El uso de conductores de aluminio en instalaciones fotovoltaicas.

El cobre no es el único material conductor que se puede utilizar en instalaciones eléctricas. El mercado está repleto de ofertas de cables de aluminio, significativamente más ligeros y económicos (hasta dos tercios del precio de un cable de cobre de la misma especificación) y que pueden encontrarse con los mismos recubrimientos, propiedades aislantes y voltajes de aplicación que los cables de cobre tradicionales.

Por lo tanto, no es raro encontrar este tipo de cable en instalaciones comerciales e industriales. De hecho, prácticamente todas las líneas de distribución pública de media tensión están fabricadas con cables de aluminio. Si ya se utilizan cables de aluminio en algunas instalaciones comerciales e industriales, y si ofrecen ventajas como peso y coste, surge la pregunta: ¿podemos utilizar cables de aluminio en sistemas de energía solar fotovoltaica?

Limitaciones del cable de aluminio

El aluminio tiene una densidad de 2,7 g/cm³, mientras que el cobre tiene una densidad de 8,89 g/cm³, una gran diferencia, más aún si consideramos el uso de cables en una línea aérea suspendida.

En cuanto a la resistividad, el aluminio presenta valores mucho más altos que el cobre: ​​28,2 Ω.mm²/km frente a 17,2 Ω.mm²/km. Por lo tanto, para la misma capacidad de conducción de corriente, el cable de aluminio deberá tener una sección transversal mayor que el cable de cobre. Dado que la caída de tensión es directamente proporcional a la resistividad del material, al utilizar cables de aluminio debemos ser más conscientes de este fenómeno.

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Caso de estudio: caída de tensión en el circuito DC según NBR 16690

Apagado del inversor fotovoltaico por variación de tensión

A continuación se muestra la Tabla 36 de la norma. ABNTNBR 5410, en el que se puede observar que, para la misma sección de cable y método de instalación, los conductores de aluminio tienen una menor capacidad de carga de corriente.

A pesar de su atractivo económico, no podemos utilizar cables de aluminio en ninguna instalación. La primera y principal limitación de los cables de aluminio reside en sus conexiones. El aluminio, al exponerse al aire, forma una capa de óxido de aluminio, que actúa como aislante.

Como esta capa aislante tiene un tamaño del orden de unos pocos micrómetros, los electrones aún pueden pasar a través de ella, pero esto aumenta considerablemente la resistencia de la conexión, lo que puede provocar que se sobrecaliente.

Además del problema de oxidación, al tratarse de materiales con electronegatividades muy diferentes, no es posible realizar conexiones directas entre cables de aluminio y componentes de cobre. Ambos metales son galvánicamente incompatibles. Con el tiempo, el componente de cobre, que es un material más noble, corroerá la conexión con el aluminio, causando los mismos problemas mencionados anteriormente.

El aluminio tiene otras propiedades indeseables para las conexiones: su coeficiente de expansión térmica es mayor que el del cobre, y su maleabilidad y límite elástico son menores. El aluminio se expande y contrae con mayor facilidad con el calor que el cobre, por lo que tiende a que las fuerzas del cable actúen sobre su sistema de sujeción, lo que con el tiempo puede provocar el aflojamiento de las conexiones.

El aluminio también es menos maleable, es decir, se rompe más fácilmente y tiene un límite elástico más bajo. El límite elástico está relacionado con la deformación que soporta un material para que aún pueda volver a su forma original.

Si doblamos una lámina de aluminio y una de cobre con las mismas fuerzas, llegará un momento en que la lámina de aluminio no volverá a su estado original, sino que quedará permanentemente abollada, mientras que la de cobre podrá volver a su estado plano. Lo mismo aplica a los cables.

Sumando los efectos de la temperatura a la maleabilidad y al límite elástico, tenemos que para algunas aleaciones de aluminio (principalmente las más antiguas o fuera de lo normal para su uso en cables), el calentamiento natural hace que el conductor pierda gradualmente su formato original, abriendo espacio. para un mayor ataque de oxidación, que empeora la conexión y provoca aún más calor, formando un ciclo de expansión que termina con un aflojamiento de la conexión o, en casos extremos, incluso la rotura del cable.

Instalación de cables de aluminio.

