Caja combinadora solar DIY: por qué la mayoría de los diseños caseros son peligros de incendio (y lo que realmente necesita)

El arco que no muere: Por qué la CC destruye los equipos de CA

En el momento en que acciona un interruptor de CA abierto bajo carga, se forma un arco eléctrico entre los contactos que se separan. Es plasma—gas ionizado que transporta miles de amperios a través de lo que solía ser aire, generando temperaturas que alcanzan los 19.426°C, que, como referencia, es cuatro veces más caliente que la superficie del sol.

Pero aquí está la cuestión de los arcos de CA: mueren por sí solos.

Sesenta veces por segundo, la energía de CA estándar cruza por cero voltios a medida que la corriente alterna su dirección. En ese momento exacto—que dura solo milisegundos—el arco pierde su fuente de energía y se extingue. Los contactos siguen separándose. El circuito se abre. Listo.

La CC no hace esto.

Cuando interrumpe 93.4 voltios CC, ese arco se enciende y permanece encendido mientras los contactos estén lo suficientemente cerca para mantenerlo. No hay cruce por cero. No hay interrupción natural. Solo corriente continua e implacable que intenta salvar esa brecha con un río de plasma que derrite el metal, enciende el aislamiento y sigue ardiendo hasta que los contactos se hayan separado físicamente lo suficiente—normalmente 3-4 veces más lejos de lo que está diseñado el equipo de CA.

Esto es “El arco que no muere”, y es por eso que cada componente dentro de una caja combinadora con clasificación CC real se ve diferente del equipo de CA. El espacio entre los contactos es más amplio. Los extintores de arco (esas placas de metal en zigzag que estiran y enfrían el arco) son más largos. Algunos interruptores de CC incluso utilizan bobinas magnéticas para apagar físicamente el arco, como extinguir una vela.

Su subpanel de CA de $60 no tiene nada de esto.

Sus interruptores están diseñados asumiendo que el arco se extinguirá naturalmente en 8 milisegundos. Ponga 93 voltios CC a través de ellos, y esa suposición se convierte en una responsabilidad. Los contactos intentan abrirse, el arco se forma, y en lugar de morir en el cruce por cero, simplemente... continúa. Los extintores de arco del interruptor no son lo suficientemente largos. La separación de los contactos no es lo suficientemente amplia. Los materiales no están clasificados para el arqueo de CC sostenido.

Eventualmente, una de dos cosas sucede: los contactos se sueldan entre sí (cerrando permanentemente el circuito incluso cuando cree que está “apagado”), o los componentes internos del interruptor se derriten y fallan catastróficamente. Ninguno de los dos resultados implica que su sistema solar se apague de forma segura cuando lo necesite.

La confusión de 48V: El voltaje de su batería ≠ El voltaje de su serie

Aquí es donde la mayoría de los planes de cajas combinadoras solares DIY se desvían.

Ve “sistema de 48V” en sus documentos de planificación. Encuentra un subpanel de CA clasificado para “48 voltios”. Combinación perfecta, ¿verdad?

Error en tres aspectos.

Primero: Esa clasificación de batería de 48V es el nominal voltaje—el punto de operación promedio. Su batería de 48V en realidad opera entre 40V (descargada) y 58V (cargando). No es relevante para el dimensionamiento de la caja combinadora, pero es importante saber que los números se mueven.

Segundo: A sus series solares no les importa a qué voltaje funcionan sus baterías. Cada panel REC de 350W tiene un voltaje de circuito abierto (Voc) de 46.7V. ¿Dos paneles en serie? Eso es 93.4 voltios—casi el doble del voltaje de su batería—y ese es el número que su caja combinadora DIY tiene que manejar. No está combinando 48V; está combinando cinco series separadas de 93.4V en un circuito de salida de CC.

