Diseño de sistemas fotovoltaicos aislados: dimensionamiento de componentes, selección de baterías y seguridad

Un sistema fotovoltaico aislado es una central eléctrica autónoma. A diferencia de una instalación conectada a la red, no puede apoyarse en la compañía eléctrica cuando el recurso solar es escaso o se produce un pico de carga, de modo que cada componente tiene que dimensionarse para la peor semana del año y no para la mejor hora. El objetivo de diseño no es el máximo rendimiento por cada euro invertido, sino un suministro fiable al menor coste sostenible. Esa sola diferencia cambia la forma de seleccionar módulos, baterías, controladores, inversores y cables.

Esta guía aborda los datos de partida del diseño, las tres escalas habituales de sistema, la función y la norma aplicable de cada componente, y las comprobaciones de seguridad y puesta en marcha que distinguen una instalación fiable de un fallo prematuro.

1. Datos de diseño que hay que fijar primero

Antes de elegir cualquier equipo, cuatro parámetros definen todo el sistema:

1. Potencia de carga (W) — potencia de funcionamiento de todos los consumidores de CA y de CC, separados por tipo: resistivos (calefactores, iluminación incandescente), inductivos (motores, compresores, bombas) y capacitivos (electrónica conmutada).
2. Energía diaria (Wh/día) — potencia de carga × horas de uso, sumada en todas las cargas. Mídala o regístrela siempre que sea posible; las estimaciones son el punto donde los sistemas aislados empiezan a desviarse.
3. Autonomía (días) — cuántos días consecutivos nublados debe cubrir la batería sin un aporte solar significativo. Lo habitual es de uno a tres días; los emplazamientos de telecomunicaciones remotos suelen especificar cinco.
4. Recurso del emplazamiento — horas de sol pico diarias medias (kWh/m²/día) del peor mes del año, no la media anual, más la inclinación óptima para la latitud.

Solo con estos cuatro valores se pueden calcular la capacidad de la batería, el tamaño del generador fotovoltaico y la corriente del controlador. Un error frecuente es dimensionar el inversor según la placa de características del módulo y la batería según una cifra imprecisa «a ojo»; ambos caminos acaban en un rendimiento crónicamente insuficiente o en componentes dañados.

2. Tensión del sistema: decídala antes que nada

Los sistemas aislados rara vez funcionan a la tensión de red. Trabajan sobre un bus de CC —normalmente 12, 24, 48, 96 V o más en las instalaciones grandes— que el inversor eleva después a 230/400 V CA (120/240 V en Norteamérica).

Una tensión de bus más alta implica menos corriente para la misma potencia, lo que reduce la sección del cable y las pérdidas en el cobre (P = I²R). Por encima de unos pocos kilovatios, 48 V es el mínimo práctico.

3. Tres escalas habituales de sistemas aislados

3.1 Sistema pequeño de bajo coste (< 1 kW, < 5 kWh/día)

Los usuarios habituales son viviendas sin conexión a la red, cabañas remotas, asentamientos ganaderos e instalaciones de iluminación y carga de teléfonos. Las cargas son pequeñas y la prioridad es un precio bajo con una fiabilidad aceptable.

• Un equipo integrado de controlador PWM + inversor de onda senoidal modificada mantiene al mínimo el coste y el cableado, y alimenta sin problema bombillas, televisores pequeños y ventiladores.
• Conviene conocer la contrapartida: el PWM fija el generador a la tensión de la batería y suele aprovechar solo el 75–80 % de la energía fotovoltaica disponible. Cuando los módulos son caros o el recurso solar es escaso, incluso una etapa MPPT pequeña se amortiza rápidamente.
• Las baterías de plomo-ácido y de plomo-carbono dominan este segmento por coste.

