El auge de la tecnología fotovoltaica (FV) bifacial ha revolucionado la industria solar, ofreciendo aumentos en el rendimiento energético de hasta el 30% al capturar la luz reflejada en la parte posterior del módulo. Sin embargo, esta energía “adicional” conlleva un desafío de ingeniería crítico: ganancia de corriente. Para los ingenieros eléctricos y los diseñadores de sistemas, la naturaleza variable de la irradiancia en la parte posterior significa que las reglas estándar de dimensionamiento de la protección contra sobrecorriente a menudo se quedan cortas.
Si dimensiona los fusibles basándose únicamente en la clasificación de las condiciones de prueba estándar (STC) del lado frontal, corre el riesgo de disparos intempestivos, fatiga del equipo y posibles riesgos de incendio durante los eventos de albedo máximo. Como fabricante líder de equipos de protección eléctrica, VIOX Electric entiende que el dimensionamiento adecuado de los fusibles para los arreglos bifaciales requiere una comprensión matizada tanto del Código Eléctrico Nacional (NEC) como de la física de la irradiancia reflejada.
La física de la ganancia de corriente bifacial
A diferencia de los módulos monofaciales tradicionales, los paneles bifaciales cuentan con una lámina posterior transparente o un diseño de doble vidrio que permite que la luz llegue a las células solares desde la parte posterior. La parte posterior contribuye a la potencia de salida total, pero lo que es más importante para la protección del circuito, contribuye directamente a la corriente de cortocircuito (I_{sc}).
La cantidad de corriente adicional generada depende en gran medida del albedo (reflectividad) de la superficie debajo de los paneles y la altura de instalación. Un panel sobre un techo comercial blanco (alto albedo) generará significativamente más corriente que uno sobre asfalto o hierba.
Coeficiente de bifacialidad y factor de ganancia
Para dimensionar la protección correctamente, debemos cuantificar esta ganancia.
- Coeficiente de bifacialidad: La relación entre la eficiencia del lado posterior y la eficiencia del lado frontal (típicamente 70-80% para las células PERC o TOPCon modernas).
- Factor de ganancia bifacial (BGF): El aumento porcentual real en la corriente durante el funcionamiento. Si bien los fabricantes pueden enumerar una ganancia de “referencia”, el BGF del mundo real generalmente oscila entre 10% y 15%, con picos de hasta 25-30% en condiciones optimizadas (por ejemplo, nieve o membranas blancas).
Los ingenieros no pueden simplemente ignorar esta corriente adicional. El fusible debe ser capaz de manejar el I_{sc} total combinada sin deteriorarse, al tiempo que protege el cable y el módulo de las fallas.
NEC 690.8 y la regla 1.56: Adaptado para bifacial
El Código Eléctrico Nacional (NEC) proporciona el marco para dimensionar los circuitos fotovoltaicos, pero los módulos bifaciales añaden una capa de complejidad al Artículo 690.8.
El dimensionamiento estándar sigue la “Regla 1.56”:
I_{fuse} \ge I_{sc} \times 1.25 \text{ (Factor de irradiancia)} \times 1.25 \text{ (Factor de servicio continuo)}
Para obtener una guía detallada sobre el dimensionamiento estándar, consulte nuestra Guía de dimensionamiento de desconexión de fusibles fotovoltaicos (Regla NEC 1.56).
Sin embargo, para los módulos bifaciales, I_{sc} no es un número estático. NEC 690.8(A)(2) permite el cálculo basado en el “promedio de corriente más alto de 3 horas”, pero una práctica de ingeniería más común y segura es ajustar la I_{sc} base antes de aplicar los factores de seguridad.
