Uma equipe de pesquisadores da Indonésia propôs uma nova estratégia de aterramento para reduzir a sobretensão causada por raios em sistemas fotovoltaicos. O estudo identificou as posições ideais para os pontos de aterramento e avaliou diferentes configurações de conexão.
“Pesquisas anteriores geralmente protegiam os painéis solares com um sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA), composto por para-raios conectados a condutores de descida, como hastes de Franklin”, destacaram os cientistas. “Este estudo considera a possibilidade de descargas atmosféricas diretas sobre os painéis solares ou suas estruturas de suporte, mesmo quando há um SPDA instalado. Nessa situação, a corrente pode passar pelos painéis solares até o ponto de aterramento.”
Os pesquisadores desenvolveram um modelo de circuito elétrico equivalente para investigar a resposta transitória de tensão dos sistemas fotovoltaicos às descargas atmosféricas. O arranjo simulado era composto por dez painéis solares de 200 W cada, representando uma seção de uma instalação fotovoltaica de maior porte.
Com o software ATPDraw 7.2, eles modelaram as características elétricas das molduras dos módulos, das estruturas de montagem, dos condutores de aterramento e dos eletrodos, utilizando parâmetros equivalentes de resistência, indutância, capacitância e indutância mútua.
As descargas atmosféricas foram simuladas por meio de uma fonte de corrente do tipo Heidler, com amplitude de pico de 50 kA e forma de onda de impulso de 1,2/50 μs. Foram avaliadas duas configurações: aterramento direto pelas molduras dos módulos fotovoltaicos e aterramento pelas estruturas de montagem. As simulações analisaram os efeitos da resistividade do solo, da localização dos pontos de aterramento e do número de conexões sobre a distribuição das tensões transitórias.
Os pesquisadores variaram a posição dos pontos de aterramento para determinar como o caminho elétrico entre o local da descarga e a conexão de aterramento influencia os níveis de sobretensão. Também compararam configurações com um e dois pontos de aterramento para avaliar os benefícios de conexões adicionais.
O modelo considerou as molduras metálicas dos módulos fotovoltaicos interligadas eletricamente e avaliou as diferenças de tensão em relação a um potencial de referência. Não foram considerados mecanismos de danos físicos nem diferenças de potencial envolvendo os condutores de potência dos módulos e os inversores.
Os resultados mostraram que o aumento da resistividade do solo de 30 Ωm para 3.000 Ωm elevou significativamente os níveis de tensão transitória nas duas configurações. Com menor resistividade, as tensões mais elevadas ocorreram próximas ao ponto de injeção da corrente do raio. Já com resistividade de 3.000 Ωm, os maiores valores se deslocaram para a conexão de aterramento.
Em geral, o aterramento pelas estruturas de montagem resultou em tensões máximas menores, devido à menor resistência elétrica desse caminho.
Com resistividade do solo constante de 30 Ωm, as tensões máximas variaram de 1,97 MV a 2,64 MV no aterramento pelas molduras e de 2,14 MV a 2,43 MV no aterramento pelas estruturas de montagem, dependendo da localização da conexão.
Nas duas configurações, posicionar o ponto de aterramento mais próximo do local da descarga minimizou as tensões de pico. Isso ocorre porque o caminho de escoamento da corrente se torna mais curto, reduzindo sua impedância.
A introdução de um segundo ponto de aterramento reduziu ainda mais as tensões transitórias: de 47,5% a 54,8% no aterramento pelas molduras e de 43,2% a 50,7% no aterramento pelas estruturas de montagem.
Os pesquisadores atribuíram essa melhora à redução da impedância de aterramento e à dissipação mais eficiente da corrente do raio. A corrente de pico simulada atingiu 48,78 kA, valor que, segundo os autores, está dentro dos limites de segurança da norma IEEE Std 80, guia do IEEE para aterramento seguro de subestações de corrente alternada.
Os resultados indicam que a localização dos pontos de aterramento e o número de conexões exercem maior influência na redução das tensões transitórias do que a escolha entre o aterramento pelas molduras dos módulos ou pelas estruturas de montagem. Em particular, caminhos de descarga mais curtos, menor resistência de aterramento e múltiplas conexões podem melhorar substancialmente o desempenho do sistema.
De modo geral, o estudo destaca a importância do posicionamento estratégico dos pontos de aterramento, das condições de resistividade do solo e do aterramento multiponto para reduzir a sobretensão provocada por raios e aumentar a confiabilidade das instalações fotovoltaicas.
A metodologia foi apresentada no artigo “Study of the selection of an individual grounding location point against direct lightning strikes on solar panel systems”, publicado na revista Results in Engineering. O grupo de pesquisa reuniu cientistas do Institut Teknologi Sepuluh Nopember e da Universitas Hasanuddin, ambos da Indonésia.
