Valores de corriente y tensión de la caja combinadora fotovoltaica

En un sistema solar fotovoltaico (FV), la caja combinadora desempeña un papel fundamental a la hora de consolidar la potencia y garantizar la seguridad. Es una caja de conexiones en la que se conectan en paralelo las salidas de varias cadenas solares, combinando su corriente antes de enviarla al inversor. Y lo que es más importante, alberga los dispositivos de protección contra sobrecorriente (fusibles o disyuntores) que protegen el cableado y los componentes del sistema de fallos potencialmente peligrosos.

Dimensionar correctamente su Caja combinadora FV y sus componentes internos no es sólo una buena práctica, sino un requisito fundamental para una instalación segura, fiable y conforme a la normativa. Un componente subdimensionado puede provocar riesgos de incendio, mientras que uno sobredimensionado puede no proporcionar la protección adecuada.

Esta guía le guiará a través de los pasos esenciales para hacer coincidir los valores nominales de tensión y corriente de su caja combinadora con su panel solar específico, centrándose en los requisitos establecidos en el Código Eléctrico Nacional (NEC). Cubriremos:

• Principios básicos de seguridad del artículo 690 de NEC
• Cálculo de la tensión máxima del sistema en función de las condiciones del emplazamiento
• Dimensionamiento de los fusibles de ramal de CC y de la protección principal contra sobreintensidades
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La base: Comprender el artículo 690 del NEC

Para cualquier instalación fotovoltaica en Estados Unidos, el artículo 690 del NEC es la máxima autoridad. Esta sección del código está dedicada específicamente a los sistemas fotovoltaicos solares y aborda las características únicas y los peligros potenciales de la generación de energía de CC. Proporciona el marco para todo, desde el cableado y la conexión a tierra hasta los medios de desconexión y la protección contra sobrecorriente. Cumplir el artículo 690 es esencial para garantizar que su sistema sea seguro y pase la inspección.

Parte 1: Adaptación de la tensión del sistema fotovoltaico

El primer y más importante parámetro a determinar es la tensión máxima del sistema. Todos los componentes de un circuito, desde los cables hasta los fusibles y la propia caja combinadora, deben tener una tensión nominal igual o superior a la tensión máxima que podrían experimentar.

En un sistema fotovoltaico, la tensión máxima viene determinada por el número de módulos de una cadena en serie y su tensión en circuito abierto (Voc), que figura en la ficha técnica del módulo. Sin embargo, la tensión es inversamente proporcional a la temperatura; la tensión de un panel solar es máxima en el día más frío posible. NEC le obliga a calcular la tensión máxima para la temperatura ambiente más baja prevista en su emplazamiento.

Cómo calcular la tensión máxima del sistema:

1. Encuentra el Voc: Consulta la tensión en circuito abierto (Voc) en la ficha técnica de tu módulo solar.
2. Determinar la temperatura más baja: Busque la temperatura mínima récord de su localidad. A menudo puedes encontrarla en los datos meteorológicos locales o en las tablas de temperatura de diseño de ASHRAE.
3. Hallar el factor de corrección de la temperatura: La hoja de datos del módulo proporcionará un coeficiente de temperatura para Voc, expresado como porcentaje o V/°C. Utilícelo para hallar el factor de corrección para su temperatura más baja en relación con la temperatura de la condición de prueba estándar (STC) de 25°C. El NEC proporciona tablas en 690.7 para un cálculo simplificado.
4. Calcular Voc. corregido Voc corregido = Voc × [1 + (Temp más baja °C - 25°C) × (Coeficiente Voc Temp %/°C)].
5. Calcule la tensión máxima del sistema: Tensión máxima del sistema = Voc corregido × Número de módulos en serie

Ejemplo:

• Vocal del módulo: 48,5 V
• Temperatura mínima del emplazamiento: -10°C
• Número de módulos por cadena: 12
• Coeficiente de temperatura Voc: -0,28%/°C
• Voc corregido = 48.5V × [1 + (-10 - 25) × (-0.0028)] = 48.5V × [1 + (-35 × -0.0028)] = 48.5V × 1.098 = 53.25V
• Tensión máxima del sistema = 53.25V × 12 = 639V

En este caso, el sistema requiere una caja combinadora, fusibles y disyuntores de al menos 639V. Por lo tanto, debería seleccionar componentes de una clase estándar de 1000 V CC, ya que los componentes de 600 V serían insuficientes.

Segunda parte: Caja combinadora FV Dimensionamiento y fusibles de CC

Tras determinar la tensión nominal, el siguiente paso es dimensionar los dispositivos de protección contra sobrecorriente (OCPD), que suelen ser fusibles. El objetivo principal de los fusibles de cadena es proteger contra la corriente inversa. Un fallo en un ramal puede hacer que otros ramales se retroalimenten, creando una situación de sobrecorriente peligrosa.

Según la norma NEC 690.9, los fusibles a nivel de cadena son necesarios siempre que haya tres o más cadenas en paralelo. Con sólo dos cadenas, el potencial de corriente inversa no es lo suficientemente alto como para superar el valor nominal del fusible del módulo, por lo que los fusibles no son requeridos por el código (aunque todavía se utilizan a veces como un medio de desconexión).

