Cables solares

Los cables de placas solares están compuestos por conductores de cobre que están recubiertos con una capa de aislamiento, que es resistente a los rayos UV y a la abrasión. Esta capa de aislamiento protege el cable de los daños causados por la exposición a la luz solar y a las condiciones climáticas extremas.

Además, el cable fotovoltaico está disponible en diferentes secciones S, lo que permite adaptarlo a la corriente I del sistema solar y a la distancia (longitud) que debe cubrir el cable.

Las secciones habituales de los cables en los sistemas solares domésticos son de 4 mm², 6 mm² y 10 mm².

El cable solar de 4 mm² ya es suficiente para soportar, en el caso más desfavorable de cable bajo tubo, intensidades de más de 30A.

El cable solar de 6 mm² o el cable solar de 10 mm², se usa cuando las longitudes vayan a ser grandes, para así limitar las pérdidas por caída de tensión.

Utilizar cables solares en un sistema fotovoltaico es importante porque están específicamente diseñados para soportar las condiciones extremas de clima y exposición a los rayos UV que se encuentran en los sistemas solares.

Los cables convencionales no están diseñados para soportar estas condiciones, lo que significa que pueden deteriorarse rápidamente y poner en peligro la seguridad del sistema. Por tanto, la diferencia entre cable solar y normal es muy grande.

Tipos de Cables Solares

En un cable solar, el conductor interno suele ser de cobre, que es un excelente conductor de electricidad y es resistente a la corrosión.

El aislamiento del cable suele estar hecho de materiales termoplásticos o termoestables capaces de soportar temperaturas de hasta 90-105˚C de forma permanente, como el polietileno reticulado (XLPE), el policloruro de vinilo (PVC) mejorado o el etileno-propileno-dieno monómero (EPDM).

Estos materiales tienen propiedades de aislamiento eléctrico y térmico, así como una resistencia superior a la abrasión y los rayos UV.

Hay una gran cantidad de fabricantes de cables solares. Se han popularizado mucho los cables H1Z2Z2-K y los cables AWG.

Cables solares H1Z2Z2-K

El PVC designado como Z2 es un compuesto reticulado termoestable que puede soportar temperaturas permanentes de hasta 90˚C.

El significado del cable H1Z2Z2-K es:

H1: cable armonizado con las normas europeas para tensión nominal de 1,5 kV de corriente continua CC.

Z2: aislamiento de compuesto reticulado, de baja emisión de humos y libre de halógenos para temperaturas de hasta 90°C.

Z2: cubierta exterior de compuesto reticulado, de baja emisión de humos y libre de halógenos, resistente a rayos UV, para temperaturas de hasta 90°C.

K: flexible de varios alambres finos para instalaciones fijas, de clase 5.

Cables solares AWG

El aislamiento puede variar según el fabricante, pudiendo ser de silicona, XLPE, EPR, etc. Están diseñados para ser duraderos y resistentes a la intemperie.

El AWG se basa en un sistema numérico, donde un número menor indica un cable de mayor diámetro. Los números AWG comunes utilizados en instalaciones solares son 14, 12 y 10 AWG:

- Cable 14 AWG: es el más delgado de los tres, con una sección de 2,1mm². Puede manejar hasta 15A de corriente continua.

- Cable 12 AWG: es más grueso que el 14 AWG, con una sección de 3,3mm². Puede manejar hasta 20A de corriente continua. Si se necesita un cable solar de 4 mm², se podría considerar el uso de un cable.

- Cable 10 AWG: es el más grueso de los tres, con una sección de 5,3mm². Puede manejar hasta 30A de corriente continua. Si se necesita un cable solar de 6 mm², se podría considerar el uso de un cable.

Los cables AWG solares se suelen fabricar en cobre y están recubiertos de una capa de aislamiento para protegerlos de la exposición a la luz solar directa, la lluvia y otros elementos, lo que los hace ideales para su uso en instalaciones al aire libre.

Compra de Cables Solares

A continuación, podemos ver el precio de los cables solares de diferentes fabricantes, que tienen buenas valoraciones de los usuarios. Podemos encontrar simplemente cable solar, o bien, cable con conectores solares ya montados, para mayor comodidad.

Cálculo de Cables de los Paneles Solares

Un cálculo preciso de la sección del cableado ayuda a minimizar las pérdidas de energía y la caída de tensión, lo que a su vez mejora la eficiencia y el rendimiento general del sistema.