Tercero—y esta es la trampa de la clasificación de voltaje: Cuando un panel con clasificación CA dice “48 voltios”, significa 48 voltios CA. Si tiene alguna clasificación de CC (la mayoría no la tiene), está enterrada en la letra pequeña y es dramáticamente más baja. Un interruptor clasificado para 240 VCA podría ser seguro solo hasta 48 VCC. ¿Un panel clasificado para 480 VCA? Tal vez 60-80 VCC si tiene suerte.

¿Por qué la enorme diferencia? Volviendo a El arco que no muere. Las clasificaciones de voltaje de CA asumen que el arco se extingue naturalmente. Las clasificaciones de voltaje de CC asumen que el arco se defiende e intenta mantenerse a través de brechas más amplias. Cuanto mayor sea el voltaje de CC, más amplia será la brecha que puede saltar, y más robusto debe ser el mecanismo de interrupción.

Entonces, ¿ese panel Square D “clasificado para 48V”? Incluso si esa es una clasificación de CC (revise la hoja de datos—esperaré), está tratando de empujar 93.4V a través de él. Está operando al 195% de su voltaje de diseño. Ese no es un margen de seguridad; ese es un temporizador de cuenta regresiva.

Lo que $240 realmente le compra: Dentro de la certificación UL 1741

“Es solo una etiqueta UL”, podría pensar. “Puedo omitir eso para una configuración DIY”.”

Pero UL 1741—el estándar para cajas combinadoras solares y equipos de interconexión—no está comprobando si su caja tiene esquinas redondeadas y un buen trabajo de pintura. Está probando si su equipo sobrevive a los modos de falla exactos que ocurren en los sistemas fotovoltaicos del mundo real.

Esto es lo que pasa una caja combinadora para obtener esa lista UL 1741:

Pruebas de falla de arco de CC: ¿Pueden los interruptores interrumpir un arco al voltaje máximo de la serie bajo la corriente máxima? Prueban esto cientos de veces. ¿Los interruptores de su panel de CA? Nunca probados para el arqueo de CC. Cero veces.

Pruebas de corriente de cortocircuito: ¿Qué sucede cuando dos series se cortocircuitan accidentalmente, vertiendo 90 amperios a través de una barra colectora clasificada para 20? La prueba expone cada punto de conexión a corrientes de falla 10-20 veces la corriente de operación normal. Todo lo que se va a derretir, se derrite en el laboratorio en lugar de en su techo.

Ciclos de temperatura: Las cajas combinadoras en la azotea oscilan entre las noches de invierno de -40°C y los días de verano de 60°C bajo el sol directo. UL somete el equipo a estos extremos mientras está completamente cargado. ¿Las conexiones que se aflojarían después de tres años de expansión térmica? Fallan en la cámara de pruebas.

Protección del medio ambiente: Esa clasificación NEMA 3R no es decorativa. Significa que la caja sobrevive a la lluvia horizontal, no acumula hielo que bloquea la ventilación y mantiene el polvo fuera de las barras colectoras incluso cuando se monta en un entorno industrial polvoriento. Su subpanel de garaje es NEMA 1—diseñado para un uso interior agradable y limpio a temperatura ambiente.

El costo real de esa actualización de $240 no son los materiales. Un interruptor con clasificación CC cuesta tal vez $30 en lugar de $12 para un interruptor de CA. La carcasa de metal cuesta otros $50. ¿El resto? Son las horas de ingeniería dedicadas a asegurarse de que esos componentes funcionen juntos de manera confiable en las peores condiciones, y las pruebas para probarlo.

Cuando omite UL 1741, no solo está perdiendo una etiqueta. Se está perdiendo 10,000 horas de pruebas destructivas que identificaron cada modo de falla que su caja montada en el techo va a enfrentar durante los próximos 20 años. Está probando beta esos modos de falla usted mismo.

En tiempo real.

En su techo.

4 Requisitos no negociables para una caja combinadora solar DIY segura

Seamos claros: construir su propia caja combinadora solar es técnicamente posible. Pero solo vale la pena hacerlo si cumple con todos y cada uno de estos requisitos. Omita incluso uno, y sería mejor que comprara la caja prefabricada.

