He aquí un artículo de Jeffrey Yago, P.E., CEM, extraído de la página web de backwoodshome. De este artículo dice el autor:
En casi todos mis artículos anteriores he descrito muchos tipos diferentes de sistemas de energía solar, pero no entré en detalles sobre cómo instalarlo usted mismo, ya que la mayoría de los sistemas deben ser instalados por profesionales solares con licencia. Sin embargo, sigo recibiendo muchas preguntas de correo electrónico relacionados con proyectos solares de fin de semana a distancia o cabañas de vacaciones en las zonas no servidas por líneas de alta tensión. Si esta es su situación, y que está dispuesto a atenerse a lo básico, yo mostraré cómo instalar un sistema solar independiente de la red basada en baterías. Muy simple, sólo para poder algunas luces, y, posiblemente, una bomba para presión de agua o un congelador.



Seguridad: Selección cuidadosa de componentes.

Una instalación de sistema solar residencial de tamaño típico necesita una instalación y cableado eléctrico adecuado tanto para corriente alterna como para corriente contínua (CC) (más grueso),para reducir el riesgo de incendio eléctrico, un sistema de conexión a tierra adecuada para evitar accidentes y daño de relámpago, la instalación apropiada de la batería y de ventilación para evitar explosiones de gas, y unos correctamente instalados paneles solares para maximizar el rendimiento y evitar daños en el techo.

Me quedo con todo el equipo de CC de 12 voltios que tiene un riesgo de descarga eléctrica limitada y permite el uso de muchos de los componentes eléctricos que se pueden encontrar a nivel local. Sin embargo, una palabra de advertencia. El hecho de que todo va a ser el mismo cableado de bajo voltaje que se utiliza en su coche o en barco, no significa que no haya problemas de seguridad.

Kit de iluminación solar preenvasados ​​incluyendo módulos solares, controlador de carga, fusibles, lámparas, DC y batería sellada.

Kit de iluminación solar preenvasados ​​incluyendo módulos solares, controlador de carga, fusibles, lámparas, DC y batería sellada.

Cualquier batería de descarga profunda contiene cientos de amperios de energía almacenada que pueden derretir fácilmente alambre grueso o componentes eléctricos si no es del tamaño e instalado correctamente. He visto cable eléctrico del tamaño de un dedo pulgar rápidamente ponerse al rojo y fundirse debido a una batería instalada incorrectamente. Este cable radiante fácilmente podría inflamar las paredes cercanas, suelos o techos.

Esto significa que si le digo que utilice un determinado tipo o tamaño de los componentes, hay una muy buena razón. Usted no debe asumir que puede sustituir a cualquier cosa que haya por ahí que es “casi lo mismo.” Si desea simplificar realmente la selección de equipos, todos los componentes necesarios están disponibles en kits de iluminación solar de diversos tamaños que podemos encontrar en internet, o en tiendas de construcción o bricolaje.

El tamaño de la batería

La primera decisión que debemos tomar es el tamaño del sistema. Si sólo necesita para alimentar unas cuantas luces en dos o tres habitaciones en una remota cabaña, entonces se puede llegar a funcionar con una o dos baterías de 12 voltios. Si quiere también conectar un pequeño congelador DC o una bomba para un pozo, entonces necesitarán de dos a cuatro baterías de 6 voltios. No utilice, bajo ningún concepto, baterías de coche o camión estándar, ya que tienen placas de plomo muy finas para reducir el peso y no van a durar mucho tiempo con los ciclos diarios de carga y descarga.

Normalmente, en esta aplicación se recomendaría utilizar baterías marinas o para caravanas de 12 V,  o las que usan los carritos de golf, de 6 voltios. Estas se pueden encontrar a nivel local y son bastante baratas. Sin embargo, recomendamos las de gel sellado o versión AGM, lo que reducirá significativamente los riesgos de gases explosivos por falta de ventilación o la necesidad de mantenimiento de la batería. Las baterías selladas cuestan casi un 40% más que el mismo tamaño de baterías abiertas con mantenimiento, y no duran más tiempo. Sin embargo, ya que no se necesita para construir una sala de baterías especial o caja ventilada, esto será una ventaja en una instalación en una casa pequeña con espacio de almacenamiento limitado. Independientemente del tipo de batería, el banco de baterías debe estar aislado en las regiones más frías ya que la carga de la batería cae drásticamente cuando se pone por debajo de 0 grados C.