Criterios para Calcular la Sección de Cable de los Paneles

La sección de cualquier conductor, debe seleccionarse de acuerdo a 3 criterios: calentamiento, caída de tensión y cortocircuito.

Calentamiento o Corriente Máxima Admisible Iz

El aislamiento del cable debe soportar la corriente I que vaya a atravesar el conductor de forma permanente.

Una vez seleccionada la sección S del conductor, deberíamos comprobar que la corriente máxima admisible Iz de esa sección es superior a la corriente I que va a pasar a través del conductor.

Caída de Tensión Máxima Admisible

El conductor no debe superar una determinada caída de tensión ΔV para evitar pérdidas excesivas de energía. La caída de tensión va a verse incrementada proporcionalmente con la longitud del cable L y a la corriente I.

Esta sección se obtiene aplicando una fórmula de la sección en función de la caída máxima permitida. La fórmula a aplicar depende de varios parámetros eléctricos, así como de si la instalación es de corriente continua o corriente alterna.

Cortocircuito

El aislamiento del cable debe soportar la corriente previsible de cortocircuito Icc en caso de unión accidental entre conductores de diferente polaridad.

Este último criterio no es importante en los cables que unen los paneles solares, puesto que la corriente de cortocircuito que se puede producir en ellos, es ligeramente superior a la corriente máxima que proporcionan.

En cualquier caso, la sección a instalar sería la mayor obtenida por los criterios anteriores.

Secciones en Instalaciones Domésticas o Comerciales Fotovoltaicas

En las instalaciones domésticas o comerciales, que son para potencias moderadas y pequeñas longitudes, los cables utilizados para la conexión de los paneles suelen ser de secciones de 4 mm² o de 6 mm².

Los cables de 4 mm², instalados directamente sobre la pared o suelo, bajo tubo, tienen corrientes máximas admisibles Iz superiores a 30A (hasta 40A sin tubo).

Como en este tipo de instalaciones nunca se suelen sobrepasar los 30A en corriente continua CC, el criterio que vamos a usar para seleccionar la sección adecuada será el de caída de tensión, que está relacionado principalmente con la longitud del cable.

Cálculo de la Corriente de los Paneles

Previamente al cálculo de sección, debemos conocer la corriente I de salida de los paneles fotovoltaicos:

Siendo:

I = corriente de cálculo del cable (A)

P = potencia total de los paneles, en W (suma de potencias P_N de cada panel)

V = tensión total de los paneles, en V (usualmente 12V, 24V o 48V)

Ejemplo: Si un grupo fotovoltaico dispone de 4 paneles de 12V de 150W cada uno, conectados en 2 ramas de 2 paneles serie por rama, ¿qué intensidad se obtiene del generador fotovoltaico?

Independientemente de la conexión de los paneles, la potencia siempre será la suma de todos los paneles conectados:

P = 4 x 150W = 600W

Al conectar 2 paneles de 12V en serie, se obtiene una tensión total de 24V:

La corriente de salida de los paneles será:

Cálculo de Sección por Caída de Tensión en los Paneles Solares

Y para conocer la sección de cable de los paneles, por el criterio de caída de tensión, se puede utilizar la siguiente fórmula:

Siendo:

S = sección del conductor (mm²)

L = longitud del cable (m)

I = corriente de cálculo del cable (A)

γ = conductividad del cobre a 90 ˚C (m/W×mm²). Es de 44.

ΔV = caída de tensión (V). Máxima del 3%. Es 0,36V para 12V o 0,72V para 24V.

Longitud Máxima de Cable para los Paneles Solares

Utilizando esta fórmula, si despejamos la longitud L, podremos obtener para sistemas fotovoltaicos de 12V, las siguientes longitudes máximas de cable para los paneles solares:

● Si I = 10 A,

♦ S = 4 mm², Lmáx = 3 m

♦ S = 6 mm², Lmáx = 4,7 m

♦ S = 10 mm², Lmáx = 7,9 m

● Si I = 20 A,

♦ S = 4 mm², Lmáx = 1,5 m

♦ S = 6 mm², Lmáx = 2,3 m

♦ S = 10 mm², Lmáx = 3,9 m

● Si I = 30 A,

♦ S = 4 mm², Lmáx = 1 m

♦ S = 6 mm², Lmáx = 1,5 m

♦ S = 10 mm², Lmáx = 2,6 m

En sistemas fotovoltaicos de 24V, las longitudes podrán ser del doble.

