Cómo proteger a los animales de los rayos en sistemas agrovoltaicos

Investigadores de la Universidad Técnica de Ilmenau han evaluado los riesgos relacionados con los rayos en sistemas agrovoltaicos integrados con la ganadería y han propuesto diversas estrategias de mitigación y medidas de protección para reducir los riesgos para los animales.

«Los desarrolladores de proyectos son generalmente conscientes de que los rayos pueden suponer riesgos para el ganado, sobre todo porque ya se han implementado medidas de protección contra rayos en instalaciones agrícolas como los establos», declaró a pv magazine la autora correspondiente de la investigación, Kamila Costa. Sin embargo, en los sistemas agrovoltaicos la situación es más específica. Si bien no se espera que las instalaciones fotovoltaicas aumenten la probabilidad de impacto de rayos en comparación con campos abiertos, sus estructuras de montaje conductoras pueden modificar la distribución del potencial de tierra durante un impacto. Como resultado, pueden producirse tensiones de paso y de contacto peligrosas en lugares que, de otro modo, permanecerían inafectados en un escenario de campo abierto.

Costa explicó que evaluar la seguridad del ganado frente a los rayos sigue siendo complejo, ya que existen datos científicos limitados sobre la tolerancia de los animales a las corrientes de impulso y a las tensiones de paso y de contacto relacionadas con los rayos, y actualmente no se dispone de valores estandarizados. «En nuestro trabajo, proponemos valores de referencia para el ganado en condiciones de rayos; sin embargo, estos límites no están estandarizados, lo que dificulta los enfoques de diseño sistemático», añadió.

También afirmó que, hasta la fecha, no se han reportado incidentes relacionados con rayos que afecten al ganado en plantas agrovoltaicas. «La agrovoltaica es aún un concepto emergente en muchos países, y los proyectos a gran escala integrados con la ganadería son relativamente recientes», añadió. «Nuestra intención es preventiva: identificar y cuantificar los riesgos potenciales antes de que ocurran accidentes. Un rayo severo que afecte a un grupo de ganado podría resultar en pérdidas económicas significativas para los agricultores y potencialmente socavar la aceptación pública de los conceptos agrovoltaicos. La consideración temprana de la seguridad contra rayos ayuda a fortalecer la fiabilidad y la viabilidad a largo plazo».

El impacto en los costos de las medidas adicionales destinadas a reducir los riesgos de rayos para los animales dependerá de la evaluación de riesgos específica del proyecto y del diseño inicial. “Las medidas de protección contra rayos personalizadas, como los sistemas optimizados de puesta a tierra o el uso selectivo de medidas de aislamiento o de capa superficial local en zonas críticas, pueden incrementar el coste del propio sistema de protección contra rayos”, afirmó Costa. “Sin embargo, con un diseño optimizado y específico para cada sitio, se espera que el impacto en el coste normalizado de la energía (LCOE) sea limitado. Uno de los objetivos de nuestra investigación es precisamente apoyar soluciones técnicamente eficaces y económicamente proporcionadas, garantizando la seguridad sin imponer costes innecesarios”.

En el estudio “Lightning protection in agrivoltaic systems: Assessment of step and touch voltages tailored to livestock” (Protección contra rayos en sistemas agrovoltaicos: Evaluación de tensiones de paso y contacto adaptadas al ganado), publicado en Electric Power System Research, Costa y sus colegas identificaron los principales mecanismos de lesión por rayos que afectan al ganado, establecieron límites seguros de tensión de paso y contacto en condiciones representativas de descarga de rayos y evaluaron los diseños de sistemas de puesta a tierra (ETS) para reducir las tensiones peligrosas en las instalaciones agrovoltaicas.

Los investigadores observaron que, durante las tormentas eléctricas, el acceso humano a las plantas fotovoltaicas está restringido, pero el ganado permanece en los sistemas agrovoltaicos y requiere medidas de seguridad específicas. Si bien los paneles fotovoltaicos no aumentan la probabilidad de impacto de rayos, sus estructuras conductoras pueden redistribuir los potenciales de tierra, creando tensiones de paso y de contacto peligrosas incluso en lugares alejados del punto de impacto. El ganado es especialmente vulnerable debido a su tamaño corporal, postura y tendencia a agruparse cerca de soportes metálicos. Los principales mecanismos de lesión incluyen la tensión de paso, la tensión de contacto, los rayos laterales, los impactos directos, las corrientes ascendentes y los efectos de impactos cercanos.

Evaluar la seguridad del ganado frente a los rayos es un desafío debido a la escasez de datos sobre la tolerancia de los animales a las tensiones de paso y de contacto impulsivas. Para abordar esto, el equipo derivó valores de referencia de las normas IEC e IEEE. Evaluaron tres formas de onda de rayos representativas, estimaron corrientes tolerables con base en datos experimentales para terneros y aplicaron valores conservadores de impedancia corporal. A partir de estos cálculos, determinaron las tensiones de paso y de contacto efectivas admisibles para diferentes vías de corriente. Se derivaron los límites de voltaje prospectivos considerando la resistencia de puesta a tierra de las pezuñas, lo que demostró que una mayor resistividad del suelo aumenta significativamente los voltajes de fuente admisibles.

El grupo también evaluó si un sistema fotovoltaico de transición (ETS) convencional puede proteger al ganado en una instalación agrovoltaica con ganado en pastoreo. Se modeló un sitio real para evaluar los voltajes de paso y contacto y explorar posibles mejoras de seguridad. Las simulaciones utilizaron XGSLab con módulos de dominio de frecuencia y tiempo basados en el método PEEC para calcular el aumento del potencial de tierra y las respuestas transitorias. Las estructuras de montaje fotovoltaico, la red del ETS y las cercas se modelaron con geometrías definidas, configuraciones de conexión y formas de onda de rayos LPL III. Se consideraron dos condiciones de suelo homogéneas (húmedo y seco), incluyendo el comportamiento dependiente de la frecuencia, para evaluar su impacto en la distribución de voltaje.

Combinando los resultados de XGSLab con un algoritmo basado en Python, el equipo también calculó los voltajes de paso y contacto prospectivos, considerando la altura del animal, la distancia de paso y las estructuras contactables. Los análisis en los dominios de frecuencia y tiempo mostraron que los rayos que caen cerca de los bordes de los sistemas agrovoltaicos producen el mayor aumento del potencial de tierra y las mayores áreas de riesgo. Las tensiones de contacto representan mayores riesgos que las tensiones de paso, especialmente bajo suelo seco y cerca de elementos conductores como estructuras de montaje y cercas.

El estudio también destacó que la resistividad del suelo y la conexión a tierra de las cercas afectan significativamente la distribución de la tensión. Los suelos de baja resistividad reducen las tensiones, mientras que las cercas conectadas pueden aumentar los riesgos de contacto. Los resultados en el dominio del tiempo coincidieron estrechamente con los patrones en el dominio de la frecuencia, pero las simulaciones en el dominio de la frecuencia demostraron ser conservadoras, más rápidas y eficaces para identificar zonas de riesgo y orientar las estrategias de mitigación.

«En general, los diseños convencionales de ETS optimizados para la seguridad humana podrían no proteger adecuadamente al ganado en entornos agrovoltaicos», concluyeron los científicos. «Nuestros hallazgos resaltan la necesidad de normas de seguridad contra rayos específicas para animales y prácticas integradas de diseño de conexión a tierra adaptadas a los sistemas agrovoltaicos».

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