Los hechos mostrados arriba demuestran que debemos tener especial cuidado al trabajar con este tipo de cable. Para evitar la oxidación de las conexiones, incluso entre aluminio y aluminio, debemos utilizar una pasta antioxidante específica para este fin.

Esta pasta contiene escamas de otros metales que, al presionarlas, rompen la capa de óxido de aluminio, mejorando así su conexión. Las pastas antioxidantes también reducen el contacto con el aire y la tasa de oxidación del cable.

A la hora de conectar diferentes metales, necesitamos utilizar un conector especial para ello, conocido como conector bimetálico. Este conector reducirá la corrosión bimetálica entre elementos, ya que está construido con un metal compatible con cobre y aluminio simultáneamente.

Las conexiones de aluminio también deben reforzarse mecánicamente para que no se produzcan holguras en la estanqueidad ni fugas de material con el tiempo. La conexión con cables de aluminio debe realizarse siempre con materiales adecuados y por un profesional cualificado, dadas las características específicas de compatibilidad del aluminio con otros materiales.

Aplicación de cables de aluminio según normas.

La norma NBR 5410, que regula los circuitos de baja tensión, permite el uso de cables de aluminio, incluso realizando algunos ajustes en las tablas de capacidad de carga de corriente, dado que el material es menos conductor que el cobre.

La norma también es muy específica al citar las limitaciones de las conexiones de aluminio. Como una mala conexión puede provocar accidentes graves e incluso incendios importantes, y como hemos visto anteriormente que la conexión de aluminio tiene importantes características de instalación, la aplicación de estos cables es limitada.

En entornos industriales sólo podemos utilizar cables de aluminio de al menos 16 mm² y es obligatorio que la instalación y mantenimiento del cable sea realizado por personas cualificadas (técnicos electricistas, ingenieros eléctricos).

Los cables de aluminio también se pueden aplicar en instalaciones comerciales, pero con mayores restricciones como: sección igual o mayor a 50 mm², instalación y mantenimiento realizado por personas calificadas y ubicación con fáciles condiciones de escape de personas (BD1) - según Tabla 21 Clasificación BD de la NBR 5410.

Este extracto de la norma NBR 5410 muestra que las limitaciones del uso de cables de aluminio están bien definidas:

La Tabla 21 de la norma ABNT NBR 5410, que se muestra a continuación, enumera las condiciones para que las personas escapen con códigos de referencia y ejemplos de estas situaciones. Varios elementos de la norma hacen referencia a esta tabla.

En instalaciones residenciales o en lugares con alta densidad de personas o con condiciones de escape largas y tumultuosas (clasificación BD4), el uso de conductores de aluminio está estrictamente prohibido. En todos los casos, los cables de aluminio solo pueden empalmarse mediante conectores de compresión o soldadura.

¿Cómo son los cables de aluminio en los sistemas fotovoltaicos?

Aunque es posible utilizar cables de aluminio en instalaciones eléctricas de baja tensión, según la NBR 5410, la norma NBR 16690, que regula los sistemas fotovoltaicos, dice que todos los cables de corriente continua deben tener al menos las mismas características que los cables de tipo solar, que siguen las Norma NBR 16612.

Los cables solares están fabricados exclusivamente de cobre y no se prevé el uso de cables de aluminio. Esta prohibición se explica al considerar el arco eléctrico de corriente continua. Este tipo de arco es bastante intenso y peligroso.

Las separaciones entre conductores que pueden ocurrir debido a conexiones inadecuadas son incluso la mayor fuente de fallas que causan arcos eléctricos. Por lo tanto, añadir el riesgo de una mala terminación del cable a un sistema que es especialmente sensible a este problema se vuelve muy peligroso.

A continuación se muestra un extracto de la norma ABNT NBR 16690 con las especificaciones de los conductores de los conjuntos fotovoltaicos (lado corriente continua). En este ítem existe el requisito de que todos los cables cumplan con los requisitos de la norma de cables solares NBR 16612, que a su vez solo permite conductores de cobre.

En definitiva, sólo podemos utilizar cables de aluminio en la parte AC del sistema fotovoltaico, y hay que comprobar si el inversor y otros puntos de conexión tienen internamente un terminal compatible con aluminio o si será necesario utilizar un terminal bimetálico. Las recomendaciones de pasta antioxidante se mantienen sin cambios.