Diseño eléctrico del proyecto fotovoltaico: strings, protecciones y conductores

Objetivo del diseño eléctrico

El diseño eléctrico de un sistema fotovoltaico convierte el “campo FV” (módulos) en una fuente DC segura y compatible con el inversor, y define cómo se entrega energía en AC cumpliendo límites de tensión/corriente, protecciones, caída de tensión, canalizaciones y criterios de inspección. En la práctica, el diseño se resume en: (1) configurar strings, (2) verificar compatibilidad con MPPT e inversor, (3) dimensionar conductores y canalizaciones, (4) definir protecciones DC/AC y puesta a tierra, (5) documentar con unifilar y rotulación.

1) Configuración de strings (serie/paralelo) paso a paso

1.1 Datos que necesitas (hojas técnicas)

• Módulo FV: Voc (tensión circuito abierto), Vmp (tensión a máxima potencia), Isc (corriente de cortocircuito), Imp (corriente a máxima potencia), coeficientes de temperatura de Voc y Vmp (normalmente %/°C), potencia, tipo de conector, temperatura máxima del cable del módulo.
• Inversor: tensión DC máxima, rango de MPPT (mín–máx), corriente máxima por MPPT, número de MPPT y entradas, potencia DC admisible, y si admite sobredimensionamiento DC.
• Condiciones de diseño: temperatura mínima ambiente (para peor caso de Voc) y temperatura máxima de operación del módulo (para peor caso de Vmp bajo calor).

1.2 Elegir módulos en serie (Ns): verificación por tensión

El número de módulos en serie define la tensión del string. Debes cumplir simultáneamente:

• Límite superior: Voc_string_frío < Vdc_max_inversor.
• Rango MPPT: Vmp_string_caliente debe quedar dentro del rango MPPT (y preferiblemente no pegado al borde inferior).

Cálculo práctico (aproximación común):

• Voc_frío ≈ Voc_STC × [1 + |coef_Voc| × (Tmin - 25°C)]
• Vmp_caliente ≈ Vmp_STC × [1 - |coef_Vmp| × (Tcell_max - 25°C)]
• Voc_string_frío = Ns × Voc_frío
• Vmp_string_caliente = Ns × Vmp_caliente

Ejemplo: módulo Voc=49 V, Vmp=41 V, coef Voc=-0,28%/°C, coef Vmp=-0,35%/°C. Inversor: Vdc_max=1000 V, MPPT 200–850 V. Condiciones: Tmin=-5°C, Tcell_max=70°C.

• Voc_frío ≈ 49 × [1 + 0,0028 × ( -5 - 25)] = 49 × (1 + 0,084) ≈ 53,1 V
• Vmp_caliente ≈ 41 × [1 - 0,0035 × (70 - 25)] = 41 × (1 - 0,1575) ≈ 34,5 V
• Si Ns=18: Voc_string_frío≈ 18×53,1=956 V (OK < 1000 V) y Vmp_string_caliente≈ 18×34,5=621 V (OK dentro de 200–850 V).

1.3 Elegir strings en paralelo (Np): verificación por corriente

La corriente del string la fija el módulo (en serie la corriente no suma; en paralelo sí). Debes cumplir:

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• Corriente por MPPT: I_total_MPPT ≤ Imax_MPPT_inversor.
• Capacidad de conectores, cajas y conductores: la suma de corrientes en el tramo común (salida de caja combinadora o entrada al inversor) debe estar por debajo de la corriente admisible del cable y del dispositivo de protección.

Regla práctica: para dimensionamiento conservador en DC se usa Isc (y factores normativos según reglamento local). Como guía de ingeniería, calcula:

• I_string ≈ Isc (peor caso)
• I_total = Np × I_string

Ejemplo: si Isc=13 A y conectas Np=2 strings al mismo MPPT: I_total≈26 A. Si el MPPT admite 30 A, es compatible.

1.4 Compatibilidad con número de entradas y reparto por MPPT

Si el inversor tiene 2 MPPT, conviene repartir strings para minimizar desbalance y aprovechar seguimiento independiente (por ejemplo, dos orientaciones distintas). Evita mezclar en el mismo MPPT strings con diferente Ns, orientación o sombreado significativo, porque el MPPT “verá” una curva I–V combinada menos favorable.

2) Verificación final de tensiones y corrientes (checklist)

• Voc frío del string < Vdc máx del inversor y de los SPD DC.
• Vmp caliente del string > Vmp mín MPPT (con margen).
• Vmp típico del string < Vmp máx MPPT.
• I total por MPPT < I máx MPPT.
• I en tramo común (paralelos) < capacidad de cable, borneras, seccionador, fusibles/MCB y conectores.

