéia PI com potência instalada de 475 MW e previsão de expansão em mais 133 MW

Figura 1: Usina solar fotovoltaica em São Gonçalo do Gurguéia (PI), com potência instalada de 475 MW e previsão de expansão em mais 133 MW

Como normalmente usinas fotovoltaicas encontram-se em locais isolados, podemos imaginar a quantidade de energia transferida para elas por raios que atingem uma área equivalente a um raio de 2 km do centro da usina.

A redução de riscos de danos é diretamente proporcional ao conhecimento que se tem sobre eles. Por isso é necessário dividir aqueles associados às descargas atmosféricas em usinas fotovoltaicas em três categorias:

  1. Impactos diretos da descarga na usina;
  2. Surtos de tensão ou corrente provocados por descargas diretas ou indiretas em suas instalações, incluindo os módulos fotovoltaicos;
  3. Ferimento ou morte de trabalhadores que estejam nas áreas abertas da usina.

Atualmente, o Brasil possui duas normas técnicas específicas para proteção contra descargas atmosféricas: a ABNT NBR 5419-13/24/35/46:2015 “Proteção contra descargas atmosféricas” e a ABNT NBR 16785:20197 “Proteção contra descargas atmosféricas – Sistemas de alerta de tempestades elétricas”.

As duas normas são complementares e igualmente importantes, devendo ser seguidas em todos os projetos de usinas fotovoltaicas.

A parte 2 da norma ABNT NBR 5419:2015 apresenta 4 tipos de riscos para uma estrutura:

  1. R1, risco de perda de vida humana, incluindo ferimentos permanentes;
  2. R2, risco de perda de serviço ao público;
  3. R3, risco de perda de patrimônio cultural;
  4. R4, risco de perda de valores econômicos.

A proteção das pessoas em usinas fotovoltaicas contra os efeitos dos raios envolve mais as tensões de passo e toque do que outros riscos como incêndios, por exemplo.

Como basicamente usinas fotovoltaicas são áreas abertas, é fundamental deslocar todas as pessoas da usina para locais abrigados, evitando que a descarga atmosférica, caia onde cair, atinja pessoas com diferenças de potencial entre partes de seu corpo enquanto a corrente da descarga elétrica se desloca pelo solo.

A existência de um subsistema de captação neste caso protegerá os módulos e suas estruturas, mas jamais seres humanos.

Por isso, R1 deverá ser minimizado por sistemas de detecção e alertas de raios, baseados na norma ABNT NBR 16785:2019.

Em usinas fotovoltaicas é necessária atenção especial ao R2, pela interrupção total ou parcial do fornecimento de energia para uma localidade e ao R4 pelas perdas causadas por essa interrupção.

Embora R2 e R4 pareçam representar o mesmo risco, R2 corresponde aos transtornos causados aos usuários da energia fornecida pela usina e R4 às perdas econômicas dos seus proprietários, porque deixarão de fornecer seu produto, energia elétrica, e talvez tenham que indenizar seus clientes.

Sistemas fotovoltaicos dependem da área formada pelos seus módulos para captar a radiação solar. Quanto maior essa área, maior a energia convertida, mas também maior a exposição do sistema fotovoltaico às descargas atmosféricas.

Como os captores interceptam raios e a luz do Sol, o desenho do subsistema de captação deverá ser muito bem estudado, para que o sombreamento provocado pelos captores seja o menor possível, como mostrado na Figura 2.

Figura 2 O sombreamento dos módulos solares deve ser avaliado durante o projeto do sistema de proteção contra descargas atmosféricasjpg

Figura 2: O sombreamento dos módulos solares deve ser avaliado durante o projeto do sistema de proteção contra descargas atmosféricas

Tensões e correntes induzidas causadas por descargas atmosféricas podem provocar falhas definitivas ou temporárias em inversores solares e células fotovoltaicas, além de acelerar a degradação desses componentes, algo ainda pouco considerado.