3.2 Sistema práctico de pequeño a mediano (< 20 kW, < 50 kWh/día)

Entre los usuarios hay residentes de islas, embarcaciones de pesca medianas, enclaves turísticos remotos y respaldo de telecomunicaciones. Las cargas se amplían a aire acondicionado, bombas y otros equipos accionados por motor, lo que cambia la elección del controlador y del inversor:

• Pocas cargas inductivas → MPPT + inversor aislado de alta frecuencia: más ligero y económico.
• Muchas cargas inductivas → MPPT + inversor de baja frecuencia (con transformador), que soporta mucho mejor los choques de carga.
• Funcionamiento prolongado con potencia punta baja → controlador de carga independiente y un inversor más pequeño, para reducir el coste del generador.
• Puntas cortas de alta potencia → equipo integrado controlador/inversor, para simplificar el cableado.

Regla para cargas inductivas: la corriente de arranque de motores y compresores alcanza 3–5× la corriente nominal, mientras que un inversor aislado típico solo sostiene el 150–200 % durante unos segundos. Dimensione el inversor como mínimo a 2× la carga inductiva: un aire acondicionado de 2P (2 × 750 W) exige por tanto un equipo de 3 kVA o superior.

3.3 Sistemas medianos a grandes y microrredes (> 20 kW)

Se encuentran en la industria, en complejos turísticos y en zonas con cortes frecuentes o sin red alguna; las instalaciones suelen moverse entre 20 y 250 kW y escalan por encima de esa cifra.

• 20–60 kW: inversores monofásicos en paralelo (flexibles, y la planta sobrevive al fallo de una unidad) o un único inversor mediano, opcionalmente acompañado de un grupo electrógeno diésel en configuración híbrida para recortar drásticamente la capacidad de batería.
• Por encima de 60 kW: hay que elegir entre acoplamiento en CC (FV → controlador de carga → bus de CC → inversor) y acoplamiento en CA (FV → inversor de conexión a red → bus de CA → inversor bidireccional → batería). El acoplamiento en CA domina en las microrredes porque combina FV, eólica, grupo electrógeno y almacenamiento detrás de un bus de CA común sin rediseñar el lado de CC.
• Por encima de 250 kW: convertidores bidireccionales de almacenamiento más inversores de formación de red, que integran eólica y diésel junto con la FV.

4. Selección de componentes y normas aplicables

4.1 Módulos fotovoltaicos — IEC 61215 / IEC 61730

Los emplazamientos aislados suelen disponer de terreno abundante, por lo que la eficiencia de conversión del módulo importa menos que en una cubierta con espacio limitado. Los módulos cristalinos convencionales son la opción por defecto; cualifíquelos según IEC 61215 (cualificación de diseño) e IEC 61730 (seguridad).

4.2 Estructura — aluminio o acero en C galvanizado en caliente

Ambas soluciones son estándar. Para el acero en C galvanizado en caliente, verifique el espesor del recubrimiento de zinc frente a la clase de corrosividad atmosférica del emplazamiento (categorías ISO 9223, recubrimientos normalmente según ISO 1461). Un recubrimiento infradimensionado no alcanzará una vida útil de 20 años, especialmente en entornos costeros o de humedad elevada: el mismo razonamiento que hace imprescindible el cobre estañado en el cableado de CC, como se explica más adelante.

4.3 Controlador de carga — IEC 62509

El controlador evita la sobrecarga y la descarga excesiva de la batería. Dos tecnologías están en servicio:

• PWM: sencillo y económico, aprovecha aproximadamente el 75–80 % de la energía disponible del generador; está en vías de sustitución.
• MPPT: sigue el punto de máxima potencia real del generador con una eficiencia de conversión del 95–99 % y extrae más energía en condiciones de frío, baja irradiancia o sombreado parcial. Es la opción por defecto en los sistemas aislados nuevos.

Dimensionamiento (base IEC 62509): la corriente máxima de entrada FV del controlador debe superar la corriente de cortocircuito del generador con un margen del 25 %: el mismo factor 1,25 que NEC 690.8 aplica a los conductores de los circuitos FV:

I_controller ≥ I_sc_array × 1.25

Un controlador de 48 V / 30 A, por ejemplo, no debe recibir más de 30 A del generador, o se dañará.

4.4 Batería — el corazón del sistema

*DoD = profundidad de descarga; capacidad utilizable = capacidad nominal × DoD.

