Sistemas solares fotovoltaicos e raios: preciso me preocupar?

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O Brasil é o país com maior incidência de descargas atmosféricas (raios) do mundo. De acordo com os dados do Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT), do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), 78 milhões de raios caem todos os anos no Brasil.

Apesar disso, a chance de uma pessoa morrer atingida por um raio no Brasil ao longo de sua vida é de um em 25.000. Além do risco de vida, que é a maior preocupação, existe a possibilidade de danos materiais ocasionados por descargas atmosféricas, que são mais comumente relatados por empresas e pessoas.

Diante deste cenário, é normal que pessoas se preocupem com a proteção contra raios no seu sistema solar fotovoltaico. Afinal, geralmente os módulos fotovoltaicos são instalados em telhados ou em solo, em terrenos descampados.

Então, como proteger um sistema solar fotovoltaico contra descargas atmosféricas?

Se meu sistema solar fotovoltaico for atingido por um raio o que acontece?

A garantia de performance dos fabricantes da maioria dos módulos fotovoltaicos é entre 25 a 30 anos. Caso um raio atinja os módulos fotovoltaicos eles podem ter sua performance reduzida ou até mesmo sofrer danos irreparáveis.

Por isso existem as medidas de proteção contra descargas atmosféricas e outros surtos elétricos que veremos a seguir.

Normas aplicáveis a sistema fotovoltaicos sobre equipamento de proteção de descargas atmosféricas (raios)

Tratando-se de normas brasileiras, não existe ainda uma norma técnica aplicável exclusivamente a sistemas solares fotovoltaicos. Existe a norma “ABNT NBR 5419:2015 Proteção contra descargas atmosféricas” que trata sobre o item de forma geral para qualquer tipo de edificação e também a norma “ABNT NBR 16785:20197 Proteção contra descargas atmosféricas – Sistemas de alerta de tempestades elétricas”.

Lembramos também que a instalação de sistemas fotovoltaicos deve obedecer a norma “ABNT NBR 5410, Instalações elétricas de baixa tensão”.

Com base na NBR 5419, a avaliação das medidas protetivas necessárias, parte da avaliação do risco, enquadrados pela norma em quatro modelos.

  • R1: risco de perda de vida humana
  • R2: risco de perda de serviço ao público
  • R3: risco de perda de patrimônio cultural
  • R4: risco de perda de valores econômicos

Para cada um desses riscos devem ser calculados índices. Diversos parâmetros são considerados para obter estes índices, como localização, estruturas já existentes e entre outros. Com base nos valores obtidos, a norma estipula quais medidas preventivas são necessárias para tornar os riscos menores do que o risco tolerável.  

Estes riscos e a determinação das medidas preventivas necessárias devem ser estipulados por um projetista capacitado. Ele tem condições de analisar a norma, avaliar a incidências de descargas atmosféricas na região e dimensionar o sistema de proteção mais adequado.

Além desta norma, existem normas de referência internacional que podem ser analisadas, conforme complexidade da usina fotovoltaica a ser instalada.

Tipos de descargas atmosféricas que devem ser avaliadas

Quando os riscos do item anterior são analisados, eles devem levar em consideração ao menos  5 possíveis cenários de descargas atmosféricas, são eles:

  • Descarga direta na estrutura;
  • Descargas próximas à instalação;
  • Descargas diretas a uma linha conectada a estrutura;
  • Descargas próximas a uma linha conectada a estrutura; e
  • Descargas atmosféricas em outra estrutura na qual a linha da primeira está conectada.

Também todo o entorno do sistema fotovoltaico deve ser analisado e não somente o sistema em si. Desde estruturas já existentes até o próprio meio ambiente. O sistema está em zonas descampadas? Próximos a grandes colinas? Quando tratamos de grandes sistemas fotovoltaicos, deve-se inclusive separar o sistema por zonas, para assim analisar os riscos para cada situação especificamente.

Densidade das descargas atmosféricas

Outro fator muito importante é a densidade da descarga atmosférica na região onde o sistema será instalado. O anexo F da parte 2 da NBR 5491 possui um mapa onde é possível ver estes índices. Abaixo vemos um mapa semelhante ao da norma. Percebemos que cada região possui características diferentes em relação as descargas atmosféricas.

densidade descargas atmosféricas (raios)
Imagem 1: Densidade das descargas atmosféricas (descargas atmosféricas/km2/ano). Fonte: Núcleo de Monitoramento de Descargas Atmosféricas – ELAT.

