¿Por qué los rayos son especialmente destructivos para los sistemas fotovoltaicos?
El poder destructivo de un rayo no radica solo en la probabilidad de ser “impactado”, sino en la enorme cantidad de energía liberada en un instante. Un rayo típico puede alcanzar una corriente pico de 30 a 200 kiloamperios, tensiones de hasta 100 millones de voltios, y todo esto en apenas unas decenas de microsegundos. Sus mecanismos de daño se basan principalmente en tres efectos físicos:
- Efecto térmico: La corriente del rayo que atraviesa conductores metálicos, módulos fotovoltaicos o cables puede elevar la temperatura local a varios miles de grados centígrados en una fracción de segundo, provocando fusión de metales, ruptura de conexiones y quema de componentes.
- Inducción electromagnética: El fuerte campo electromagnético generado por el rayo puede inducir tensiones de varios miles de voltios en los circuitos cercanos, incluso sin contacto directo, afectando especialmente a equipos de baja tensión como buses RS485, módulos de comunicación y sistemas de monitoreo.
- Elevación del potencial de tierra: Cuando el rayo impacta el suelo, su corriente se propaga por la red de puesta a tierra, pudiendo generar diferencias de potencial momentáneas de decenas o incluso cientos de voltios en los puntos de conexión. Este fenómeno, conocido como “retorno de potencial de tierra”, puede llegar a los inversores, baterías u otros componentes del sistema a través del cableado de tierra, causando daños internos.
Los sistemas fotovoltaicos están compuestos por una gran cantidad de dispositivos semiconductores en serie, altamente sensibles a las sobretensiones transitorias. Cuando el pico de tensión supera 1 kV, elementos como diodos de derivación o transistores MOS pueden resultar fácilmente dañados. Además, estos sistemas suelen instalarse en zonas abiertas, sin protección o sobre estructuras metálicas expuestas, lo que los convierte en objetivos de alto riesgo frente a descargas atmosféricas—mucho más que los electrodomésticos comunes.
Por eso, la protección contra rayos en sistemas fotovoltaicos no es solo una medida frente al clima extremo, sino una estrategia de seguridad integral basada en su estructura y principios de funcionamiento.
(Ilustración: Tres rutas de daño provocadas por rayos en un sistema fotovoltaico – impacto directo, inducción térmica, y retorno de potencial de tierra)
1. ¿Por qué los sistemas fotovoltaicos están especialmente expuestos en zonas con alta frecuencia de rayos?
A diferencia de los equipos eléctricos convencionales, los sistemas fotovoltaicos suelen instalarse en tejados, terrenos abiertos o zonas de gran altitud, lo que los sitúa naturalmente en ubicaciones de alto riesgo de impacto por rayos. Además, el daño causado por un rayo no se limita a un “impacto directo”. Para entender cómo proteger un sistema, es fundamental conocer las tres principales vías de daño causadas por los rayos:
1. Impacto directo: el más destructivo
Cuando un rayo golpea directamente un módulo fotovoltaico, su estructura o la parte superior del edificio, la alta corriente y temperatura liberadas en un instante pueden causar:
- Perforación de diodos de derivación o quemado de las celdas internas del módulo
- Fusión o incendio de cables por el calor, generando incluso efectos de punto caliente
- Fallo en cadena de módulos completos, e incluso la caída de todo el sistema
Este tipo de riesgo es mayor en edificios altos, sin sombra ni protección lateral, ubicados en zonas con muchas tormentas eléctricas. En estos casos, se recomienda instalar pararrayos, implementar un sistema de puesta a tierra adecuado y asegurar que los conductores de bajada estén alejados de los cables de señal o baja tensión.
2. Inducción electromagnética: daño invisible pero frecuente
Aunque el rayo no golpee directamente el sistema, su potente pulso electromagnético puede inducir altos voltajes en estructuras metálicas y líneas de comunicación cercanas, provocando daños en:
- Módulos de comunicación (como recolectores de datos o buses RS485)
- Circuitos de entrada de inversores
- Equipos electrónicos de bajo voltaje, como sistemas de monitoreo inteligente
Si el voltaje inducido supera 1 kV, los efectos pueden ir desde interrupciones en la comunicación hasta la formación de arcos eléctricos o incendios. Por ello, se deben instalar SPD (dispositivos de protección contra sobretensiones) multinivel en los inversores, cajas de conexión y puertos de comunicación, además de reforzar el blindaje y el equipotencial.