Fórmula de capacidad de la batería:

Battery Ah = (Daily load Wh × Autonomy days) / (System V × DoD × inverter/charge efficiency)

El plomo-ácido debe limitarse a un DoD de alrededor del 50 % o su vida de ciclo se desploma; el LFP tolera el 80–90 %, y por eso un banco de LFP más pequeño suele sustituir a otro de plomo-ácido mucho mayor. Los bancos de plomo-ácido necesitan ventilación y contención del electrolito; los de litio necesitan un BMS para el equilibrado de celdas, la protección contra sobrecorriente y el corte térmico. Tenga en cuenta que la cifra de «2–3× el coste del plomo-ácido» que citan las referencias más antiguas se ha reducido de forma notable a medida que la producción de LFP ha escalado: vuelva a comparar costes con presupuestos actuales antes de comprometerse con una química.

4.5 Cable fotovoltaico — H1Z2Z2-K

El cable de CC fotovoltaico se fabrica según EN 50618 / IEC 62930, designación H1Z2Z2-K: aislamiento y cubierta de poliolefina libre de halógenos reticulada (XLPO) sobre un conductor de cobre estañado de clase 5 (IEC 60228). Estas son las prestaciones que el prescriptor puede citar a partir de la norma:

• Tensión: 1500 V CC.
• Temperatura: 90 °C de temperatura continua del conductor; 120 °C como clase de temperatura superior; una resistencia definida a cortocircuito a 250 °C. La cifra de 120 °C es un límite de cualificación, no una temperatura normal de servicio: dimensione el tramo como si aplicasen 90 °C.
• Vida de diseño: 25 años a la intemperie, demostrada mediante exposición acelerada a radiación UV y ozono, plegado en frío, retardancia a la llama (IEC 60332-1-2), ausencia de halógenos (IEC 60754) y baja emisión de humos (IEC 61034).
• La reticulación del XLPO convierte el polímero de termoplástico en termoestable: es lo que aporta la resistencia a los rayos UV, al ozono y al calor que el PVC convencional no puede ofrecer. Los multiplicadores de vida útil del tipo «8× el cable ordinario» no figuran en ninguna norma de cables y no se pueden verificar; las prestaciones indicadas arriba son las que sí se pueden argumentar.

El dimensionamiento del cable en los tramos de CC de un sistema aislado sigue la misma regla que cualquier circuito de CC fotovoltaico:

I_cable ≥ I_sc × 1.25   (capacidad de corriente con factor de seguridad)
Caída de tensión ≤ 2–3% de la tensión del sistema en el lado de CC

El cobre estañado se especifica precisamente porque los emplazamientos aislados suelen ser costeros, húmedos o contaminados, y allí el cobre desnudo se corroe primero en las terminaciones. El cable solar fotovoltaico H1Z2Z2-K de Treasol (categoría: cable solar FV) se fabrica según esta norma y se combina con conectores compatibles con MC4. En Norteamérica, donde EN 50618 se invoca con menos frecuencia, el conductor equivalente es el cable FV listado según UL 4703.

4.6 Inversor para sistemas aislados — IEC 62109 / UL 1741

La selección se hace en dos ejes:

• Tipo de carga: resistiva, inductiva (corriente de arranque de 3–5×) o capacitiva. Dimensione la potencia continua según la carga total en funcionamiento y la potencia de pico según el mayor arranque inductivo, aplicando la regla de ≥ 2× para cargas inductivas del apartado 3.2.
• Lado de CC: el cargador integrado es hoy casi siempre MPPT. Dimensione la potencia del cargador a partir de las horas de sol pico locales y del tiempo de recarga requerido: el banco debería volver a su capacidad completa en un día medio, o vivirá en un estado de descarga parcial que acorta su vida útil, en particular la del plomo-ácido.

Cualifique los inversores según IEC 62109-1/-2 (seguridad de los convertidores de potencia) y, para Norteamérica, UL 1741.

