Cómo adaptar una caja combinadora fotovoltaica a su campo solar: Explicación de los valores nominales de corriente y tensión

Un campo solar es un sistema perfectamente ajustado en el que todos los componentes deben funcionar en armonía. Sin embargo, uno de los componentes más importantes, la caja del combinador fotovoltaico, a menudo se malinterpreta y se dimensiona incorrectamente. Una caja combinadora inadecuada no es sólo un punto de ineficiencia; es un fallo catastrófico a punto de producirse. Los circuitos sobrecargados, los componentes fundidos e incluso los incendios eléctricos pueden ser el resultado de una tensión y corriente inadecuadas. No se trata sólo de cumplir la normativa; se trata de la seguridad, la longevidad y el rendimiento de toda su inversión solar.

Esta guía proporciona una explicación exhaustiva, a nivel de ingeniería, de cómo adaptar perfectamente una caja combinadora fotovoltaica a su campo solar. Vamos a caminar a través de los cálculos esenciales de conformidad con NEC, tanto para el voltaje y la corriente, explorar los errores comunes a evitar, y mostrar cómo la elección de un componente de alta calidad como una caja de conexiones CNKUANGYA puede asegurar que su sistema funcione de forma segura y fiable durante décadas.

Comprender los parámetros eléctricos clave: El lenguaje de sus paneles solares

Antes de dimensionar cualquier componente, debe comprender el lenguaje de la “ficha técnica” eléctrica de los propios módulos solares. Estos valores son la base de todos los cálculos que realice. Intentar dimensionar una caja combinadora sin ellos es como intentar navegar sin un mapa.

Utilicemos como ejemplo un panel solar típico de alto rendimiento:

Ejemplo de ficha técnica de un panel solar

• Modelo: CNK-M450
• Potencia máxima (Pmax): 450 W
• Tensión a máxima potencia (Vmpp): 41.5 V
• Corriente a máxima potencia (Impp): 10.85 A
• Tensión en circuito abierto (Voc): 49.8 V
• Corriente de cortocircuito (Isc): 11.4 A
• Temperatura Coeficiente de Voc: -0,25% / °C

He aquí lo que significan estos parámetros críticos para el diseño de sistemas:

• Tensión en circuito abierto (Voc): Es la tensión máxima que puede producir un solo panel solar sin carga conectada (es decir, sin estar conectado a un inversor). Es la tensión “potencial” del panel en condiciones de prueba estándar (STC). Voc es la piedra angular de todos los cálculos de tensión de seguridad. Se utiliza para determinar el número máximo de paneles que se pueden conectar de forma segura en una cadena en serie sin superar los límites de tensión de la caja combinadora o del inversor, especialmente en climas fríos.
• Corriente de cortocircuito (Isc): Es la corriente máxima que puede producir un panel cuando sus terminales positivo y negativo están en cortocircuito. Representa la corriente más alta que puede generar el panel en condiciones de prueba estándar. Isc es la piedra angular de todos los cálculos de corriente de seguridad. Se utiliza para determinar el valor nominal necesario para los dispositivos de protección contra sobrecorriente (OCPD), como fusibles o disyuntores, dentro de la caja del combinador.
• Tensión a máxima potencia (Vmpp) e Intensidad a máxima potencia (Impp): Estos valores representan la tensión y la corriente que produce un panel cuando funciona a su máxima eficiencia, o “punto de máxima potencia”. Aunque son cruciales para las predicciones de rendimiento energético y la adaptación del inversor (MPPT), son no utilizado para dimensionar los componentes de seguridad (fusibles, disyuntores, cables) de su caja combinadora. Para los cálculos de seguridad, siempre diseñamos para los peores escenarios, que están representados por Voc e Isc.

Una vez definidos estos parámetros fundamentales, podemos pasar a la primera mitad de la ecuación de dimensionamiento: ajustar la tensión.

Parte 1: Adecuación de las tensiones nominales para la seguridad y la conformidad

El primer y más importante paso para caja combinadora es garantizar que su tensión nominal pueda soportar la tensión máxima posible del sistema solar. Esto no viene determinado por el Voc estándar del panel, sino por su Voc ajustado a la temperatura más fría posible en el lugar de instalación. ¿Por qué? Porque la tensión del panel solar aumenta a medida que disminuye la temperatura. Ignorar esto puede provocar tensiones que superen los valores nominales de los componentes, causando fallos en el aislamiento y creando un grave peligro para la seguridad.

El Código Eléctrico Nacional (NEC) aborda esta cuestión en Artículo 690.7, que exige que la tensión del sistema se calcule para la temperatura ambiente más baja prevista.