Los paneles fotovoltaicos

El tamaño y el número de módulos solares necesarios depende de la capacidad del banco de baterías y donde su cabaña fuera de la red se encuentra. Si es posible, el panel solar deberá estar dirigido al sur. En mi zona geográfica, la mayoría de las mañanas son nubosas y los atardeceres son soleados, así que estoy a favor de una orientación ligeramente suroeste.

Un módulo solar produce el mejor rendimiento durante todo el año con un ángulo de inclinación igual a la latitud. Un ángulo menor mejorará la producción de té, y un ángulo más pronunciado lo hará mejor en invierno. Para la mayor parte de los Estados Unidos, este es 37-42 grados. Si sólo se utiliza su cabina durante una parte del año, se debe utilizar el ángulo de inclinación que producirá más energía durante esa parte del año.

El panel solar se puede montar en el techo de una casa, en un poste cercano, sobre el suelo, montado sobre un bastidor elevado, o montado sobre un almacén o cobertizo. Los módulos solares son bastante ligeros, por lo que su principal preocupación es el viento. Cualquier sistema de montaje debe utilizar solamente tornillos de acero inoxidable o tirafondos que penetren en las vigas del tejado o elemento estructural, ya que un fuerte viento podrá arrancar fácilmente los tornillos que sólo penetran en láminas de madera contrachapada.

El tamaño de los módulos

Las luminarias fluorescentes para uso marino de 12V son buenos candidatos para aplicaciones de este tipo.

Las luminarias fluorescentes para uso marino de 12V son buenos candidatos para aplicaciones de este tipo.

La mayoría de los módulos solares de 12 voltios que se venden actualmente son menores de 100 W. La tendencia actual del mercado es para los módulos más grandes, que requieren una potencia nominal de 24 voltios. Una batería de ciclo profundo de 6 voltios de un carrito de golf o la batería de una caravana de 12 voltios almacenará aproximadamente 1 kWh de electricidad estando descargadas al 50%. Según un cálculo aproximado, esto significa que usted necesitará alrededor de 200 vatios de paneles solares para recargar una batería en un día, en el supuesto de cinco horas de luz solar directa.

Esto es típico de la mayoría de los meses de verano en países templados, pero para muchos lugares más fríos, sólo puede recibir tres horas de sol directo durante los días cortos de invierno. Esto significa que usted tendrá que aumentar los paneles solares a la proporción de la batería, o simplemente reducir su consumo de energía durante períodos de tiempo nublado.

Hay muchos problemas de diseño asociados con múltiples módulos solares y baterías cableadas “en paralelo”, por lo que es mucho más fácil de utilizar módulos solares y baterías de mayor capacidad, que elementos más pequeños. Tenga esto en cuenta en la compra de baterías y módulos solares. Con tamaños de unidades más grandes todo funcionará mejor en el largo plazo que si las compramos más pequeñas y más baratas, como se suelen encontrar en las tiendas de bricolaje.

La seguridad del cableado

Es necesario comprender que los mismos vatios W de las instalaciones a 120 voltios AC requieren 10 veces la corriente (en amperios A) a 12 voltios DC. Los W para una carga dada no cambian, independientemente de la tensión, por lo que dos bombillas de 100 vatios que requieren de 1,7 amperios a 120 voltios AC (200 W/120 V), se pueden conectar mediante un cable de grosor # 14 (AWG) o lo que es lo mismo un cable de un diámetro de 1,63mm, que tiene una calificación de 15 amp . Sin embargo, a los 12 voltios de corriente continua, la misma carga se basará 17 amperios (200 watts/12 voltios), lo que supera el amperiaje de 15 del cable de grosor #14.

Además, estas dos bombillas de 100 vatios sólo operarían unas cinco horas antes de drenar la batería de ciclo profundo (5 horas x 100 vatios x 2 bombillas = 1 kWh). Así que desde el primer momento es necesario utilizar sólo la iluminación DC más eficiente y aparatos de DC se puede comprar, y no basar el tamaño de su cable en 120 voltios AC.

El hecho de que estemos utilizando la corriente continua de baja tensión no quiere decir que no necesitamos fusibles o disyuntores. Cada cable que alimenta una carga en su casa debe tener un fusible de tamaño adecuado o un disyuntor para evitar sobrecargas y posibles incendios.