4.7 Conectores, fusibles y derivaciones

Cada unión de CC es un punto de fallo potencial, y una planta aislada tiene más que una conectada a la red porque confluyen las series, los generadores y los circuitos de batería. Utilice conectores compatibles con MC4, de 1500 V e IP68 —el conector de cable CN4U-C y el conector de panel CN4U-P— y mantenga una única marca de conector de extremo a extremo. El emparejamiento entre marcas distintas incumple los requisitos de acoplabilidad de NEC 690.33 / UL 6703 (y de IEC 62852 a nivel internacional) y es una de las principales causas de arcos eléctricos en campo; la guía de conectores solares compatibles con MC4 detalla las reglas de acoplamiento.

Los fusibles en línea y los conectores de derivación localizan el fallo en la serie o rama afectada en lugar de dejar fuera de servicio todo el generador: en una planta aislada, sin red a la que recurrir, esa distinción importa más que en cualquier otro caso. Cuando las series pasan por cajas de agrupación, el conector fusible en línea F4C mantiene la protección contra sobrecorriente a nivel de conector.

5. Seguridad y puesta en marcha

• Ventilación y contención: los bancos de plomo-ácido desprenden hidrógeno: enciérrelos y ventílelos conforme al reglamento aplicable. Los bancos de litio necesitan la supervisión de un BMS y gestión térmica, y las celdas deben transportarse y almacenarse conforme a UN 38.3.
• Seccionamiento y aislamiento: cada sección de CC y de CA necesita un seccionador etiquetado y accesible (NEC 690.13 / IEC 60364-7-712).
• Protección contra arcos y defectos a tierra: la protección contra arcos de CC es obligatoria en muchas jurisdicciones. Los arcos de CC no se autoextinguen, así que la defensa pasiva es igual de importante: engastes estancos al gas y con par de apriete especificado. La herramienta de crimpado MC4 y sus matrices correspondientes producen el engaste que la norma del conector da por supuesto; las uniones engastadas en campo con alicates, no.
• Puesta en marcha: verifique la polaridad, la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito de las series frente al diseño, mida la resistencia de aislamiento y ejecute una prueba funcional con carga según IEC 62446 antes de la entrega.

Referencias normativas aplicables: IEC 60364-7-712 (instalaciones eléctricas fotovoltaicas), IEC 62446 (puesta en marcha y mantenimiento), artículo 690 del NEC (FV), artículo 480 del NEC (baterías de almacenamiento) y 706 (sistemas de almacenamiento de energía); la estructura de los módulos, según UL 2703.

6. Conclusión

Un sistema fotovoltaico aislado fiable consiste en hacer coincidir cuatro datos de diseño —carga, energía diaria, autonomía y recurso solar— con un bus de CC coherente, y en seleccionar después cada componente conforme a su propia norma: controladores IEC 62509, inversores IEC 62109, baterías IEC 61427-2 / 62619 y cable EN 50618 / IEC 62930. Respete los límites de profundidad de descarga y de ventilación, mantenga la coherencia de marcas en los conectores y el resultado será una planta que cumple sus 25 años de vida de diseño en lugar de fallar en el tercero.

Treasol suministra la capa de conexión de esa planta: cable FV H1Z2Z2-K, conectores compatibles con MC4 y el sistema de calidad de fabricación que los respalda, fabricados y ensayados según las normas citadas en esta guía.

7. Productos mencionados en esta guía

• Cable solar fotovoltaico H1Z2Z2-K (EN 50618 / IEC 62930, 1500 V CC, cobre estañado)
• Categoría de cable solar FV
• Conector de cable CN4U-C compatible con MC4 (1500 V, IP68)
• Conector de panel CN4U-P compatible con MC4 (1500 V, IP68)
• Conector fusible en línea F4C-200-1085
• Serie de conectores de derivación
• Guía de conectores solares compatibles con MC4
• Proceso de fabricación de conectores FV

Preguntas frecuentes

¿Cómo dimensiono el banco de baterías de un sistema aislado?

Calcule la carga diaria en Wh, multiplíquela por los días de autonomía y divida el resultado entre (tensión del sistema × profundidad de descarga admisible × eficiencia). Utilice el 50 % de DoD para plomo-ácido y el 80–90 % para LiFePO₄.

