Subsistema de captação de descargas atmosféricas em arranjos FV
Muitos empreendedores nesse setor não investem os recursos necessários na proteção contra descargas atmosféricas
Autor: Sergio Roberto Santos3 de março de 2021junho 20th, 2022Artigos técnicos
A energia gerada por um sistema fotovoltaico é diretamente proporcional à área de superfície de seus módulos, que devem ser instalados em áreas abertas, ocupando em muitas ocasiões áreas extensas, que podem chegar a alguns quilômetros quadrados nas usinas solares de grande porte.
Uma consequência direta da grande área superficial é a grande vulnerabilidade dos sistemas fotovoltaicos às descargas atmosféricas diretas e indiretas [1], que respondem mundialmente por até 26% de todas as falhas ocorridas nessas instalações [2].
Apesar do crescimento da geração solar fotovoltaica no Brasil, muitos empreendedores nesse setor não investem os recursos necessários na proteção contra descargas atmosféricas (PDA) [3], tornando assim seus investimentos sujeitos a prejuízos que poderiam ser minimizados se esses fenômenos da natureza – significativamente frequentes no Brasil – recebessem a devida importância [4].
A ausência de medidas de proteção adequadas pode destruir ou danificar, total ou parcialmente, os sistemas fotovoltaicos, postergando o retorno do investimento em sua construção. Para que isso seja evitado é necessário divulgar ao mercado fotovoltaico informações objetivas e precisas sobre os riscos associados às descargas atmosféricas e como reduzi-los [5].
Figura 1 – Módulos fotovoltaicos destruídos pelo impacto direto de uma descarga atmosférica. Fonte: DEHN
As descargas atmosféricas causam danos às estruturas de quatro formas diferentes, conforme mostra a tabela a seguir.
Tabela 1 – Elaborada pelo autor com base na norma técnica ABNT NBR 5419-1:2015
A PDA se divide em SPDA (sistemas de proteção contra descargas atmosféricas) e as MPS (medidas de proteção contra surtos) [6] (Figura 2). O SPDA é o responsável por proteger a estrutura contra os efeitos de uma descarga atmosférica direta (S1), sendo constituído na proteção externa pelos subsistemas de captação, descida e aterramento, e na proteção interna [7] pela distância de segurança e a equipotencialização.
Como cada um desses elementos tem as suas características específicas, deve-se analisá-los, como faz a própria norma, individualmente, para depois interligá-los de forma apropriada para que tenham a eficiência que se espera de um SPDA.
Figura 2 – Estrutura da PDA. Fonte: ABNT NBR 5419:2015
Figura 3 – Formação das descargas atmosféricas. Fonte: SABA, Marcelo. INPE, Brasil
O subsistema de captação é fundamental para a proteção de uma estrutura contra os raios, porque ele é o primeiro elemento do SPDA a entrar em contato com a descarga atmosférica, evitando assim que ela atinja um objeto que não tenha a capacidade de absorver e conduzir tamanha quantidade de energia.
Os captores não atraem, capturam ou impedem os raios, eles os interceptam por serem posicionados em pontos estratégicos de uma estrutura, do qual são emitidos os líderes ascendentes que encontram os líderes escalonados que saem das nuvens, rompendo a rigidez dielétrica do ar através de saltos, origem do nome escalonados.
Como o ponto, entre vários, de onde sai o líder ascendente que se conecta ao escalonado é aquele que será atingido pelo raio, todos os possíveis locais capazes de emitir líderes ascendentes deverão ser protegidos pelos captores (Figura 3).
Essa teoria é conhecida como modelo eletrogeométrico e fundamenta o cálculo do posicionamento dos captores em uma estrutura. Segundo a norma técnica ABNT NBR 5419:2015, a probabilidade da penetração da corrente do raio em uma estrutura é sensivelmente limitada pela instalação correta de um subsistema de captação. Eles são formados pela combinação de hastes (incluindo mastros), condutores suspensos e condutores em malha (Figura 4).
Qualquer que seja a composição do subsistema de captação, todos os elementos captores deverão cumprir na íntegra as exigências da norma, sendo que é o correto posicionamento desses elementos, formando um subsistema de captação, que determinará o volume de proteção, a região do espaço protegida do impacto direto de uma descarga atmosférica. Caso sejam utilizados captores individuais, esses deverão ser interconectados ao nível da cobertura para assegurar a divisão de corrente em pelo menos dois caminhos.