La fórmula ajustada
Para garantizar el cumplimiento y la seguridad, utilice la I_{sc} ajustada:
I_{sc, ajustada} = I_{sc, frontal} \times (1 + \text{Ganancia bifacial})
Luego aplique los factores de protección estándar:
\text{Clasificación mínima del fusible} = I_{sc, ajustada} \times 1.56
Tabla 1: Comparación del cálculo de corriente bifacial vs. monofacial
| Parámetro | Módulo monofacial | Módulo bifacial (ganancia del 15%) |
|---|---|---|
| I_{sc} nominal (frontal) | 13.0 A | 13.0 A |
| Ganancia del lado posterior | 0 A | +1.95 A (13.0 × 0.15) |
| I_{sc} efectiva | 13.0 A | 14.95 A |
| Multiplicador NEC | 1.56 | 1.56 |
| Fusible mínimo calculado | 20.28 A | 23.32 A |
| Tamaño de fusible estándar | 20A o 25A | 25A o 30A |
Observe cómo la ganancia bifacial empuja el requisito al siguiente tamaño de fusible estándar.
IEC 60269-6 y requisitos de fusibles gPV
Si bien el cálculo del dimensionamiento es vital, el tipo tipo de fusible seleccionado es igualmente crítico. Para aplicaciones fotovoltaicas, debe utilizar fusibles con una gPV característica según IEC 60269-6.
A diferencia de los fusibles de CA estándar o los fusibles de CC de uso general, los fusibles gPV están diseñados para interrumpir sobrecorrientes bajas (típicamente de 1.35x a 2x la corriente nominal) que son comunes en las cadenas fotovoltaicas durante eventos de sombreado o desajuste.
Por qué gPV es importante para bifacial
Los módulos bifaciales pueden soportar corrientes ligeramente por encima de su clasificación durante largos períodos durante los días de alto albedo. Un fusible no gPV podría fatigarse bajo esta carga térmica continua, lo que provocaría una falla prematura. Además, los altos voltajes de CC (1000 V o 1500 V) requieren capacidades específicas de extinción de arco que se encuentran en los fusibles gPV de cerámica.
Para una comparación más profunda de los materiales de los fusibles, lea nuestro artículo sobre Guía de seguridad de fusibles de vidrio vs. fusibles de cerámica.
Metodología de cálculo integral
Para dimensionar los fusibles para un sistema bifacial, siga este proceso de ingeniería paso a paso.
Paso 1: Determine la Referencia $I_{sc}$
Consulte la hoja de datos del módulo. Busque la “Irradiancia Nominal Bifacial” o tablas de datos específicas que muestren $I_{sc}$ en diferentes niveles de ganancia (por ejemplo, 10%, 20%, 30%). Si estos datos no están disponibles, un ingeniero conservador normalmente asume una ganancia de 20-25% para los cálculos para garantizar la seguridad, a menos que el modelado de albedo específico del sitio demuestre lo contrario.
Paso 2: Aplique los Factores NEC 690.8
Calcule la clasificación mínima del Dispositivo de Protección contra Sobrecorriente (OCPD).
$$I_{OCPD} = I_{sc, bifacial} \times 1.25 \times 1.25$$
Paso 3: Verifique la Clasificación Máxima del Fusible en Serie del Módulo
Crucialmente, el fusible seleccionado no debe exceder la “Clasificación Máxima del Fusible en Serie” que figura en la hoja de datos del módulo. Esto crea una ventana de diseño:
- Límite inferior: Tamaño mínimo calculado del OCPD (para evitar disparos molestos).
- Límite superior: Clasificación Máxima del Fusible en Serie del Módulo (para proteger el módulo).
Si el valor calculado excede la clasificación máxima del módulo, no puede simplemente aumentar el tamaño del fusible. Es posible que deba aumentar el número de cadenas (reducir las conexiones en paralelo) o consultar al fabricante del módulo para obtener certificaciones actualizadas.
Para sistemas que combinan múltiples cadenas, asegúrese de comprender los requisitos para las conexiones en paralelo que se describen en nuestra guía: Requisitos de Fusibles para Sistemas FV Solares: Cadenas en Paralelo NEC 690.9.