Normalmente nos encontramos con que un Fusible o disyuntor DC es más grande y más caro que el mismo dispositivo AC para los mismos amperios. También es mucho más difícil encontrar un proveedor local de disyuntores nominales DC. Sin embargo, estamos de enhorabuena ya que la línea Square D “QO” de interruptores automáticos de corriente alterna también son de doble nominal hasta 48 voltios DC, pero esto sólo se aplica a la línea “QO” del fabricante Square D.

El controlador de carga de 30 amperios DC Morningstar solar también incluye terminales de los cables de carga y la seguridad de baja tensión que se desconectan para evitar daños a la batería.No tengo conocimiento de ningún otro interruptor de circuito de bajo costo que se encuentran normalmente en el suministro constructor local que también está clasificado para servicio de corriente continua de baja tensión. Yo sugiero utilizar el subpanel de 8 circuitos Square D  “QO” e interruptores unipolares de 10 o 15 A “QO” para todo el cableado de su carga. Usted puede tener la tentación de utilizar fusibles DC baratos para automóvil, pero no están aprobados para el cableado residencial. Su RV local o tienda de suministros de navegación tendrán una gran selección de artículos de iluminación de 12 voltios DC que debe satisfacer con facilidad todas sus necesidades de iluminación. Estos también están disponibles en diseños resistentes a la intemperie para aplicaciones de iluminación al aire libre. Compraremos lámparas DC que incluyen un conmutador interno de encendido / apagado, ya que los interruptores DC nominales son difíciles de encontrar y hacer la instalación de cableado será más costoso.

Sistema de bombeo o presión de agua

Una bomba de presión de 12 voltios DC puede proporcionar agua a presión a un fregadero de la cocina o la ducha de un tanque de almacenamiento. En general, esto simplifica los costos de fontanería y la alta demanda eléctrica de una bomba de pozo profundo. Este depósito se puede rellenar de agua de lluvia, un arroyo cercano, o un manantial. Válvulas de drenaje de fácil acceso deben ser provistas en todos los puntos bajos del sistema rápido drenaje para evitar la congelación, cuando no está ocupado. Obviamente, esta agua no es apta para beber o preparar alimentos sin el tratamiento adecuado, pero siempre se puede beber agua embotellada que traen en cada visita y evitar el costo de la perforación de un pozo o coste solar adicional para accionar una bomba de pozo.

Refrigeración

Una casa alejada de la red eléctrica, que tiene un refrigerador o congelador eléctrico aumenta en gran medida el tamaño y el costo para el sistema de energía solar. La solución más obvia para períodos más cortos de uso, es traer un arcón lleno de hielo. He encontrado que los modelos más eficientes pueden contener hielo durante un máximo de cuatro días.

La industria de la navegación y caravanas ofrecen varios refrigeradores y congeladores DC de 12 voltios y de propano, pero la mayoría gastan demasiada energía. Es posible que desee revisar mi artículo en la edición # 102, (noviembre / diciembre de 2006), que ofrece mucho más información sobre refrigeradores y congeladores DC. Si usted está dispuesto a gastar de  900 $ a 1,500 $, hay varios excelentes refrigeradores y congeladores de CC de 12 voltios diseñados específicamente para casas solares aisladas que requieren mucho menos energía solar para funcionar.

Sunfrost y SunDanzer ofrecen una buena selección de refrigeradores y congeladores de bajo consumo de energía de 12 voltios DC  para aplicaciones solares conectadas a la red. Aunque es costoso, estos modelos super-eficientes ahorrarán miles de dólares ya que se puede llegar a funcionar con un panel solar y una batería mucho más pequeña. Si usted va a utilizar su cabaña durante períodos más largos, el refrigerador solar debe ser la compra de un electrodoméstico más importante.

Tamaño de los cables

Figura 1

Figura 1

Conecte la iluminación y los electrodomésticos DC utilizando los mismos procedimientos de cableado y materiales que se especifican en el Código Eléctrico Nacional (NEC) de Estados Unidos, o las normas de su país. Mi única excepción es para convertir el tamaño de cable para reducir la resistencia del cable, ya que estamos operando en 10 veces la corriente necesaria a 120 voltios de corriente alterna. La tabla de la Figura 1 se presenta la clasificación del NEC en amperios para el cableado de una casa de tamaño común, seguido por el tamaño de mi hilo sugerido para los 12 voltios del cableado DC (Medidas AWG).