Requisito 1: Componentes con clasificación CC con clasificaciones de voltaje adecuadas

Su lista de compras para una caja combinadora solar DIY comienza aquí: cada interruptor, fusible, barra colectora, bloque de terminales, e interruptor dentro de esa caja debe estar explícitamente clasificado para voltaje de CC y para al menos 600 voltios CC.

No 600 VCA. No “adecuado para solar”. No “probablemente bien”. La hoja de datos debe indicar: “600VCC” en texto plano.

¿Por qué 600V cuando sus series son solo 93.4V? Dos razones. Primero, el Artículo 690.7 de NEC requiere cálculos de voltaje basados en la más fría temperatura esperada en su ubicación. Los paneles solares producen un voltaje más alto cuando hace frío—hasta un 10-15% más alto que la Voc de la placa de identificación dependiendo de su zona climática. Sus paneles de 46.7V podrían alcanzar los 53V cada uno en una mañana de enero. ¿Dos en serie? 106 voltios por serie.

En segundo lugar, necesita un margen de seguridad para los picos de voltaje transitorios durante los efectos del borde de la nube (cuando la intensidad de la luz solar cambia rápidamente) y para la degradación del equipo con el tiempo. Estándar de la industria: si su voltaje máximo del sistema es inferior a 150 VCC, utilice componentes clasificados para 600 VCC. No es exagerado; es el mínimo para una vida útil de 25 años.

Dónde obtener componentes con clasificación CC:

• Disyuntores DC: Fabricantes como ABB, Eaton, Mersen y Littelfuse fabrican interruptores automáticos en caja moldeada (MCCB) con clasificación CC. Espere pagar $35-60 por interruptor frente a $12-18 por interruptores de CA equivalentes. Busque la clasificación CC “suplemento UL 489” o la marca “IEC 60947-2 DC”.
• Fusibles: Ferraz Shawmut, Mersen y Littelfuse ofrecen fusibles con clasificación fotovoltaica con clasificaciones de 600 VCC a 1000 VCC. Utilice fusibles de 15 A para paneles estándar de 350 W (calculado como Isc × 1.56 según NEC 690.8). Costo: $8-15 por fusible más $25-40 por portafusibles.
• Barras colectoras: Cobre o aluminio clasificado para 90°C mínimo. Muchas barras colectoras con clasificación CA funcionan bien, pero verifique que la especificación del material maneje la densidad de corriente CC (1.5-2.0 A/mm² para cobre).

Pro-Tip #1: ¿Esa marca “48V” en el equipo de CA? Se refiere al voltaje de su batería, no al voltaje de la serie de su panel. Su sistema de batería de 48V tiene series de 93.4V que necesitan un equipo de CC adecuado con clasificación de 600VCC.

Requisito #2: UL 1741-Caja listada o protección equivalente

La caja metálica en sí importa más de lo que crees al construir una caja combinadora solar DIY.

Para la instalación en la azotea, necesitas como mínimo una NEMA 3R caja con clasificación (hermética a la lluvia) o IP54 (protegida contra polvo y salpicaduras). Los paneles NEMA 1 para interiores no son adecuados. La caja debe:

Manejar el ciclo térmico: Las temperaturas en la azotea varían entre 80 y 100 °F diariamente. La caja necesita juntas que mantengan su sello, orificios ciegos que no se agrieten por la expansión/contracción y pintura que no se desprenda y contamine las conexiones eléctricas.

Proporcionar ventilación adecuada: Los interruptores de CC generan calor al transportar corriente. Sin una ventilación adecuada, las temperaturas internas pueden exceder las clasificaciones de los componentes, incluso cuando la temperatura ambiente es aceptable. Busca cajas con ventilación calculada para al menos un 30% más de carga térmica que tu corriente máxima de string.

Incluir disposiciones de conexión a tierra adecuadas: Tu caja necesita barras colectoras de conexión a tierra dedicadas con terminales mecánicos (no clips de resorte) clasificados para cobre de #6 AWG como mínimo. Cada superficie metálica dentro de la caja debe estar conectada a tierra. Esto no es opcional: NEC 690.43 lo exige.