Se observa que, cuanto mayor sea la corriente y menor la sección utilizada, menor distancia podremos cubrir. Por ejemplo, un cable para placa solar 12V, 30 A y 4 mm² solo puede cubrir una distancia de 1m, mientras que otro de 12V, 10A y 10mm² podría cubrir hasta 7,9 m.

Si se incrementan las longitudes anteriores, aumentará la caída de tensión en los cables, lo que provocará mayor pérdida de energía calorífica en los cables, que no podrá ser aprovechada por el sistema.

Por tanto, utilizar un cable de menor sección siempre causará más pérdidas de energía, lo que significa que el sistema solar no funcionará de manera tan efectiva como podría hacerlo.

Problemas Causados por la Caída de Tensión

Una caída de tensión excesiva en los cables de los paneles puede provocar:

• Problemas en la carga de las baterías: si el voltaje que llega es demasiado bajo, las baterías no se cargarán correctamente. Esto puede provocar que la vida útil de las baterías se reduzca y, en el peor de los casos, que se dañen permanentemente.

• Problemas en el funcionamiento de los inversores: los inversores están diseñados para trabajar con una cierta tensión de entrada. Si la tensión que llega es demasiado baja, el inversor puede no funcionar correctamente o incluso apagarse para protegerse.

Cálculo de Cualquier Cable Solar de una Instalación Fotovoltaica

El procedimiento de cálculo de cualquier otro cable de una instalación fotovoltaica es similar al cálculo del cableado de los paneles solares.

Se deberá tener en cuenta la corriente de cálculo I o corriente que va a pasar a través del conductor. Esta será diferente según la línea que vayamos a calcular y dependerá del equipo que alimente dicha línea.

La sección a instalar será la mayor obtenida por los siguientes criterios:

Criterio de Calentamiento en los Cables Solares

Conociendo la potencia P y la tensión V del equipo que alimenta, se obtendrá la corriente I de cálculo a partir de la potencia a transportar.

Después iríamos a la tabla de la Instrucción Técnica Complementaria ITC-BT-19 del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, de corrientes admisibles Iz. En esta tabla, para diferentes tipos de instalación y cable, se puede obtener la corriente máxima admisible Iz para las diferentes secciones S comerciales de conductor.

Seleccionaríamos la sección S comercial de conductor inmediatamente superior que cumpla que su corriente máxima admisible Iz sea superior a la corriente I de cálculo que vaya a pasar por el conductor.

Criterio de Caída de Tensión en los Cables Solares

La caída de tensión máxima que se admite en estas líneas es del 3%.

Para el cálculo, se usan fórmulas de la sección en función de la caída máxima permitida. Habría que distinguir entre el circuito de CC y el circuito de CA.

• Circuito de CC: sería la parte de la instalación fotovoltaica de paneles, regulador y batería. Aplicaríamos la fórmula que hemos visto antes en el apartado de cálculo de sección por caída de tensión en paneles solares.

Siendo:

S = sección del conductor (mm²)

L = longitud del cable (m)

I = corriente de cálculo del cable (A)

γ = conductividad del cobre a 90 ˚C (m/W×mm²). Es de 44.

ΔV = caída de tensión (V). Máxima del 3%. Es 0,36V para 12V o 0,72V para 24V.

• Circuito de CA: si lo hay, sería a partir del inversor. La fórmula sería la misma, pero habría que multiplicarla por el factor de potencia FP o cos𝜑 estimado para los receptores. Aunque dependerá del tipo de receptores, generalmente se utiliza un FP = 0,9.

Si el inversor fuera de CA monofásica, la fórmula sería:

Si el inversor fuera de CA trifásica, la fórmula sería:

Seleccionaríamos la sección S comercial de conductor inmediatamente superior a la sección obtenida con la fórmula.

Criterio de Cortocircuito en los Cables Solares

En las instalaciones eléctricas generales hay que aplicar unas fórmulas específicas dependiendo del elemento de protección de cortocircuito a utilizar (magnetotérmico o fusible).

Con este criterio, se trataría de comprobar que el elemento de protección desconecte antes de que el cable resulte dañado por efecto térmico o electrodinámico cuando se produce un cortocircuito.

En el caso específico de instalaciones fotovoltaicas en instalaciones domésticas o comerciales, las corrientes de cortocircuito Icc son más limitadas que en las instalaciones convencionales.