Si el tendido de cable es más largo que 15 metros, prefiero ir al siguiente hilo de gran tamaño a pesar de que la carga es aún pequeña. Además, utilice únicamente cable de cobre. El alambre de aluminio es menos costoso, pero tiene un amperaje menor que el cobre para el mismo tamaño de cable. Todas las conexiones de los cables de aluminio requieren compuestos para juntas anticorrosivos especiales, por lo que será más sencillo si se quedan con todo el cableado de cobre, y dispositivos de cableado de cobre sólido y conectores.

Usted puede seguir el cableado sencillo mediante la localización de su panel de interruptores cerca de la puerta principal, y el uso de los interruptores para conmutar cargas dentro y fuera que no tienen interruptores internos. Esto es debido a que el panel de conmutadores AC de 120 o 230 voltios que puede comprar en cualquier tienda de construcción o bricolaje no puede ser utilizado en el servicio eléctrico de corriente continua. Debido a la característica de flujo constante de electricidad de corriente continua, no es raro que los contactos del interruptor de corriente alterna se fundan juntos desde el arco o incluso se fundan cuando se utiliza en los sistemas de cableado de DC.

Debido a que su sencillo sistema eléctrico de DC servirá sólo para unas pocas luces y aparatos DC, usted no tendrá ningún enchufe instalado en la pared, ya que la mayoría de las cargas eléctricas se conectan a los terminales instalados en cada dispositivo. Sin embargo, si usted necesita “desconectar” un aparato, existe un enchufe (macho y hembra) diseñado para el servicio corriente continua de baja tensión. Las dos puntas de salidas DC y los enchufes están rotados 90 grados en referencia a una toma de corriente estándar de 120 o 230 voltios para evitar que accidentalmente se conecta un aparato en el servicio de voltaje incorrecto.

El cableado de los paneles y la batería

Después de montar los módulos de paneles solares, procederemos con el cableado de interconexión. Los módulos solares de potencia más grandes que se venden actualmente vienen precableados con conectores macho y hembra con varios metros de cable. Módulos más pequeños aún tienen una caja de conexiones eléctricas en la espalda, y con ellos puede utilizar conducto flexible impermeable de PVC y conectores de conducto entre la caja de conexión de cada módulo.

Recuerde que estos modelos solares se conectan en “paralelo”, ya que se utiliza un sistema de batería de 12 voltios. Esto significa que el cableado puede requerir hilo separado entre cada módulo y una caja de combinación central montada en el techo. También necesitará un controlador de carga solar que controla la velocidad de carga de la batería y evita la sobrecarga. No se debe conectar ningún módulo solar directamente a la batería sin un controlador de carga en el medio.

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Si está utilizando baterías de GEL sellado o baterías AGM, es fundamental utilizar un controlador de carga de alta calidad que incluye un interruptor “GEL / AGM” o puente que conecta a una tensión de carga inferior. Esto evitará daños en el nuevo banco de baterías, ya que el voltaje de carga de las baterías de celda húmeda podría dañar las baterías selladas.

Si necesita más de cuatro módulos solares, esto hace que sea más difícil de cablear todas en paralelo, por lo que es posible que desee considerar el uso de un controlador de carga que permite el uso de un panel solar de alto voltaje con una batería de 12 voltios.

Esto significa que usted puede ser capaz de conectar los módulos solares en serie para reducir el cableado en paralelo y tener un panel solar de 24 o 48 voltios, suministrando a un banco de baterías de 12 voltios. Todo esto dependerá del controlador de carga solar modelo que usted compre.

Lo más probable es que va a instalar dos cuatro módulos solares de menos de 100 vatios cada uno, pero en sistemas más grandes, puede agregar un cuadro combinador solar. Esto es como un cuadro de fusibles o interruptores, pero que se monta en el exterior, al lado de los paneles solares. Cuando usted tiene múltiples módulos solares, cablearemos cada uno por separado a esta caja, que tiene terminales separadas para hacer este tipo de conexión más fácil.

Por último, asegúrese de incluir un fusible en el cable positivo entre el panel solar y el regulador de la carga, y entre el regulador de carga y la batería. En sistemas tan pequeños, se puede utilizar una de dos polos Square D que posea fusibles de desconexión, y utilizaremos cada fusible por separado para cada cable que permite utilizar una única desconexión para romper las conexiones del regulador de carga.

Sistema de toma de tierra

Usted puede construir su sistema aislado, donde no tendrá nunca una inspección eléctrica y el cableado de baja de 12 voltios no electrocutará a nadie, pero esto no es razón para no utilizar los procedimientos de cableado de seguridad, y esto incluye la toma de tierra. El Código Eléctrico Nacional de EEUU requiere que todos los paneles solares profesionalmente instalados en el tejado, deberán incluir un interruptor de circuito por falla a tierra y cable de tierra separado conectando cada módulo solar directamente a una toma de tierra.