Verificación de la realidad del costo: Una caja NEMA 3R adecuada dimensionada para 5-6 strings (aproximadamente 12″ × 16″ × 6″) cuesta entre $80 y 150. ¿Una caja resistente a la intemperie para exteriores con los orificios ciegos, las barras colectoras y los accesorios de montaje correctos? $120-200. Eso es el 50-60% del costo total de tu caja combinadora DIY ahí mismo.

Si estás pensando “Simplemente usaré el panel de CA y agregaré una cubierta resistente a la intemperie”, detente. Esas cubiertas están diseñadas para proteger los interruptores de la lluvia durante el uso momentáneo, no para proporcionar protección NEMA 3R continua para equipos que viven al aire libre las 24 horas del día, los 7 días de la semana durante 25 años.

Requisito #3: Protección contra fallas de arco (cumplimiento de NEC 690.11)

Aquí es donde la mayoría de las construcciones de cajas combinadoras solares DIY fallan en la inspección del código.

NEC 690.11 exige interruptores de circuito por falla de arco (AFCI) para cualquier sistema fotovoltaico con circuitos de CC que operen a 80 voltios o más. ¿Tus strings de 93.4V? Estás 17% por encima del umbral. AFCI no es negociable.

Lo que realmente hace AFCI: Monitorea la firma eléctrica de la corriente que fluye a través de los circuitos de CC y detecta el patrón de ruido específico de una falla de arco: la señal caótica de alta frecuencia que aparece cuando la corriente salta a través de un espacio. Cuando se detecta, interrumpe inmediatamente el circuito antes de que el arco pueda encender los materiales cercanos.

¿Recuerdas El Arco Que No Morirá? AFCI está diseñado específicamente para matarlo.

Tus dos opciones:

Opción 1: inversor con AFCI integrado: La mayoría de los inversores de string modernos (SMA, SolarEdge, Fronius, etc.) tienen detección de fallas de arco incorporada según UL 1741. Si tu inversor tiene esto, no necesitas AFCI separado en tu caja combinadora DIY. Verifica esto revisando la hoja de especificaciones de tu inversor para “Cumple con UL 1741 AFCI” o “Protección contra fallas de arco NEC 690.11”.”

Opción 2: dispositivo AFCI independiente: Si tu inversor no incluye AFCI, necesitas un detector de fallas de arco listado instalado en tu caja combinadora o dentro de los 6 pies de ella. Estos cuestan entre $200 y 400 y requieren cableado adicional. Las marcas incluyen Sensata, Eaton y Mersen. Esto solo podría hacer que tu caja combinadora DIY sea más cara que comprar una prefabricada.

Excepción: Si tu cableado de CC corre en conducto metálico o cable con revestimiento metálico, y nunca sale de ese conducto metálico entre los paneles y el inversor, puedes omitir AFCI. Pero, ¿realmente? Las instalaciones en la azotea utilizan cable fotovoltaico expuesto con conectores MC4, lo que significa que se requiere AFCI.

Pro-Tip #2: Los arcos de CC no mueren cuando accionas el interruptor; siguen ardiendo a 35,000 °F hasta que se suprimen físicamente. AFCI es cómo los suprimes antes de que inicien incendios.

Requisito #4: Etiquetado y documentación adecuados (NEC 690.7, 690.15)

Los inspectores de código marcarán con una etiqueta roja tu instalación de caja combinadora solar DIY por falta de etiquetas más rápido que por opciones de componentes cuestionables.

Etiquetas requeridas en tu caja combinadora DIY:

1. Etiqueta de voltaje máximo de CC (NEC 690.7):

VOLTAJE MÁXIMO DE CC: 106V

Esta etiqueta debe colocarse en el exterior de la caja combinadora y ser visible sin abrir la caja.

