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Dimensionamiento de cables y caída de tensión de cables en sistemas fotovoltaicos, Soporte Técnico de Lapp Latinamerica Support Corp, Panamá. (RevJRZ1.1)

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Dimensionamiento de cables y caída de tensión en sistemas

fotovoltaicos

Por Ing. Alberto Montero

Soporte Técnico LASC

El dimensionamiento apropiado del cableado de un sistema

fotovoltaico puede ser la diferencia entre una lámpara tenue y una

brillante, entre un desempeño pobre o satisfactorio de los

electrodomésticos, o de un rendimiento óptimo o inadecuado del

sistema.

Inclusive el cableado que ha sido ligeramente sub-dimensionado

puede robarle una gran parte de la energía que un sistema

fotovoltaico puede generar.

El objetivo de dimensionar un cable es lograr una adecuada

protección del mismo contra incendios o, en otras palabras, que el

cablea sea capaz de transportar corriente sin que sufra

calentamiento excesivo de tal forma que comprometa su estructura

física.

Sin embargo, en sistemas de baja tensión (12/24/48 VDC), como los

sistemas fotovoltaicos, el dimensionamiento se hace con miras a

minimizar las pérdidas de energía debido a la caída de tensión.

La caída de tensión se debe a la resistencia al paso de corriente que

produce un conductor eléctrico y puede ser calculada usando la ley

de Ohm como sigue:

Caída de tensión (1)

En donde I representa a la corriente medida en Amperios y R

representa a la resistencia del cable, medida en ohmios (Ω).

Pérdida de Energía (2)

Sustituyendo la ecuación (1) en la (2), encontramos que:

CONCLUSIONES

Mediante estas ecuaciones arriba expuestas se puede comprobar

que:

Al aumentar el voltaje por un factor de 2, se reduce la

corriente a la mitad.

Las pérdidas de potencia se reducen una cuarta parte.

Esto permite utilizar un calibre de cable más delgado, lo

cual tiene un impacto económico positivo en el proyecto.

Ilustremos lo antes dicho con un ejemplo:

EJEMPLO 1.0

Se tiene un sistema de 12V con un cable de 30 m calibre 4 mm (12

AWG) con una resistencia de 1.08 Ω y una carga de 72 W, tendrá

una corriente de 6 A ya que:

=

= 6A y una pérdida de energía de 1200 W ya que:

P = = = 1166.4 W

Si convertimos este sistema a uno de 24V, tendríamos una corriente

de 3 A y una pérdida de energía de 300 W.

VOLTAJE [V] 12 24

LONGITUD [m] 30 30

POTENCIA DE LA CARGA [W] 72 72

CORRIENTE [A] 6 3

PERDIDA DE POT. [W] 12 3

Tabla 1. Comparativo del sistema a 12V y 24V

Tabla de Dimensionamiento de cables

En un sistema típico DC, es recomendable dimensionar teniendo en

cuenta una caída de tensión de 2-3%.

Para calcular la caída de tensión, primero se debe calcular el índice

de caída de tensión (ICT) tal como sigue:

1.

Donde amps = W/V

*Para transformar pies a metros, multiplique los pies por un factor

de 0.3048

2. Determinar el calibre de cable apropiado de la tabla

siguiente:

a. Comparar el ICT calculado con los valores de

ICT para la AWG para determinar el calibre

adecuado.

b. El amperaje del circuito no debe exceder la

ampacidad recomendada por el NEC.

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Calibre de Cable

Cable de cobre Cable de Aluminio

AWG ICT AMPACIDAD ICT AMPACIDAD

OOOO 30.2 260 18.9 205

OOO 23.75 225 14.9 175

OO 18.9 195 11.9 150

O 14.9 170 9.4 135

2 9.4 130 6.1 100

4 6.1 95 < = 3.7 75

6 3.6 75 • •

8 2.4 55 • •

10 1.5 30 • •

12 < = 0.9 20 • •

Tabla 2

La información expuesta aquí aplica para sistemas AC/DC con factor de potencia = 1.0 y donde la reactancia de la línea es

despreciable.

Ejemplo de dimensionamiento de Cables

Si se tiene un sistema de 12V con un cable que mide 12 m de

longitud el cual alimenta 3 lámparas fluorescentes de 13W y

1 de 20W.

Dimensionando teniendo en cuenta una pérdida del 2% de

caída de tensión, ¿Que calibre de cables se necesita?

I =

I =

= 2.45

El ICT calculado 2.45 está, según la tabla 1 entre los valores

de 2.44 y 3.66 de ICT.

Esto indica que el calibre adecuado debe ser un #8 AWG

(aunque un #12 podría ser usado si se trabaja a 24VDC)

En este caso particular, la diferencia entre 2.45 y 2.4 no es

mucha, por lo cual se podría considerar un cable calibre 8

aceptando un porcentaje de caída de tensión ligeramente

mayor.

Determinación de la caída de tensión en un sistema

existente

Para un sistema existente, en el cual se desea saber cuan

eficiente es en términos de caída de tensión, se puede

determinar el porcentaje de caída de tensión midiendo la

tensión a la salida del banco de baterías y la tensión en la

carga, preferiblemente, la que esté mas alejada del banco de

baterías para comparar la diferencia que hay entre ambas

mediciones.