Muchos paneles solares conectados a la red producen más de 400 voltios, por lo que cualquier cortocircuito al bastidor en realidad podría electrocutar a alguien, o el cortocircuito podría hacer arco y causar un incendio eléctrico. Los sistemas solares de DC de 12 voltios más pequeños como este y diseñado para barco o caravanas, no suelen incluir este dispositivo de seguridad adicional, debido a la tensión mucho menor, pero tengo que recomendarle que lo añada al cableado de su sistema fotovoltaico. Sin embargo, si usted decide que su panel solar pequeño tiene un riesgo de seguridad muy limitado, aún es importante proporcionar una buena base para reducir el riesgo de daños causados ​​por rayos, ya que está atornillando objetos metálicos de gran tamaño en lo alto de un tejado en un área abierta.

Cableado de la caja al módulo solar. Véase el pararrayos.

Cableado de la caja al módulo solar. Véase el pararrayos.

Cada módulo solar tiene un agujero perforado y etiquetado en el marco de un cable a tierra, y se debe utilizar un cable de tierra de cobre sólido desnudo para conectar cada módulo. No crea que con conectar el cable de tierra sólo al bastidor de montaje conjunto será suficiente para todo el grupo de módulos. El aluminio se corroe rápidamente cuando se atornilla a otros metales, lo cual hace una conexión eléctrica muy pobre.

Sin cortar el alambre de cobre desnudo, conecte el punto de puesta a tierra de cada módulo mediante un tornillo para chapa de acero inoxidable. A continuación, conéctelo a una vara de acero estándar de 2,5 metros con revestimiento de cobre de ½ pulgada enterrada junto a los cimientos de la casa. También es necesario añadir un cable de cobre desnudo separado de esta vara a la barra colectora de puesta a tierra en el interior del panel del disyuntor principal y la caja de fusibles. Para un sistema de este tipo, un hilo de tierra desnudo de cobre de medida #8 o #10 cumple con el código, pero también requiere que cables de tierra más pequeños que #6 se protejan con manguera flexible para evitar daños en los cables más finos. Por lo general es más fácil usar cable más grueso que el #6 y olvidarnos de la manguera de protección.

Pruebas y puesta en marcha

Nunca, nunca conecte ningún cable a una batería nueva hasta que haya revisado cada cable por separado con un medidor de voltios y ohmios para asegurarse de que no hay un cortocircuito, y que todos los cables positivos (+) están conectados sólo al positivo de la batería (+) y todos los cables negativos (-) están conectados únicamente al negativo (-) de la batería.

Cuando utilizamos de baterías de 6 voltios múltiples o módulos solares de 12 voltios múltiples, es muy fácil obtener una salida de voltaje incorrecto, por lo que también verificaremos que las tensiones coincidan. Un módulo solar de 12 voltios  en realidad debería producir entre 17 y 21 voltios cuando hay pleno sol y no está conectado a ninguna carga. Sin embargo, si usted mide más de 21 voltios, entonces usted tiene un problema, a menos que esté utilizando un cargador solar diseñado para estos voltajes de entrada superiores.

No recomiendo instalar un convertidor de 120 ó 230 V AC en un sistema de esta pequeña capacidad solar y batería limitada, debido a la complejidad de tener dos series distintas de cableado. Hoy en día es fácil de encontrar una radio, televisor, u otro aparato que necesitemos, que funcionen con corriente alterna.

Ahora ya está listo para encender cada interruptor y comenzar a disfrutar de los beneficios que un poco de energía eléctrica solar puede llevar a casi cualquier lugar remoto.

Tabla: Equivalencia grosores de cable AWG-Métrico

AWG MCM Sección Real
(mm²)
mm²
22 0.324 0.5
20 0.517 0.75
18 0.821 1
16 1.31 1.5
14 2.08 2.5
12 3.31 4
10 5.26 6
8 8.37 10
6 13.3 16
4 21.2 25
2 33.6 35
1 42.4 50
1/0 53.3 70
2/0 67.4 70
3/0 85 95
4/0 107.2 120
250 126.7 150
300 152 170
350 177.4 185
400 202.7 240
500 253.4 300
600 304 350
750 380 400
750 380 500
1000 506.7