3) Cálculo de caída de tensión (DC y AC)

3.1 Criterios de diseño

La caída de tensión afecta rendimiento y puede provocar operación fuera del MPPT si es excesiva. Criterios típicos de proyecto (ajústalos a normativa/cliente):

• DC: 1%–2% desde strings/caja combinadora hasta inversor (o desde módulo a inversor en sistemas sin combinadora).
• AC: 1%–3% desde inversor a punto de conexión (cuadro general o acometida), según distancia y potencia.

3.2 Fórmulas prácticas

DC (circuito de 2 conductores, ida y vuelta):

• ΔV = 2 × I × R, con R = ρ × L / S
• ΔV% = (ΔV / V) × 100

AC monofásica (aprox. resistiva): ΔV ≈ 2 × I × R. AC trifásica: ΔV ≈ √3 × I × R (si se desprecia reactancia; para tiradas largas conviene considerar X y cosφ).

Ejemplo DC: tramo de 35 m desde combinadora a inversor, I=26 A, tensión de trabajo V≈600 V, cable cobre S=6 mm², ρ≈0,0175 Ω·mm²/m. R=0,0175×35/6≈0,102 Ω. ΔV=2×26×0,102≈5,3 V. ΔV%≈5,3/600=0,88% (OK).

4) Selección de conductores: calibre, tipo de cable y temperatura

4.1 DC: cableado de strings y troncales

En DC se emplea cable específico fotovoltaico (p. ej., tipo PV1-F o equivalente según norma local), con aislamiento resistente a UV, ozono y humedad, y temperatura típica 90°C (o superior según especificación). Criterios:

• Sección por corriente: debe soportar la corriente de diseño del circuito (string o paralelo) considerando factores de corrección por temperatura ambiente, agrupamiento y método de instalación (bandeja, tubo, enterrado).
• Sección por caída de tensión: verifica ΔV% objetivo.
• Compatibilidad de conectores: los conectores tipo MC4 y derivaciones tienen límites de corriente y sección admitida; evita “forzar” secciones no compatibles.
• Polaridad y colores: usa identificación clara (rojo/negro o marcado +/−) y mantén consistencia en todo el proyecto.

4.2 AC: salida de inversor y alimentación auxiliar

Selecciona cable según tensión, corriente nominal, método de instalación y condiciones térmicas. En exterior, usa cubiertas resistentes a UV o canalización adecuada. Considera:

• Corriente: Iac ≈ P / (V × η × cosφ) (monofásica) o Iac ≈ P / (√3 × V × η × cosφ) (trifásica).
• Caída de tensión: especialmente importante si el inversor está lejos del punto de conexión.
• Neutro y PE: dimensiona el conductor de protección (PE) según normativa; no lo “reduzcas” sin criterio.

4.3 Canalizaciones, agrupamiento y separación

• Canalización: en cubierta, prioriza bandejas/canaletas con tapa o tubo UV; evita apoyos que dañen el aislamiento. En interior, canalización según reglamento (tubo, bandeja, canaleta).
• Separación DC/AC: separa físicamente DC y AC para reducir interferencias y facilitar mantenimiento. Si comparten bandeja, usa separadores y rotulación clara.
• Bucles y rutas: minimiza lazo (+ y − juntos) para reducir inductancia y sobretensiones por transitorios; enruta los pares juntos.
• Radios de curvatura: respeta el mínimo del fabricante para no fatigar el conductor.
• Entradas a equipos: usa prensaestopas adecuados, con grado IP acorde al entorno (polvo/lluvia).

5) Protecciones DC obligatorias y recomendadas

5.1 Fusibles por string (cuando aplican)

Los fusibles por string protegen frente a corrientes inversas cuando hay strings en paralelo. En general:

• Si hay 1 string: normalmente no se requieren fusibles por string (no hay corriente inversa de otros strings), salvo exigencia normativa o del fabricante.
• Si hay ≥2 strings en paralelo: suelen ser necesarios para evitar que un string sano alimente una falla en otro.

Selección (criterio típico): fusible gPV con tensión nominal adecuada (p. ej., 1000 Vdc o 1500 Vdc según sistema). Corriente nominal del fusible: mayor que la corriente de operación (Imp) pero acorde a la máxima corriente inversa admisible del módulo y a la corriente de diseño (Isc con factores). Verifica siempre con la hoja técnica del módulo (máxima corriente de fusible en serie) y el reglamento aplicable.