Por isso a vulnerabilidade dos sistemas fotovoltaicos às descargas indiretas, cuja probabilidade de ocorrência é muito maior do que a de descargas diretas, é significativa.

Isso justifica um forte investimento em medidas de proteção contra surtos (MPS), algo muito além da simples instalação de dispositivos de proteção contra surtos (DPS) 8 nas caixas de junção, apenas para cumprir exigências normativas.

Para que as sobretensões transitórias não comprometam a viabilidade tecno-econômica das usinas fotovoltaicas é necessário que todas as suas características como o tipo de módulos, o desenho dos cabos e a posição dos eletrodos de aterramento, por exemplo, sejam otimizadas visando reduzir a sua vulnerabilidade às descargas atmosféricas.

O estudo da proteção das usinas solares contra as descargas atmosféricas ainda se encontra em seus estágios iniciais.

Pesquisadores no mundo todo têm analisado aspectos específicos desse tema, para encontrar soluções mais eficientes de proteção, além de contabilizar os custos associados aos danos causados pelos raios em sistemas fotovoltaicos, já que reduzir os investimentos em proteção na fase de construção da usina pode significar gastos adicionais com manutenção durante a sua operação – o conhecido trade-off entre CAPEX e OPEX9.

Apenas a instalação de captores e DPS não será suficiente para garantir a proteção das usinas fotovoltaicas contra as descargas atmosféricas.

Também será necessário o aproveitamento das suas estruturas metálicas como blindagens indiretas, um relacionamento adequado entre os captores e os pilares aterrados (Figura 3) e, no limite, o desenvolvimento de células fotovoltaicas com maior suportabilidade às sobretensões transitórias.

Figura 3 O posicionamento dos captores nos sistemas fotovoltaicos também é uma medida de proteção contra surtos que deve ser considerada nos projetos

Figura 3 O posicionamento dos captores nos sistemas fotovoltaicos também é uma medida de proteção contra surtos que deve ser considerada nos projetos

As descargas atmosféricas representam um sério desafio para as usinas fotovoltaicas. Quando instaladas em locais com alta densidade de raios elas podem ser atingidas anualmente por várias descargas diretas ou indiretas.

Para reduzir essa vulnerabilidade é necessário instalar sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) e efetuar medidas de proteção de surtos (MPS) dentro das recomendações da norma ABNT NBR 5419:2015, com características apropriadas às peculiaridades de uma usina solar fotovoltaica.

Referências

ZHANG, Y.; CHEN, H. Considerations of photovoltaic system structure design for effective lightning protection. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. Maio, 2020;
Grupo de Descargas Atmosféricas (ELAT), INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais);
ABNT NBR 5419-1:2015, Proteção contra descargas atmosféricas Parte 1: Princípios gerais;
ABNT NBR 5419-2:2015 Versão Corrigida:2018, Proteção contra descargas atmosféricas Parte 2: Gerenciamento de risco;
ABNT NBR 5419-3:2015 Versão Corrigida:2018, Proteção contra descargas atmosféricas Parte 3: Danos físicos a estruturas e perigos à vida;
ABNT NBR 5419-4:2015 Versão Corrigida:2018, Proteção contra descargas atmosféricas Parte 4: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura;
ABNT NBR 16785:2019, Proteção contra descargas atmosféricas – Sistemas de alerta de tempestades elétricas;
DPS: O airbag dos sistemas fotovoltaicos;
Deixe a luz do sol iluminar a sua instalação elétrica.


Sergio Roberto Santos

Sergio Roberto Santos

Engenheiro eletricista da Lambda Consultoria. Formado pela UFRJ (Universidade Federal do Rio de Janeiro), com especialização em economia e negócios (MBA) pela UFSCAR (Universidade Federal de São Carlos). Atualmente, é mestrando em tecnologia da energia no Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo (IEE-USP).

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