Figura 4 – Mastro captor e malha de captação formando um SPDA isolado. Fonte: DEHN
Um ponto fundamental para profissionais e usuários de sistemas fotovoltaicos é a não aceitação pela norma ABNT NBR 5419:2015 da utilização de captores que se proponham a atrair os raios ou impedir que eles venham em direção ao solo.
Essa norma somente específica métodos de captação de eficiência reconhecida pela comunidade científica internacional, não reconhecendo a validade de recursos artificiais destinados a aumentar o raio de proteção dos captores ou inibir a ocorrência das descargas atmosféricas (Figura 5).
Figura 5 – Captores ESE não são aceitos pela norma ABNT NBR 5419:2015, devido à falta de comprovação de sua eficácia. Fonte: IndiaMart
Os componentes do subsistema de captação instalados na estrutura devem ser colocados prioritariamente em cantos salientes, pontas expostas e beiradas, de acordo com um ou mais dos seguintes métodos:
Método das malhas.
Segundo a norma, os métodos da esfera rolante e das malhas são adequados em todos os casos e o método do ângulo de proteção é adequado para edificações de formato simples, sendo limitado pela altura dos captores em relação ao plano de referência que ele deve proteger.
Desta forma, ao contrário do que muitos profissionais acreditam, aumentar a altura do mastro do captor não representa uma maior área protegida, podendo significar até mesmo o efeito contrário.
Em relação especificamente à proteção de sistemas fotovoltaicos, é importante observar a criação de áreas de sombreamento pelos captores nos módulos fotovoltaicos, o que pode ser evitado através da utilização de mini captores ou de mastros relativamente afastados dos módulos, em ambos os casos estudando-se previamente a relação entre eficácia da captação versus eficiência do aproveitamento da luz do Sol.
Figura 6 – O sombreamento causado pelos captores deve ser avaliado no projeto do SPDA. Fonte: DEHN
Outro aspecto importante no projeto de SPDA para sistemas fotovoltaicos é a opção entre sistemas isolados e não isolados.
Enquanto um SPDA isolado (Figura 7) não tem ligação galvânica entre seus captores e condutores de descidas e o sistema fotovoltaico, um SPDA não isolado (Figura 8) possui conexão metálica com o sistema fotovoltaico – por isso a corrente de impulso, parcela da corrente da descarga atmosférica interceptada pelo SPDA, circula pelos módulos, estruturas de suporte, cabos e inversores, que nesse caso necessitarão de medidas de proteção apropriadas para a passagem dessa corrente.
Figura 7 – SPDA isolado. A corrente do raio não passa através do SFV, sendo conduzidas por ele apenas correntes induzidas. Fonte: DEHN
Figura 8 – SPDA não isolado. A corrente do raio passa através do SFV. Fonte: Portal Universo Lambda
A eficácia de um subsistema de captação depende do correto posicionamento dos captores, colocando todo objeto que não deve ser atingido diretamente por uma descarga atmosférica dentro do seu volume de proteção.
Em relação aos sistemas fotovoltaicos em topos de prédios, a sua presença não aumentará a incidência de descargas atmosféricas nessas edificações, mas será necessário que todos os elementos do sistema fotovoltaico, principalmente os seus módulos, estejam contemplados pelo projeto do subsistema de captação.
1) HERNÁNDEZ, J. C.; JURADO, Francisco; VIDAL, P. G.; Lightning and Surge Protection in Photovoltaic Installations . IEEE Transactions on Power Delivery. Volume 23, nº4. Outubro de 2008.
2) ZHANG, Yang ; CHEN, Hongcai ;DU, Ya Ping. Considerations of Photovoltaic System Structure Design for Effective Lightning Protection. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. Maio de 2020.
3) SANTOS, Sergio. Proteção contra descargas atmosféricas em usinas fotovoltaicas. Canal Solar. Agosto de 2020. https://canalsolar.com.br/protecao-contra-descargas-atmosfericas-em-usinas-fotovoltaicas/
4) Você Sabia? Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT). Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/el.atm/perguntas.e.respostas.php
5) PINHO, João Tavares; GALDINO, Marco Antonio. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Grupo de Trabalho de Energia Solar (GTES). CEPEL, DTE, CRESESB. Março de 2014.
6) Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). ABNT NBR 5419-1:2015. Proteção contra descargas atmosféricas Parte 1: Princípios gerais. https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=333548 7) Utiliza-se a expressão proteção interna porque normalmente em edificações trata-se de elementos instalados em seu interior, ao contrário do que acontece geralmente em SFV.