El generador es el que va a limitar la corriente de cortocircuito. Por ejemplo, los valores de corriente de cortocircuito Icc pueden ser:

• En los paneles solares: la corriente de cortocircuito, denominada Isc, es ligeramente superior a la corriente máxima I_M del panel. Por tanto, son corrientes muy bajas.
• En las baterías solares: aunque depende de la capacidad de la batería C (Ah), la corriente de cortocircuito Icc que puede proporcionar una batería está sobre el rango de 1000 a 2000 A.
• En un grupo electrógeno: aunque puede variar según el diseño y la potencia específica de cada generador, como valor aproximado, un grupo electrógeno de 5000W, podría producir una corriente de cortocircuito en torno a los 50A.

Para estos valores de corrientes de cortocircuito, tanto los magnetotérmicos como los fusibles, son adecuados para cortar la instalación antes de que el cable sufra daños irreversibles.

Por tanto, el criterio de cortocircuito no va a ser determinante en el cálculo de sección de cables en sistemas de baja potencia como en las instalaciones fotovoltaicas de viviendas o comercios.

Seleccionaríamos la sección mayor obtenida de los criterios de calentamiento y de caída de tensión.

Elementos de Protección de una Instalación Fotovoltaica

Los elementos de protección cumplen diversas funciones, como proteger los equipos y las personas contra sobretensiones, cortocircuitos y sobrecargas, y garantizar un funcionamiento seguro y confiable del sistema en general.

Cualquier elemento de protección de una instalación se coloca delante o aguas arriba del elemento a proteger.

Es importante destacar que la selección y la instalación adecuadas de estos elementos de protección deben realizarse siguiendo las recomendaciones del fabricante.

Un diseño y una configuración adecuados de los elementos de protección garantizarán la seguridad y el rendimiento óptimo de la instalación solar fotovoltaica a lo largo de su vida útil.

En las instalaciones sencillas domésticas o comerciales, los elementos de protección básicos son el magnetotérmico y el diferencial.

No obstante, se describen los elementos de protección más comunes en una instalación solar fotovoltaica genérica:

Interruptor de Corte o Desconexión

Este dispositivo permite interrumpir el flujo de corriente en el sistema fotovoltaico para garantizar la seguridad durante el mantenimiento o en caso de emergencia.

Actúa como un interruptor principal que puede ser accionado manualmente.

Fusibles o Magnetotérmicos

Los fusibles y los magnetotérmicos se utilizan para proteger los circuitos y equipos contra sobrecorrientes (sobrecargas y cortocircuitos). Se instalan en serie con los conductores y aguas arriba.

Se abren automáticamente cuando detectan una corriente superior a la corriente de cálculo I, que supere su calibre o corriente nominal In. En ese momento, el elemento de protección interrumpirá el flujo de corriente. De esta manera, se previenen daños en los cables, inversores y otros componentes del sistema.

Dispositivos de Protección Diferencial

Los interruptores diferenciales detectan las corrientes de fuga a tierra y desconectan el circuito para prevenir riesgos de electrocución.

Estos dispositivos son especialmente importantes en instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica.

Los interruptores diferenciales siempre se sitúan en la parte de la instalación que trabaja con CA y con voltajes superiores a 48 Voltios.

Se instalan normalmente diferenciales que se actúan con una corriente de fuga alrededor de los 30 mA y un tiempo de respuesta de 50 ms, lo cual garantiza una protección adecuada para las personas y cosas.

Para que funcione el diferencial, todas las superficies metálicas y armazones, que pudieran ser tocadas por el personal o que pudieran transmitir el pulso eléctrico inducido por el rayo, deben estar conectadas a tierra mediante los sistemas normalizados para tal efecto (dispositivos con voltajes mayores a 48 Voltios).

Protección contra Sobretensiones

Los dispositivos de protección contra sobretensiones, como los pararrayos y los protectores de sobretensión, se utilizan para limitar las tensiones transitorias.

Protegen los equipos contra daños causados por rayos, descargas atmosféricas y fluctuaciones en la red eléctrica.

Sistema de Monitorización

Además de los dispositivos de protección mencionados, es recomendable contar con un sistema de monitorización que permita supervisar y detectar posibles fallos o anomalías en la instalación.

Esto puede incluir la monitorización de la tensión, la corriente, la temperatura y otros parámetros relevantes.

Actualmente, algunos elementos de la instalación fotovoltaica disponen de estos dispositivos incorporados, como ocurre con los reguladores y los inversores.

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