2. Identificación del combinador de CC (NEC 690.15):

ADVERTENCIA:

3. Identificación del conductor (NEC 690.31):
Cada string entrante debe estar etiquetado con su ubicación de origen:

• “STRING 1 – ARREGLO NORTE”
• “STRING 2 – ARREGLO NORTE”
• “STRING 3 – ARREGLO SUR”
• etc.

4. Etiqueta del conductor del electrodo de conexión a tierra (si corresponde):
Si tu conductor de conexión a tierra termina en la caja combinadora, etiquétalo según NEC 690.47.

Utiliza material de etiquetas para exteriores (etiquetas de poliéster 3M o Brady con tinta resistente a los rayos UV). Las etiquetas de papel impresas en fundas resistentes a la intemperie no pasarán la inspección; se degradan demasiado rápido.

Documentación que necesitas:

• Diagrama unifilar que muestra la configuración y los voltajes del string
• Hojas de datos de los componentes que demuestran las clasificaciones de CC
• Cálculo que muestra el voltaje máximo NEC 690.7
• Cálculos de corriente NEC 690.8

Guarda copias dentro de la caja combinadora en una bolsa de documentos resistente a la intemperie. Los inspectores pueden solicitarlos.

Las matemáticas reales: caja combinadora de $300 frente a la alternativa

Hablemos de dinero. Dinero real.

Tu lista de piezas de caja combinadora solar DIY que cumple con las normas:

• Caja NEMA 3R con soportes para interruptores: $120
• Cinco interruptores de 15 A con clasificación de CC a $45 cada uno: $225
• Barras colectoras y terminales con clasificación de CC: $60
• Hardware, etiquetas, cable, conectores: $40
• Total: $445

Espera. La caja combinadora prefabricada con certificación UL 1741 cuesta $320. ¿Tus “ahorros DIY”? Estás perdiendo $125 más 6-8 horas de tiempo de montaje y cableado.

Pero eso asume que no necesitas AFCI separado. ¿Agregar ese dispositivo de $300? Ahora estás en $745 frente a $320 para la caja prefabricada que incluye AFCI integrado.

Las matemáticas no funcionan para la mayoría de los proyectos de cajas combinadoras solares DIY. A menos que estés construyendo para más de 10 strings donde las cajas prefabricadas se vuelven caras (más de $800), o necesites una configuración personalizada que no esté disponible en el mercado, las cajas combinadoras DIY a menudo más más caro que comprar equipos debidamente certificados.

Aquí están las cuentas que realmente importan:

Costo de un incendio eléctrico: 50.000-250.000 € en daños estructurales, dependiendo de cuándo lleguen los bomberos.

Costo del aumento de la prima del seguro de hogar después de un incendio eléctrico: aumento del 20-40 % durante 3-5 años = 1.200-3.000 € de costo adicional.

Costo de la denegación de la reclamación del seguro porque utilizó equipos no homologados: 100 % de los daños = lo que cueste el incendio.

Costo de los problemas de permisos cuando intenta vender su casa: retrasos, nuevas inspecciones, costos potenciales del contratista para cumplir con el código = 2.000-8.000 €.

¿Esa diferencia de precio de 240 €? No se trata de comprar una etiqueta elegante. Se trata de comprar la tranquilidad de que cada componente fue probado exhaustivamente para los modos de falla exactos que ocurren en los tejados. Se trata de comprar equipos que cumplen con los seguros y que no anularán su póliza. Se trata de comprar hardware aprobado por el inspector que no retrasará su permiso por tres meses.

Pro-Tip #3: La verdadera habilidad de bricolaje no es averiguar cómo construir todo usted mismo, sino saber qué atajos puede tomar y cuáles le perjudican. Las cajas combinadoras le perjudican.