Tabla 2: Ejemplos de Dimensionamiento de Fusibles para Diferentes Clasificaciones de Módulos Bifaciales
| Módulo Frontal $I_{sc}$ | Ganancia Bifacial Utilizada | $I_{sc}$ Ajustado | Cálculo Mínimo del Fusible ($I \times 1.56$) | Siguiente Tamaño de Fusible Estándar |
|---|---|---|---|---|
| 10 A | 10% | 11.0 A | 17.16 A | 20 A |
| 15 A | 15% | 17.25 A | 26.91 A | 30 A |
| 18 A | 20% | 21.6 A | 33.70 A | 35 A o 40 A |
| 20 A | 25% | 25.0 A | 39.00 A | 40 A |
Reducción de Potencia por Temperatura: El Asesino Silencioso de Fusibles
Los fusibles son dispositivos térmicos; operan derritiéndose cuando se calientan demasiado. En consecuencia, las altas temperaturas ambiente afectan su capacidad de conducción de corriente. Las instalaciones solares en tejados a menudo experimentan temperaturas que superan los 60°C o 70°C.
Para los módulos bifaciales, la corriente adicional genera calor adicional dentro del enlace del fusible ($P = I^2R$). Si instala un fusible clasificado para 25A en una caja combinadora que alcanza los 60°C, ese fusible podría reducirse efectivamente a 20A o menos.
Al dimensionar para sistemas bifaciales, aplique un factor de reducción de potencia por temperatura ($K_t$) de la hoja de datos del fabricante del fusible:
$$I_{fuse, final} = \frac{\text{Corriente Mínima Calculada}}{K_t}$$
No tener en cuenta la temperatura es una causa principal de fatiga del fusible en climas cálidos. Obtenga más información sobre la protección de cables y fusibles en entornos hostiles en nuestra Guía de Dimensionamiento de Fusibles para Cables Solares en Montaje en Tierra.
Consideraciones de Diseño del Mundo Real
Tabla 3: Factores de Ganancia Bifacial por Tipo de Instalación y Albedo
| Material de la Superficie | Albedo (%) | Ganancia de Corriente Típica | Margen de Seguridad Recomendado |
|---|---|---|---|
| Hierba / Suelo | 15-20% | 5-7% | Baja |
| Hormigón / Arena | 20-30% | 7-10% | Medio |
| Tejado de Membrana Blanca | 60-80% | 15-20% | Alta |
| Nieve | 80-90% | 20-30%+ | Muy alta |
Selección de la Caja Combinadora
La corriente adicional de los módulos bifaciales también impacta las barras colectoras y la gestión térmica de la caja combinadora. Al seleccionar una caja combinadora, asegúrese de que la clasificación de la carcasa y las barras colectoras internas estén dimensionadas para la bifacial corriente total, no solo la clasificación del lado frontal. Para la planificación de la expansión, consulte nuestra Guía de Dimensionamiento de Cajas Combinadoras Solares.
Sobrecorriente vs. Cortocircuito
Es importante distinguir entre la protección contra sobrecarga y la protección contra cortocircuito. La ganancia bifacial aumenta la corriente de funcionamiento más cerca del umbral de sobrecarga. El uso de interruptores automáticos o fusibles con ajustes de disparo ajustables a veces puede ofrecer más flexibilidad que los fusibles fijos. Para una comparación de los dispositivos de protección, consulte Protección FV CC Explicada: MCBs, Fusibles y SPDs.
Los Errores más comunes a Evitar
- Ignorando la Ganancia del Lado Posterior: Dimensionar estrictamente según la etiqueta frontal es el error #1. Siempre agregue la ganancia bifacial esperada.
- Doble Conteo de Factores de Seguridad: Algunos ingenieros aplican el factor 1.25 dos veces innecesariamente. Apéguese a la fórmula: $I_{sc, ajustado} \times 1.56$.
- Exceder la Clasificación Máxima de Fusible en Serie del Módulo: Priorizar la alta corriente calculada ignorando el límite de seguridad del módulo puede anular las garantías y crear riesgos de incendio.
- Desatender la Reducción de Potencia por Temperatura: Un fusible dimensionado perfectamente para 25°C probablemente fallará a 65°C dentro de una caja combinadora en el techo.
