Cómo dimensionar con eficiencia el cableado eléctrico en un sistema solar

El diseño del cableado eléctrico apropiadamente elegido y seleccionado marca en un sistema solar que el sistema de baterías cargue correctamente, que la luz brille o sea ténue, y que el rendimiento de los aparatos eléctricos sea o no suficiente.

En los sistemas eléctricos domésticos convencionales de corriente alterna el objetivo del diseño es la capacidad de transportar corriente eléctrica. En los sistemas de bajo voltaje (12, 24 y 48 V) la principal preocupación es la pérdida de potencia. Los conductores no deben seleccionarse simplemente por su capacidad para transportar corriente, ya que hay menos tolerancia a la caída de tensión (excepto para recorridos muy cortos. Veamos con un ejemplo que ocurre exactamente.

Ejemplo:

Para el mismo número de vatios, una caída de 1 V en 12 voltios supone 10 veces la pérdida de potencia que tiene lugar en 120 V.

Para diseñar sistemas de energía solar fotovoltaica debemos por tanto ser cuidadosos con las caídas de tensión que puedan producirse en la instalación.

¿Cómo determinar la caída de voltaje tolerable para las diferentes cargas previstas?

Cuando trabajamos con bajos voltajes o con distancias largas de conductores la caída de voltaje puede provocar efectos no deseados en las cargas y la instalación funcionará mal. Como norma general podemos establecer que un 2 o 3 % de caída de voltaje en una carga típica es tolerable. Pero a veces estas tolerancias pueden ser muy caras. Para poder afinar más entre los diferentes circuitos vamos a ver la forma de comportarse ante las caídas de voltaje las cargas más comunes.

• Circuitos de iluminación incandescente y halógenos de cuarzo (QH): En estos tipos de iluminación una caída de voltaje del 5 % causa aproximadamente un 10 % de pérdidas en rendimiento de iluminación. Esto es debido a que la bombilla no solamente recibe menso potencia, sino también porque el filamento más frío cae de caliente-blanco a caliente-rojo, emitiendo mucha menos luz visible.
• Circuitos de iluminación fluorescente: La caída de voltaje causa una caída proporcional en rendimiento de iluminación. Los fluorescentes usan 1/2 a 1/3 la corriente de la iluminación incandescente o QH para la misma intensidad luminosa, así que los conductores pueden ser más pequeños.
• Motores DC: Los motores DC operan en sistemas de energías renovables y su eficiencia es un 10 - 50 % superior a la de los AC. Eliminan también los costes y pérdidas asociados con los inversores. Los motores DC no tienen una excesiva demanda de potencia al arrancar, al contrario que los de inducción AC. La caída de voltaje durante el arranque simplemente resulta en un arranque suave.
• Motores de inducción AC: Comunmente los motores de inducción se encuentran en las grandes herramientas de potencia, electrodomésticos y bombas de pozo. Requieren una alta demanda de energía al arrancar. Una caída de voltaje significativa en estos circuitos puede originar un fallo al arrancar y posibles daños en el motor.
• Bombeo de agua solar directo: Los circuitos deben estar dimensionados para el voltaje nominal (ej. 24 v) pero para el voltaje de trabajo actual (en este caso aproximadamente 34 voltios). Sin una batería que mantenga bajo el voltaje, el voltaje de trabajo será de alrededor del voltaje del punto de potencia pico de la disposición fotovoltaica.
• Circuitos de carga de baterías PV: El circuito de carga de las baterías es crítico porque puede causar unas pérdidas desproporcionadas en la corriente de carga. Para cargar una batería, debe aplicarse un dispositivo de generación a un voltaje más alto que el que existe en la batería. Esto es porque la mayoría de los módulos están hechos para un punto de potencia pico de 16-18 V. Una caída de voltaje superior al 5 % reduce estas diferencias de voltaje necesariamente, y puede reducir la corriente de carga a la batería en un porcentaje mucho mayor. La recomendación general es dimensionar para una caída de voltaje de un 2-3 %. Si se piensa que la instalación puede crecer en el futuro debe calcularse teniendo en cuenta la expansión.
• Circuitos con generadores eólicos: En la mayoría de las localizaciones la energía eólica no se produce más que de forma irregular. Si se dimensiona para una pérdidas bajas los conductores pueden ser grandes y muy caros, es por ello que si el generador eólico actúa irregularmente pueden considerarse una spérdidas del 10 %.

Otras técnicas para ahorro de costes

• Conductores de aluminio: Los conductores de aluminio pueden ser más económicos que el cobre en las líneas principales. Puede estudiarse su uso si vamos a hacer tendidos de conductores largos. Debe considerarse que el aluminio es más difícil de doblar y no es apropiado para bombas sumergibles.
• Módulos fotovoltaicos de alto voltaje: Otra forma de compensar las caídas de voltaje es usar módulos de alto voltaje y un controlador de craga solar MPPT para convertir el voltaje del sistema y compensar excesivas caídas de voltaje. En algunos caso de largas distancias, el incremetno en el coste del módulo puede ser más bajo que el coste en conductores más grandes.
• Seguidores solares: El uso de seguidores solares propicia una instalación fotovoltaica más pequeña y son apropiados particularmente cuando hay elevado uso del seguidor en verano. La ganancia es mayor en verano porque el sol hace un arco más grande a través del cielo.
• Bombas de agua: Lo más interesante es considerar bombas de baja velocidad que nos permiten acumular agua. Esto reduce tamaño de condcutores y tuberías. El bombeo solar directo puede eliminar condcutores largos. Si las distancias son cortas pueden usarse bombas DC de hasta 48 V pero en distancias más grandes es preferible usar bombas AC.

Bibliografía: How to size wiring and cabling for your system. Alteu