Cuándo el bricolaje realmente tiene sentido

No confunda este artículo con “nunca construya nada usted mismo”. Las instalaciones solares tienen muchas oportunidades legítimas de bricolaje:

Proyectos de bricolaje inteligentes:

• Estructura y montaje: Puede diseñar e instalar absolutamente su propio sistema de montaje de paneles. Es mecánico, es verificable y no hay ningún arco que no muera tratando de matarlo si se equivoca en algo.
• Tendido de conductos: ¿Tender conductos EMT o PVC desde su caja combinadora hasta su inversor? Gran proyecto de bricolaje. Simplemente siga los cálculos de llenado de conductos NEC.
• Monitoreo del sistema: ¿Agregar monitoreo de rendimiento, registro de datos, incluso integraciones de IoT para rastrear su sistema? Vuélvase loco. En el peor de los casos, perderá algunos datos.

Proyectos de bricolaje imprudentes:

• Cajas combinadoras (como hemos comentado)
• Seccionadores de CC entre la caja combinadora y el inversor (mismos problemas: interrupción del arco de CC, clasificaciones de voltaje)
• Instalación del inversor (conexiones eléctricas complejas, puntos de integración de CA/CC)
• Interconexiones del panel de servicio (requiere un electricista autorizado en la mayoría de las jurisdicciones)

¿El patrón? Si transporta CC de alto voltaje o se conecta a su servicio eléctrico principal, contrate a profesionales o compre equipos homologados. Si es estructural, mecánico o monitoreo de bajo voltaje, hágalo usted mismo.

Conclusión: Construya de forma inteligente, no solo barata

Si ha llegado hasta aquí, ya está por delante del 90 % de los instaladores solares de bricolaje. Está haciendo las preguntas correctas.

Esto es lo que ha aprendido:

El arco que no muere: Los arcos de CC no se autoextinguen como los arcos de CA. Arden a 19.400 °C hasta que se suprimen físicamente. Los equipos de CA no están diseñados para esto.

La confusión de 48 V: El voltaje de su batería no es el voltaje de su cadena. Ese sistema de 48 V tiene cadenas de 93,4 V que necesitan equipos con clasificación de 600 VCC, no paneles de CA reutilizados.

La trampa de la clasificación de voltaje: Las clasificaciones de voltaje de CA no se traducen a CC. Un disyuntor de 240 VCA podría ser seguro solo hasta 48 VCC. Sus cadenas de 93,4 V exceden la capacidad de CC de la mayoría de los equipos de CA.

El costo del cumplimiento: Construir una caja combinadora solar de bricolaje que cumpla con el código cuesta 445-745 €. ¿Comprar una caja prefabricada con certificación UL 1741? 320 €. Las cuentas no respaldan el bricolaje a menos que necesite configuraciones personalizadas.

¿Puede construir técnicamente su propia caja combinadora? Sí. Con los componentes correctos, los gabinetes adecuados, la protección AFCI y el etiquetado correcto, es posible.

¿Debería hacerlo? Probablemente no. El ahorro de costos se evapora una vez que calcula el precio de los componentes con clasificación de CC y AFCI. La inversión de tiempo (8-10 horas para la primera construcción, 4-6 para las siguientes) rara vez justifica el ahorro marginal. Y la responsabilidad si algo sale mal (esa denegación de la reclamación del seguro, ese rechazo del permiso, esa etiqueta roja del inspector) elimina cualquier beneficio financiero.

¿El verdadero movimiento de bricolaje? Sepa cuándo construir y cuándo comprar.

Ahorre su energía de bricolaje para la estructura, los sistemas de monitoreo, el tendido de conductos, las partes de las instalaciones solares donde su esfuerzo realmente multiplica su dinero en lugar de simplemente aumentar su riesgo.

¿Y ese panel Square D de 60 € en su garaje? Úselo donde pertenece: en un circuito de CA, donde el cruce por cero hace el trabajo pesado y los arcos mueren por sí solos como se supone que deben hacerlo.

Porque en la energía solar fotovoltaica, el error más costoso no es el que le cuesta 300 € por adelantado. Es el que le ahorra 240 € hoy y le cuesta 50.000 € dentro de seis meses cuando El arco que no muere encuentra algo inflamable.