Quais são os sistemas de proteção mais comum aplicados?

Ao dimensionar um Sistema de Proteção de Descargas Atmosféricas (SPDA) e outros equipamentos de proteção contra surtos, alguns elementos de proteção devem ser considerados. Abaixo veremos os principais.

1. Sistema de aterramento

O aterramento é basicamente um sistema que funciona transmitindo qualquer carga “extra” do sistema para o solo (terra). A ideia é que toda a edificação e estrutura forme uma malha de aterramento, unindo todos os pontos que podem sofrer com descargas elétricas até a terra.

2. Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS)

O DPS também é um dispositivo que protege o sistema e seus equipamentos contra sobrecargas, sejam elas descargas atmosféricas, chaveamentos na rede elétrica (que pode ser um liga e desliga da concessionária, por exemplo) ou liga e desliga de motores elétricos.

A função do DPS é desviar o surto (sobrecargas) para a terra e deixar passar apenas a tensão que os equipamentos instalados são capazes de suportar. Ele fecha um curto circuito entre fase e terra desviando a corrente para o sistema de aterramento.

No sistema fotovoltaico deve-se ter pelo menos um DPS entre os módulos fotovoltaico e o inversor, e pelo menos um DPS entre o inversor e a rede elétrica. Dessa forma você protege tanto descargas provenientes da corrente contínua (que vem dos módulos), quanto da corrente alternada (que sai do inversor, e também vem da rede elétrica). Veja o esquema abaixo para entender.

DPS proteção sistema fotovoltaico
Imagem 2: Esquema de DPS e malha de aterramento. Fonte: adaptado de Clamper.

Alguns inversores podem vir com o DPS do fotovoltaico (DPS FV) integrado. É o caso de inversores de potência acima de 10 kWp da marca ABB, que a Ecoa Energias Renováveis comercializa. Neste caso o inversor já possui proteção interna que faz a função do DPS FV.

Em alguns sistemas fotovoltaicos o DPS FV também pode vir acoplado a String Box (equipamento que recebe todo o arranjo, cabeamento, dos módulos fotovoltaicos).

Em grandes usinas solares fotovoltaicas o equipamento que recebe o arranjo dos módulos é chamado de String Combiner, ele também pode vir com DPS do fotovoltaico já integrado.

No esquema, também mostramos o DPS do quadro medidor, que é obrigatório por norma independente do estabelecimento possuir ou não fotovoltaico.

Existem diversos modelos e classes de DPS que são comercializados, apenas um profissional habilitado poderá dimensionar a proteção mais adequada para seu sistema fotovoltaico.

3. Para-raios:

Assim como os outros equipamentos de proteção, a função do para-raios é direcionar o excesso de descargas elétrica até o solo através da malha de aterramento. A diferença é que ele funciona de forma a atrair diretamente para si as cargas elétricas que cairiam sobre os equipamentos ou a edificação, evitando o impacto direto.

Um ponto relevante é tomar muito cuidado com o posicionamento destes equipamentos, para gerarem o mínimo de sombra possível nos módulos fotovoltaicos.

para-raio sistema solar fotovoltaico
Imagem 3: para-raios em usina solar fotovoltaica.

Vale ressaltar que o uso de para-raios é mais comum em usinas de grande porte situadas em regiões onde a densidade de descargas elétricas é muito alta.

3. Outros dispositivos

Ainda podem existir outros dispositivos para ajudar a mitigar riscos e danos ocasionados por descargas elétricas. Se a planta fotovoltaica possui uma operação em larga escala, onde manutenções preventivas são mais comuns, pode ser necessário instalar sistemas de detecção e alertas de raios. Estes se enquadram na norma “NBR 16785:2019 Proteção contra descargas atmosféricas – Sistemas de alerta de tempestades elétricas”.

O objetivo destes sistemas de aviso é principalmente preservar a vida humana. Geralmente as grandes usinas fotovoltaicas são em locais abertos e pode ser necessário deslocar funcionários e outras pessoas que estejam na área para áreas abrigadas durante uma tempestade.