Es importante hacer esto mientras el sistema se encuentra

energizado y todas las cargas están encendidas.

Ahora se procede a calcular el porcentaje de caída de tensión

de la siguiente manera:

X 100

Para la conexión entre los módulos fotovoltaicos y el banco de

baterías, una caída de tensión de 2 a 3% es aceptable.

Para la conexión entre el banco de baterías y la carga, una

caída de tensión en el rango de 2 a 5% es aceptable.

Aplicaciones y consideraciones de un sistema

fotovoltaico

Se deben considerar tanto el dimensionamiento como la caída

de tensión en un sistema fotovoltaico para diversos tipos de

cargas.

Cada tipo de carga tiene una tolerancia particular y las

siguientes consideraciones ayudan a determinar el máximo

aceptable en cuanto a caída de tensión.

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Circuito de Luces

Luces Incandescentes

Una caída de tensión debajo del nivel apropiado resulta en

una pérdida importante en el desempeño de las luces.

Por ejemplo, un 10% de caída de tensión causa

aproximadamente un 25% de pérdida de potencia a la salida

de la lámpara. Esto se debe a que dicha lámpara no sólo

recibirá menos energía sino que el filamento no llegará a su

temperatura óptima de trabajo, lo cual reduce

significativamente la cantidad de luz visible que puede

emitir.

Fluorescentes

En el caso de luces fluorescentes, la caída de tensión aquí es

menos crítica debido a que este tipo de lámparas es mucho

más eficiente que las incandescentes.

Por ejemplo, para una caída de tensión del 10%, esto resulta

en aproximadamente 10% de pérdida de potencia a la salida

de la lámpara.

Esto se debe a que una lámpara fluorescente consume entre

1/2 a 1/3 de la corriente que utiliza una lámpara

incandescente, lo cual muestra que se puede utilizar un cable

de menor calibre.

Recomendamos siempre utilizar de 2 a 3% caída de tensión

en sistemas de iluminación a la hora de dimensionar el cable.

Circuitos de Motores

Motores DC

Los motores DC son de 10-15% más eficientes que sus

contrapartes en AC además de que eliminan los costos y

perdidas asociadas a la conversión DC/AC.

Se sugiere tomar en cuanta una caída de tensión de 2- 5%

bajo condiciones normales de operación a la hora de

dimensionar el cable para este tipo de circuitos.

Circuito de carga de batería

En este tipo de sistemas, la caída de tensión puede ocasionar

una gran pérdida de transferencia de potencia.

Para cargar la batería, el o los paneles deben proporcionar un

nivel de voltaje superior al de la batería.

Esta es la razón por la cual la mayoría de los módulos

fotovoltaicos están diseñados para brindar 16V o más.

Una caída de tensión de 1 o 2 voltios en el alambré impedirá

que haya la diferencia de tensión necesaria para transmitir

potencia.

Una caída de tensión en el alambre de un 10% puede causar

hasta un 50% de pérdida de potencia en casos extremos.

Nuestra recomendación aquí es dimensionar teniendo en

cuenta de 2 a 3% de caída de tensión.

La caída de tensión en sistemas fotovoltaicos también es

afectada por altas temperaturas.

Se recomienda el uso de módulos con un alto voltaje de salida

(arriba de 17V de voltaje pico) en climas muy calientes

(donde los módulos fácilmente exceden los 117°F/47°C).

Si se piensa expandir el arreglo de paneles en el futuro, se

debe dimensionar en el PRESENTE el diámetro de cable

teniendo en cuenta dicha expansión del número de módulos

ya que es más fácil y menos costoso hacerlo.

DISTANCIA MÁXIMA EN METROS PARA UNA CAIDA DE TENSION DE 2%

Amperios 2.5 mm (#14)

4 mm (#12)

6 mm (#10)

10 mm (#8)

16 mm (#6)

25 mm (#4)

35 mm (#2)

70 mm (# 2/0)

120 mm (#4/0)

1 13.7 21.3 35.1 54.9 88.4 139.0 219.5

2 6.9 10.7 17.5 27.4 44.2 69.5 109.7 219.5 323.1

4 3.0 5.3 8.4 13.7 22.1 34.7 54.9 109.7 176.8

6 2.3 3.7 5.3 9.1 14.5 22.9 36.6 74.1 115.8

8 1.7 2.6 3.5 6.9 10.8 17.4 27.4 54.9 88.4

10 1.4 2.1 3.5 5.5 8.7 13.9 22.1 44.2 70.1

15 0.9 1.4 2.1 3.7 5.8 9.1 14.6 29.3 45.7

20 0.6 1.1 1.7 2.7 4.4 6.9 11.0 22.1 35.4

25 0.5 0.9 1.4 2.1 3.5 5.5 8.8 17.7 28.0

30 0.46 0.73 1.07 1.83 2.90 4.57 7.32 14.8 23.5

40 0.85 1.37 2.13 3.51 5.49 10.97 17.07

50 0.70 1.10 1.68 2.74 4.42 8.84 14.02

100 0.88 1.40 2.19 4.42 7.01

150 1.46 2.96 4.57

200 1.10 2.23 3.35

Tabla 3