Cómo dimensionar los fusibles de hilo:

El NEC exige que el fusible esté dimensionado para soportar el servicio continuo y los posibles picos de irradiancia. Esto se consigue multiplicando la corriente de cortocircuito (Isc) del módulo por un factor de 1,56.

• Factor 1,25 para carga continua (circuitos que pueden funcionar durante más de 3 horas).
• Factor 1,25 para un posible “aumento de la irradiancia” cuando la exposición al sol pueda superar la norma de 1000 W/m².
• 1.25 × 1.25 = 1.56

Fórmula de clasificación de fusibles: Capacidad mínima del fusible ≥ Isc del módulo × 1,56

Una vez calculado este mínimo, se selecciona el tamaño de fusible estándar inmediatamente superior.

Limitación crucial: Capacidad máxima de los fusibles en serie\
Cada módulo solar tiene un “valor máximo de fusible en serie” indicado en su ficha técnica. Este valor es un límite absoluto. El tamaño del fusible calculado no debe superar esta capacidad. Si es así, el diseño del sistema es defectuoso, lo que significa que el módulo elegido no puede utilizarse con tantas cadenas en paralelo.

Ejemplo:

• Módulo Isc: 10.5A
• Capacidad máxima del fusible serie del módulo: 20 A
• Capacidad mínima del fusible = 10.5A × 1.56 = 16.38A

Basándose en este cálculo, elegiría la siguiente talla estándar, que es una 20A fusible. Dado que 20 A es igual a la capacidad máxima del fusible en serie del módulo, se trata de una selección válida. Si el cálculo hubiera dado como resultado 21A, no se podría utilizar un fusible de 25A, y habría que reevaluar el diseño.

Parte 3: Coordinación de la protección contra sobreintensidades

La coordinación de la protección garantiza que, en caso de fallo, se abra primero el OCPD correcto. Si se produce un fallo en una sola cadena, el fusible de la cadena individual debe fundirse, aislando sólo esa cadena sin desconectar todo el grupo. El OCPD principal en la salida de la caja del combinador sólo debe dispararse si se produce un fallo importante en los conductores principales que conducen al inversor.

Esto se consigue asegurando que el dispositivo aguas abajo tenga una potencia inferior a la del dispositivo aguas arriba.

Preguntas más frecuentes (FAQ)

¿Necesito fusibles sólo para dos cadenas en paralelo?\
No. Según NEC 690.9, la protección contra sobrecorriente sólo es necesaria cuando hay tres o más cadenas en paralelo. Con dos cadenas, la corriente de fallo máxima que una cadena puede transmitir a la otra está limitada a la Isc de una cadena, que es inferior a la capacidad máxima del fusible del módulo.

¿Puedo utilizar fusibles o disyuntores de CA para circuitos de CC?\
No, debe utilizar componentes específicamente diseñados para circuitos de CC. Los arcos de CC son mucho más difíciles de extinguir que los de CA. Es probable que un dispositivo para CA no pueda interrumpir de forma segura un fallo de CC, lo que supondría un riesgo importante de incendio y de seguridad.

¿Qué ocurre si instalo un fusible de tamaño incorrecto?

• Demasiado pequeño: El fusible estará sujeto a “disparos molestos”, saltando en condiciones normales de funcionamiento (por ejemplo, en un día fresco y muy soleado), causando un tiempo de inactividad innecesario del sistema.
• Demasiado grande: Un fusible demasiado grande (especialmente uno que supere la capacidad máxima del fusible serie del módulo) no protegerá al módulo de las corrientes inversas dañinas. Esto puede provocar el fallo del módulo y crea un riesgo de incendio.

¿Por qué se utiliza el multiplicador 1,56 para el dimensionamiento?\
Es un factor de seguridad combinado exigido por el NEC. Consiste en dos multiplicadores separados de 1,25: uno para tener en cuenta el hecho de que los circuitos solares se consideran “cargas continuas” (que funcionan a la corriente máxima durante más de 3 horas), y un segundo para tener en cuenta los niveles de irradiación que pueden superar las condiciones de prueba estándar, haciendo que la corriente aumente temporalmente por encima de la Isc nominal. (1.25 x 1.25 = 1.56).

¿Qué es el “valor máximo de fusible serie” de un módulo?\
Se trata de una clasificación de seguridad determinada por el fabricante del módulo y certificada por UL. Especifica la corriente máxima que el módulo puede soportar sin sufrir daños cuando se ve sometido a una corriente inversa. Nunca debe instalar un fusible u OCPD con un valor nominal superior a este valor.

Conclusión

Adaptar los valores nominales de corriente y tensión de un combinador fotovoltaico es un proceso sistemático guiado por principios de ingeniería y las estrictas normas de seguridad del NEC. Las principales conclusiones son:

1. Primero la tensión: Determine siempre la tensión máxima del sistema utilizando la temperatura más baja prevista para su emplazamiento. Todos los componentes deben ser aptos para esta tensión.
2. Segundo actual: Dimensione los fusibles de serie en función de la Isc del módulo y del multiplicador 1,56x, pero sin superar nunca la capacidad máxima del fusible de serie del módulo.
3. El código es la clave: En caso de duda, consulte el artículo 690 de NEC y las hojas de datos del fabricante de todos los componentes.

Siguiendo estas directrices, puede asegurarse de que el tamaño de la caja del combinador de su campo solar sea seguro, fiable y profesional, formando una base sólida para todo su sistema fotovoltaico.