Cálculo paso a paso del dimensionamiento de la tensión

Diseñemos una cadena para un lugar con una temperatura mínima récord de -10°C (14°F), utilizando nuestro panel de 450W de muestra (Voc = 49,8V, Coeff. Temp. = -0,25%/°C). Las condiciones de prueba estándar (STC) son 25°C.

Paso 1: Determinar la diferencia de temperatura
Calcula la diferencia entre STC y tu temperatura mínima récord.

• Delta de temperatura (ΔT) = 25°C - (-10°C) = 35°C

Paso 2: Calcular el porcentaje de aumento de tensión
Multiplica el delta de temperatura por el coeficiente de temperatura Voc del panel.

• Aumento de tensión % = 35°C × 0,25%/°C = 8,75% o 0,0875

Paso 3: Calcular el Voc corregido por temperatura (Voc_corregido)
Aumente el Voc estándar en el porcentaje calculado. Este es el verdadero voltaje máximo que un solo panel puede producir en el día más frío.

• Voc_corregido = 49,8V × (1 + 0,0875) = 49,8V × 1,0875 = 54,17V

Paso 4: Determinar el tamaño máximo de la cadena
Divida la tensión objetivo del sistema (por ejemplo, 1.000 V para muchos sistemas comerciales) por el VC corregido por panel. Redondee siempre hacia abajo al número entero más próximo.

• Paneles máximos por cadena = 1000V / 54,17V = 18,46
• Resultado: Puede instalar con seguridad un máximo de 18 paneles por cadena.

Paso 5: Calcular la tensión máxima final del sistema
Multiplique el número de paneles de su cadena por el Voc corregido para hallar la tensión de su cadena en el peor de los casos.

• Tensión máxima del sistema = 18 paneles × 54,17 V = 975,06 V

Paso 6: Seleccionar el Combiner Box
Elija una caja combinadora con una tensión nominal de CC superior a la tensión máxima calculada para su sistema.

• Opción correcta: A 1000 V CC Una caja combinadora de 600 V, como la serie CNKUANGYA CNK-CB, es la elección perfecta y segura. Una caja de 600V sería infravalorada y extremadamente peligrosa. Una caja de 1500 V también sería segura, pero podría ser demasiado grande para esta aplicación en particular, a menos que se diseñe para un sistema de mayor tensión desde el principio.

Parte 2: Correspondencia de intensidades para la protección contra sobreintensidades

Una vez controlada la tensión, hay que dimensionar los dispositivos de protección contra sobreintensidades (OCPD) y los conductores. Esto implica dos niveles: la protección de cada ramal individual y la protección de la salida principal que combina todos los ramales. Esto se rige por NEC 690.8 (Dimensionamiento de circuitos) y 690.9 (Protección contra sobrecorriente).

El principio básico es tener en cuenta el hecho de que los circuitos solares se consideran de “servicio continuo” y pueden experimentar corrientes elevadas debido a niveles de irradiación solar superiores a la norma STC de 1000 W/m². Por eso utilizamos un multiplicador “doble 125%” o 1,56.

Dimensionamiento de fusibles/disyuntores

Cada cadena que entra en la caja combinadora debe estar protegida. La fórmula es:
Capacidad mínima del fusible = Isc × 1,56

• ¿Por qué 1,56? Es el producto de dos factores de seguridad requeridos por NEC: 1,25 para el dimensionamiento de carga continua y otro 1,25 para el dimensionamiento OCPD en circuitos FV (1,25 × 1,25 ≈ 1,56). De este modo, se garantiza que el fusible no se dispare de forma molesta cuando la irradiancia es alta, sino que se funda de forma segura antes de que se supere la ampacidad del cable.

Cálculo paso a paso del fusible de cadena

Utilizando nuestro panel de muestra con Isc = 11,4A:

Paso 1: Calcular el valor mínimo del fusible

• Capacidad mínima del fusible = 11,4 A × 1,56 = 17,78 A

Paso 2: Seleccione el siguiente tamaño de fusible estándar
No puede comprar un fusible de 17,78 A. Debe redondear al siguiente tamaño de fusible de CC estándar disponible. Los tamaños de fusible de CC más comunes son 15A, 20A, 25A y 30A.

• Opción correcta: A Fusible de 20A CC es la selección correcta. Un fusible de 15 A sería demasiado pequeño y propenso a disparos molestos.

Este cálculo se repite para cada cadena conectada a la caja del combinador. Si su combinador tiene 12 entradas, necesitará 12 de estos fusibles de 20 A.

Dimensionamiento del conductor de salida principal y del disyuntor

El conductor de salida principal y su seccionador o disyuntor asociado deben estar dimensionados para manejar la corriente combinada de todas las cadenas.

Cálculo paso a paso del rendimiento principal

Supongamos que estamos diseñando un sistema con 8 cuerdas.