¿MPPT o PWM para un controlador de carga aislado?

MPPT, casi siempre. Aprovecha el 95–99 % de la energía fotovoltaica disponible frente al 75–80 % aproximado del PWM y se comporta mejor en condiciones de frío o de baja irradiancia. Dimensione el controlador a I_sc × 1,25.

¿Qué tensión de sistema de CC debo elegir?

Ajuste la tensión a la escala: 12–24 V para cargas muy pequeñas, 48 V para la mayoría de los sistemas aislados residenciales y 96 V o más para instalaciones comerciales y microrredes, con el fin de mantener manejables las corrientes y las secciones de cable.

¿Puedo usar una batería de coche convencional en un sistema aislado?

No. Las baterías de arranque están diseñadas para descargas breves de alta corriente, no para descargas profundas. Utilice baterías de ciclo profundo de plomo-ácido, de plomo-carbono o de LiFePO₄ diseñadas para servicio cíclico.

¿Cómo dimensiono el inversor para aires acondicionados y bombas?

Dimensione la potencia continua según la carga total en funcionamiento y la de pico según el mayor arranque inductivo (3–5×). Como regla práctica, el inversor debe ser al menos 2× la potencia de funcionamiento de la carga inductiva.

¿Qué cable es el correcto para el cableado de CC de una instalación fotovoltaica aislada?

H1Z2Z2-K (EN 50618 / IEC 62930): XLPO, cobre estañado, 90 °C en continuo / clase 120 °C, 25 años de vida a la intemperie. Dimensione la sección por I_sc × 1,25 con una caída de tensión en CC del 2–3 % o inferior.

Referencias

1. IEC 61215 — Módulos fotovoltaicos terrestres de silicio cristalino: cualificación de diseño y aprobación de tipo.
2. IEC 61730 — Cualificación de seguridad de los módulos fotovoltaicos.
3. IEC 62509 — Controladores de carga de CC fotovoltaicos: requisitos generales y procedimientos de ensayo.
4. IEC 62109-1 / -2 — Seguridad de los convertidores de potencia utilizados en sistemas fotovoltaicos.
5. IEC 61427-2 — Acumuladores y baterías secundarios para sistemas de almacenamiento de energía renovable.
6. IEC 62619 / IEC 63056 — Requisitos de seguridad para celdas y baterías de litio de uso industrial y estacionario.
7. UL 1973 — Baterías para aplicaciones estacionarias y de ferrocarril ligero.
8. EN 50618 / IEC 62930 — Cable fotovoltaico (H1Z2Z2-K), 1500 V CC.
9. IEC 60228 — Conductores de cables aislados (conductor flexible de clase 5).
10. IEC 60332-1-2, IEC 60754, IEC 61034 — Ensayos de cable: retardancia a la llama, ausencia de halógenos y baja emisión de humos.
11. UL 4703 — Cable fotovoltaico (conductor equivalente en Norteamérica).
12. IEC 62852 — Conectores para aplicaciones de CC en sistemas fotovoltaicos; UL 6703 — Conectores FV (Norteamérica).
13. IEC 60364-7-712 — Instalaciones eléctricas: sistemas de alimentación fotovoltaica.
14. IEC 62446 — Sistemas fotovoltaicos: requisitos de ensayo, documentación y mantenimiento.
15. UL 2703 — Sistemas de montaje en bastidor para módulos fotovoltaicos.
16. ISO 1461 — Recubrimientos galvanizados en caliente sobre piezas de hierro y acero; ISO 9223 — Corrosividad de las atmósferas.
17. UN 38.3 — Transporte de mercancías peligrosas: ensayos de baterías de litio.
18. NFPA 70, National Electrical Code — Artículo 690 (sistemas solares fotovoltaicos), Artículo 480 (baterías de almacenamiento), Artículo 706 (sistemas de almacenamiento de energía).

Elaborado por Treasun New Energy Technology Co., Ltd — fabricante de conectores FV compatibles con MC4 y de cable fotovoltaico H1Z2Z2-K.