Tabla 4: Resumen de los Factores de Multiplicación NEC
| Factor de | Valor | Propósito |
|---|---|---|
| Ganancia Bifacial | Variable (1.10 – 1.30) | Tiene en cuenta la irradiancia del lado posterior |
| Alta Irradiancia (690.8(A)(1)) | 1.25 | Tiene en cuenta la intensidad solar > 1000 W/m² |
| Servicio Continuo (690.8(B)) | 1.25 | Previene el calentamiento/fatiga del fusible durante >3 horas |
| Multiplicador Estándar Total | 1.56 | Factor de seguridad combinado para el cálculo |
Sección de preguntas frecuentes
P: ¿Por qué los paneles bifaciales necesitan un dimensionamiento de fusibles diferente al de los paneles monofaciales?
R: Los paneles bifaciales generan corriente desde ambos lados. Esta corriente adicional eleva la Corriente de Cortocircuito efectiva ($I_{sc}$) del circuito. Los fusibles dimensionados solo para la salida del lado frontal pueden dispararse durante las horas pico de luz solar cuando la reflexión del suelo es alta.
P: ¿Cómo determino el Factor de Ganancia Bifacial (BGF) correcto para mi proyecto?
R: Idealmente, utilice un software de simulación específico del sitio (como PVSyst) que tenga en cuenta el albedo, el ángulo de inclinación y la altura. Sin simulación, a menudo se recomienda una estimación conservadora de ganancia del 15-20% para dimensionar el equipo de seguridad, siempre que se mantenga dentro de las clasificaciones máximas del módulo.
P: ¿Qué sucede si el tamaño de fusible calculado excede la Clasificación Máxima de Fusible en Serie del módulo?
R: No puede instalar un fusible más grande que la clasificación del módulo. Debe rediseñar la configuración de la cadena (por ejemplo, menos cadenas en paralelo) o seleccionar un módulo con una clasificación de fusible en serie más alta.
P: ¿Puedo usar fusibles de CA estándar para paneles solares bifaciales?
R: No. Debe usar fusibles clasificados para CC (típicamente 1000V o 1500V) con una característica gPV. Los fusibles de CA no pueden extinguir de manera confiable los arcos de CC y pueden fallar catastróficamente.
P: ¿Cómo afecta la temperatura a mi elección de fusible?
R: Los fusibles son dispositivos térmicos. En altas temperaturas ambiente (común en solar), se disparan a corrientes más bajas. Debe dividir su corriente calculada por el factor de reducción de potencia por temperatura del fabricante para seleccionar el amperaje de fusible correcto.
P: ¿Es el factor 1.56 requerido por NEC 690.8 suficiente para paneles bifaciales?
R: El factor 1.56 se aplica a la corriente del módulo. Para paneles bifaciales, debe aplicar este factor a la corriente ajustada (Frontal $I_{sc}$ + Ganancia Trasera), no solo al $I_{sc}$ del lado frontal.
Puntos Clave
- La Ganancia Bifacial es Amperaje Real: Trate la ganancia del lado posterior como corriente continua que contribuye al calor y la carga, no solo como un pico temporal.
- Ajuste $I_{sc}$ Primero: Calcule el $I_{sc}$ efectivo total (Frontal + Trasero) antes de aplicar los factores de seguridad NEC 1.56.
- Tenga en Cuenta la Brecha: Asegúrese de que su clasificación de fusible sea lo suficientemente alta para evitar disparos molestos, pero lo suficientemente baja para obedecer la Clasificación Máxima de Fusible en Serie del Módulo.
- gPV es Obligatorio: Siempre verifique que los fusibles cumplan con los estándares IEC 60269-6 para aplicaciones fotovoltaicas; nunca los sustituya por cargas estándar.
- El Albedo Importa: Cuanto más clara sea la superficie del suelo (por ejemplo, techos blancos, nieve), mayor será la ganancia de corriente; dimensione su OCPD en consecuencia.
- Vigile el Calor: La temperatura ambiente en las cajas combinadoras reduce significativamente la capacidad del fusible; aplique factores de reducción de potencia para evitar fallas por fatiga.