5.2 Seccionador DC (interruptor-seccionador bajo carga)

Debe permitir aislar el campo FV del inversor para mantenimiento y emergencia. Requisitos prácticos:

• Capacidad de corte en DC a la tensión del sistema (no usar un seccionador AC “equivalente”).
• Ubicación accesible y señalizada: junto al inversor o en el punto definido por normativa/inspección.
• Bloqueo/etiquetado (LOTO) recomendable para mantenimiento.

5.3 SPD en DC (sobretensiones)

Los descargadores (SPD) en DC protegen frente a sobretensiones por rayos indirectos y maniobras. Criterios:

• Tipo (p. ej., Tipo 2; Tipo 1+2 si hay riesgo alto/LPZ y normativa lo exige).
• Ucpv del SPD > Voc_string_frío (con margen).
• Conexión a tierra con conductores cortos y directos (minimiza inductancia).
• Ubicación: en la entrada DC del inversor y/o en caja combinadora si hay tiradas largas o exposición elevada.

6) Protecciones AC obligatorias y recomendadas

6.1 Magnetotérmico / interruptor automático

Protege el cableado AC y permite seccionamiento. Dimensiona por corriente nominal del inversor y capacidad del conductor, considerando condiciones de instalación. En trifásico, usa 3P o 4P según esquema y normativa.

6.2 Diferencial (RCD)

La selección del diferencial depende del inversor (posibles componentes DC residuales). Recomendaciones prácticas:

• Verifica en el manual del inversor el tipo de RCD permitido (Tipo A, F o B) y si el inversor incorpora detección de corriente residual.
• Coordina sensibilidad (mA) con selectividad aguas arriba para evitar disparos intempestivos.

6.3 SPD en AC

Instala SPD en el cuadro AC asociado al inversor (y coordina con el SPD del cuadro general si existe). Selecciona tensión y tipo según red (monofásica/trifásica, TT/TN/IT) y nivel de exposición.

7) Puesta a tierra y equipotencialidad

La puesta a tierra en FV tiene dos objetivos: seguridad (tensiones de contacto) y desempeño frente a sobretensiones (camino de descarga). Puntos clave:

• Equipotencialidad: une estructuras metálicas, marcos de módulos (si aplica por diseño del fabricante), bandejas y carcasas de equipos al sistema de tierra.
• Conductor PE: continuidad eléctrica garantizada, conexiones anticorrosión, y secciones según normativa.
• SPD y tierra: el conductor de puesta a tierra del SPD debe ser lo más corto posible; evita lazos y recorridos largos.
• Compatibilidad con el esquema de red: TT/TN/IT condiciona el diseño del diferencial y las conexiones de protección.

8) Diagramas unifilares tipo (DC y AC) y criterios de documentación

8.1 Unifilar DC típico (texto)

STRING 1 (+/-) -- Fusible gPV (+) -- Fusible gPV (- opcional según diseño) --> Barra DC (+/-) -- SPD DC -- Seccionador DC -- Entrada MPPT 1 (Inversor) STRING 2 (+/-) -- Fusible gPV (+) -- Fusible gPV (- opcional) -------^ Estructura/marcos -- Conductor equipotencial -- Barra de tierra -- Tierra

Notas: (1) El uso de fusible en polo negativo depende del esquema (flotante/puesto a tierra) y normativa; muchos diseños protegen solo el positivo con gPV, pero debe justificarse. (2) Si no hay caja combinadora, los fusibles/SPD pueden integrarse en un “string box” o en el propio inversor si dispone de ellos.

8.2 Unifilar AC típico (texto)

Salida AC Inversor -- Seccionamiento/Protección (Magnetotérmico) -- SPD AC -- (RCD según manual/norma) -- Cuadro general / Punto de conexión -- Medición / Red PE del inversor -- Barra de tierra -- Tierra

8.3 Rotulación y criterios para inspección/mantenimiento

• Etiquetas en campo: cada string identificado (S1, S2…), polaridad, tensión máxima DC, y advertencia “DC bajo carga”.
• Identificación de conductores: marcadores en extremos y en puntos de paso (caja, bandeja, entrada a inversor).
• Placas en equipos: seccionador DC (posición ON/OFF), cuadro AC, SPD (indicador de estado), y punto de desconexión de emergencia si aplica.
• Documentación mínima: unifilar DC/AC, listado de materiales (cables, protecciones, SPD), tabla de strings (Ns, Np, Voc frío, Vmp caliente, Isc, Imp), y cálculo de caída de tensión por tramo.
• Criterio de mantenibilidad: deja holgura de cable razonable, accesos a cajas, radios de curvatura correctos, y evita empalmes ocultos.

9) Plantilla rápida de diseño (para usar en obra/oficina)