Paso 1: Calcular la corriente máxima total de la matriz
Este cálculo requiere un factor de seguridad de 1,25 en la suma de todas las corrientes de cadena.

• Corriente máxima total = (número de cadenas × Isc) × 1,25
• Corriente máxima total = (8 cadenas × 11,4A) × 1,25 = 91,2A × 1,25 = 114A

Paso 2: Seleccione la capacidad del disyuntor/interruptor principal
El disyuntor de salida o el seccionador con fusible debe tener una capacidad nominal de al menos este valor. Se elegirá el siguiente tamaño estándar superior.

• Opción correcta: El siguiente tamaño de disyuntor estándar a partir de 114 A suele ser 125A. Así que usted seleccionaría una caja combinadora equipada con un Disyuntor principal de 125 A. Los conductores de salida se dimensionarían entonces para tener una ampacidad de al menos 114 A, siguiendo las tablas de ampacidad de cables NEC.

Una caja combinadora de calidad de CNKUANGYA está prediseñada con barras colectoras del tamaño adecuado para manejar estas corrientes combinadas sin sobrecalentamiento, lo que garantiza una transición segura y eficiente de la energía.

Tablas de dimensionamiento crítico de referencia rápida

Para agilizar el proceso de diseño, he aquí algunas tablas de referencia rápida basadas en los principios expuestos.

Tabla 1: Ejemplos de dimensionamiento de tensión (sistema objetivo de 1000 V)

Tabla 2: Ejemplos de dimensionamiento de fusibles de string

Tabla 3: Ejemplos de dimensionamiento de contactos principales/disyuntores del combinador

5 errores comunes de dimensionamiento que hay que evitar

Incluso los profesionales experimentados pueden cometer errores. He aquí cinco errores comunes que vemos sobre el terreno y por qué son tan peligrosos:

1. Ignorar la corrección de temperatura para Voc: Dimensionar los strings en función del STC Voc del panel es una receta para el desastre en cualquier clima frío. Una mañana fría y soleada puede hacer que la tensión del sistema aumente mucho más allá de los valores nominales de los componentes, provocando fallos en el inversor o un fallo catastrófico.
2. Uso de componentes de CA: Nunca utilice disyuntores o fusibles de CA en un circuito de CC. Los OCPD de CA están diseñados para extinguir un arco en el “cruce por cero” de una onda sinusoidal de CA. La CC no tiene paso por cero; una vez formado el arco, puede mantenerse y fundir el componente, la carcasa y el cableado circundante. Utilice siempre componentes diseñados explícitamente para corriente continua, como los que se encuentran en las cajas combinadoras CNKUANGYA.
3. Dimensionamiento inadecuado del conductor: Los cables que se conectan a la caja combinadora deben tener el mismo tamaño Isc x 1,56 para servicio continuo. Los cables subdimensionados se sobrecalentarán, con el consiguiente riesgo de incendio.
4. Olvidar comprobar la capacidad máxima del fusible serie del panel: Cada panel solar tiene un “valor máximo de fusible en serie” en su hoja de datos (por ejemplo, 20 A o 25 A). El fusible que seleccione en su combinador no debe superar este valor. Si lo hace, anulará la garantía del panel y podría permitir que un panel defectuoso se retroalimente y dañe otras cadenas antes de que se funda el fusible.
5. Par de apriete incorrecto y conexiones flojas: Un número sorprendente de averías tiene su origen en terminales mal apretados. Una conexión floja crea una gran resistencia, generando un calor intenso que puede fundir los bloques de terminales y provocar incendios. Utilice siempre una llave dinamométrica calibrada y siga las especificaciones del fabricante.

CNKUANGYA Estudios de casos de instalación

Caso práctico 1: Azotea residencial en un clima riguroso

• Proyecto: Un tejado residencial de 15 kW en una región de inviernos fríos y veranos calurosos.
• Desafío: Espacio limitado y necesidad de un combinador que pudiera soportar una amplia gama de temperaturas y una importante exposición a los rayos UV.
• Solución: El CNKUANGYA CNK-CB-4S-1000V, un combinador compacto de 4 cadenas en una caja de policarbonato con clasificación NEMA 4X. Su tensión nominal de 1000 V proporciona un amplio margen de tensión para los fríos inviernos, y los fusibles de CC de 20 A preinstalados se adaptan perfectamente a los paneles de 450 W utilizados. El instalador elogió la distribución espaciosa y los terminales claramente etiquetados, que redujeron el tiempo de instalación en 30%.