Diferenças mais comuns entre grandes usinas fotovoltaicas e projetos residenciais

O quanto uma usina gera de energia solar fotovoltaica está diretamente ligado, entre outros fatores, a área de captação da radiação solar, ou seja, a área dos módulos fotovoltaicos. Quanto maior a área da usina, de forma generalista, mais suscetível a descargas atmosféricas a usina estará.

Quando falamos de sistemas residenciais geralmente a instalação do sistema fotovoltaico acontece em estruturas já previamente existentes. Nestes casos um profissional habilitado deve analisar a proteção contra descargas atmosféricas já existente na edificação e projetar medidas adicionais que funcionaram em conjunto após o sistema instalado.

No geral, a malha de aterramento de sistemas fotovoltaicos para residências é conectada diretamente na malha de aterramento já existente. Lembrando que um profissional habilitado deve validar se a malha existente tem condições de receber essa conexão. Além disso, é necessário o uso de DPS antes e depois do inversor fotovoltaico, conforme descrevemos no item 2. Já o uso de para-raios em sistemas fotovoltaicos residências é extremamente raro, já que a possibilidade de o sistema receber uma descarga direta é muito baixa.

Em se tratando de grandes usinas os cuidados devem ser redobrados. Geralmente são localizadas em terrenos descampados, muitas vezes em áreas agrícolas que podem possuir maior incidência de descargas atmosféricas. Nestes casos a usina terá sua própria malha de aterramento e pode ser necessário uso de para-raios, e, também de sistemas de alerta e avisos de tempestades.

Independente do tamanho da usina fotovoltaica uma boa prática é utilizar a própria estrutura metálica da usina para levar hastes de aterramento até o solo, ajudando a dissipar sobrecargas elétricas.

Análise de custo dos sistemas de proteção versus possíveis danos ao sistema

Em todo o projeto de sistema de proteção contra descargas atmosféricas é necessário avaliar a relação entre o custo da proteção em relação as possíveis perdas com ou sem as medidas protetivas.

Por isso, não é comum vermos para-raios em sistemas residências, por exemplo. A probabilidade de um raio cair em um sistema residencial é tão pequena que não vale o investimento neste tipo de sistema protetivo. O que temos que garantir sempre é eliminar o risco de perda de vida humana.

Já para usinas maiores, como o custo de todo o projeto em si já é mais elevado, pode fazer sentido a instalação até mesmo de medidas preventivas adicionais as estipuladas por norma.

Conclusão e o que exigir de empresas que instalam sistemas fotovoltaicos

Alguns itens relevantes não foram tratados especificamente neste texto. Como por exemplo, tipo de cabeamento, infraestrutura elétrica, marca e modelo de equipamentos utilizados na instalação do sistema fotovoltaico de forma geral.

Para mitigar ao máximo os riscos de danos por descargas elétricas, além de dimensionar um correto sistema preventivo, todos os itens do sistema fotovoltaico devem ser de boa qualidade, com certificados que comprovem sua eficiência e segurança. Uma boa instalação dos componentes também é de extrema importância. De nada adianta ter sistemas de proteção, se existirem cabos mal conectados, por exemplo.

Além disso, como já comentamos, todo o entorno do sistema e estruturas pré-existentes no local e em suas proximidades devem ser considerados. A localização do sistema também é um item de extrema importância, cada região do país possui densidades diferentes de descargas atmosféricas e de forma especifica o local pode ter algo que “atraia” maior quantidade de raios, como ser próximo a grandes colinas ou em áreas descampadas.

Como cada projeto é único e específico é necessário ter ao lado, profissionais habilitados e experientes. Antes de fechar negócio questione a empresa com relação ao corpo técnico, se existem engenheiros eletricistas e outros profissionais capacitados. Exija o registro do profissional no CONFEA/CREA.

Pergunte sobre as medidas preventivas dos equipamentos e do sistema fotovoltaico. Exija certificados dos equipamentos e também um documento que comprove que a instalação foi checada e está conforme especificada em projeto.

Um bom projetista, vai além de respeitar normas técnicas, ele deve ter o discernimento de avaliar todas as possibilidades independente se previstas por norma ou não.

Se precisar de profissionais habilitados para desenvolver seu projeto, entre em contato com a Ecoa Energias Renováveis, clicando AQUI.