Caso práctico 2: Eficiencia comercial en el suelo

• Proyecto: Un sistema comercial de 200 kW montado en el suelo para una instalación agrícola.
• Desafío: El proyecto requería maximizar la eficiencia y minimizar los costes de mano de obra de instalación en docenas de cadenas.
• Solución: El equipo seleccionó el CNKUANGYA CNK-CB-16S-1500V-D. Esta caja combinadora de 16 ramales y 1500 V incluía un disyuntor de caja moldeada (MCCB) de CC de 250 A integrado como desconexión. Este diseño todo en uno eliminó la necesidad de una desconexión de CC independiente, lo que supuso un importante ahorro en costes de material y mano de obra. La arquitectura de 1500 V permitía cadenas más largas, reduciendo el número total de combinadores y la cantidad de cableado de cobre necesario para el proyecto.

Testimonios de clientes: Por qué los profesionales eligen CNKUANGYA

“Como instalador, el tiempo es oro. Es un sueño trabajar con los combinadores CNKUANGYA. Los orificios ciegos son limpios, hay mucho espacio para el radio de curvatura y los terminales son robustos. Puedo confiar en la calidad y mis instalaciones son más rápidas. No hay ninguna duda”.”
- John P., instalador jefe, Apex Solar Solutions

“Desde el punto de vista de la ingeniería, las hojas de especificaciones de CNKUANGYA son claras y sus componentes son de primera categoría. Especificé sus combinadores de 1500 V con seccionadores integrados para un proyecto a gran escala, y la reducción de los costes de equilibrio del sistema fue significativa. Sus productos son robustos, conformes y fiables”.”
- Maria E., P.E., Ingeniera eléctrica superior, Sunstone Engineering Group

“Hace cinco años instalamos una caja combinadora CNKUANGYA con nuestro sistema de montaje en suelo. Ha funcionado a la perfección en inviernos gélidos y veranos abrasadores. Saber que el corazón de nuestro conjunto solar está protegido por un componente tan duradero nos da una tranquilidad increíble.”
- David L., Granjero

Lista de comprobación de campo: Prácticas recomendadas para la instalación de cajas combinadoras

Utilice esta lista de comprobación en cada trabajo para garantizar una instalación segura, fiable y conforme a la normativa.

• Verifique el voltaje: ¿Se ha calculado la tensión máxima del sistema utilizando la temperatura mínima récord del lugar?
• Verificar clasificación del combinador: ¿Es la tensión nominal de CC de la caja del combinador superior a la tensión máxima calculada del sistema?
• Verifique la capacidad del fusible: ¿Se ha calculado el valor nominal del fusible de la cadena (Isc x 1,56) y se ha redondeado al siguiente tamaño estándar?
• Compruebe el límite de fusibles del panel: ¿El valor nominal del fusible seleccionado no supera el “Valor nominal máximo del fusible en serie” del panel?
• Verificar la clasificación de los componentes: ¿Todos los fusibles y/o disyuntores están clasificados explícitamente para CC?
• Verifique el tamaño del interruptor principal/conductor: ¿El disyuntor de salida principal y la ampacidad del cable están dimensionados para manejar al menos 125% de la corriente total combinada de la cadena?
• Compruebe la clasificación del recinto: ¿Cumple la clasificación NEMA (por ejemplo, 3R, 4X) los requisitos medioambientales del lugar de instalación?
• Apriete todos los terminales: ¿Se han apretado todas las conexiones eléctricas con el par de apriete especificado por el fabricante utilizando una herramienta calibrada?
• Conexión a tierra adecuada: ¿La caja del combinador y la barra colectora de puesta a tierra están correctamente conectadas al conductor de puesta a tierra del equipo del sistema?
• Etiquetado: ¿Está la caja del combinador claramente etiquetada según los requisitos NEC?

Conclusión: Su sistema es tan fuerte como su eslabón más débil

En un sistema solar fotovoltaico, no hay lugar para “lo suficientemente cerca”. Dimensionar correctamente su caja de conexiones fotovoltaicas no es un detalle opcional, sino que es fundamental para la seguridad, el rendimiento y la rentabilidad de su proyecto. Si aplica con diligencia las fórmulas de tensión y corriente conformes con NEC, protegerá su inversión de fallos catastróficos y se asegurará de que funcione con la máxima eficiencia.

No deje que un simple componente comprometa un sistema complejo. Elegir una caja combinadora robusta, prediseñada y certificada de un fabricante de confianza como CNKUANGYA simplifica este paso fundamental. Con materiales de alta calidad, un diseño cuidado y una gama de soluciones para cualquier tamaño de sistema, puede construir con confianza, sabiendo que su conjunto es potente y está protegido.

¿Preparado para construir una instalación solar más segura y fiable? Consulte nuestra gama completa de cajas combinadoras FV de 600 V, 1.000 V y 1.500 V o póngase en contacto con nuestro equipo de asistencia técnica para ayudarle con el diseño de su próximo sistema.