3. Retorno del potencial de tierra: el camino inverso del rayo
Cuando un rayo cae en el suelo o en un edificio cercano, la corriente se propaga por la red de tierra y puede “regresar” al sistema fotovoltaico a través de los cables de puesta a tierra, provocando:
- Daños en cajas de conexión (combiner boxes)
- Sobretensión en baterías, degradación de capacidad o incluso explosiones
- Picos de corriente inversos desde la red, afectando inversores o cargas conectadas
Si el sistema de puesta a tierra está mal diseñado, con una resistencia demasiado alta o sin aislamiento respecto al sistema general del edificio, el riesgo de este tipo de retorno aumenta considerablemente. Se recomienda que la puesta a tierra tenga una resistencia ≤ 4 Ω, no se comparta con otros sistemas eléctricos, y se añadan aisladores o limitadores de corriente en puntos críticos.
2. Entonces, ¿todos los proyectos fotovoltaicos necesitan pararrayos?
1. ¿Son realmente necesarios los pararrayos en todos los casos?
2. Recomendaciones clave para una instalación eficaz
Incluso si el proyecto permite la instalación de pararrayos, su efectividad y seguridad dependen de cumplir con los siguientes requisitos técnicos:
- El pararrayos debe estar por encima del nivel de los módulos y formar un cono de protección; se recomienda un ángulo de protección ≤ 45° para asegurar una cobertura completa.
- Mantener una distancia mínima de 5 metros entre el pararrayos y los módulos para evitar sombras que reduzcan la generación fotovoltaica.
- La resistencia de puesta a tierra del pararrayos debe ser ≤ 4 Ω, y debe conectarse a un sistema de tierra confiable, evitando falsas puestas a tierra.
- El cable de bajada debe instalarse a lo largo de muros o partes externas de la estructura, y no cruzarse con cables de corriente continua, para evitar tensiones inducidas.
- La instalación debe ser realizada por una empresa eléctrica certificada, cumpliendo con las normativas de protección contra rayos para edificios (como la IEC 62305 o GB 50057).
Esquema del sistema de pararrayos para instalaciones fotovoltaicas
Un pararrayos mal diseñado o mal instalado puede atraer rayos sin descargarlos correctamente, aumentando el riesgo en lugar de reducirlo. Por eso, su instalación debe seguir estrictamente las normas técnicas, y la decisión debe tomarse según las condiciones del proyecto: altura del edificio, entorno circundante y riesgo de tormentas eléctricas.
3. ¿Qué proyectos fotovoltaicos deben invertir en un sistema completo de protección contra rayos?
La protección contra rayos no es obligatoria para todos los sistemas fotovoltaicos. Sin embargo, en determinadas circunstancias —por costes, riesgos o cumplimiento normativo—, deja de ser una recomendación y se convierte en una necesidad operativa real. A continuación, se presentan tres escenarios típicos donde se recomienda dar prioridad a la inversión en un sistema de protección completo.
1. Sistemas fotovoltaicos ubicados en zonas de alta incidencia de tormentas
Si el proyecto está situado en regiones como la cuenca del Mediterráneo, zonas montañosas o regiones costeras, donde las tormentas eléctricas son frecuentes, es imprescindible incorporar un diseño integral de protección, incluso en sistemas de pequeña escala. La exposición prolongada a rayos repetidos —aunque las probabilidades individuales sean bajas— puede provocar desde daños en módulos o sistemas de comunicación hasta fallos totales o incendios.
Se recomienda una protección doble externa + interna:
- Externa: instalación de pararrayos y anillos de puesta a tierra equipotenciales
- Interna: instalación de SPD multinivel en los inversores y puertos de señal, y, si es necesario, aisladores de alimentación adicionales
2. Sistemas que incorporan dispositivos de baja tensión como almacenamiento
En las plantas solares que integran sistemas de baterías, monitorización inteligente, comunicación RS485 o módulos de control remoto, aunque la potencia total sea baja, los componentes electrónicos son especialmente sensibles a perturbaciones inducidas. Este riesgo es aún mayor en cubiertas industriales, invernaderos agrícolas o estaciones de recolección de datos, donde los rayos pueden causar fallos de comunicación o pérdida de datos.
Estos sistemas deben reforzar su protección interna:
- Colocación de SPD multinivel en interfaces de comunicación, conexiones de baterías e inversores
- Garantizar la continuidad del sistema de equipotencialidad y una malla de tierra cerrada, para evitar la intrusión de rayos por canales de comunicación
3. Proyectos instalados sobre cubiertas ligeras y expuestas sin sombra
Naves rurales, invernaderos o pequeños almacenes utilizan a menudo cubiertas ligeras de chapa de acero o paneles sándwich, sin muros que ofrezcan protección lateral. Estas estructuras forman fácilmente puntos altos locales, con mayor riesgo de impacto directo. Además, suelen carecer de red de puesta a tierra o diseño de protección contra rayos, lo que aumenta las probabilidades de daño estructural o filtraciones tras una descarga.
Se recomienda una solución de protección externa simplificada y de bajo peso:
- Pararrayos ligeros, bajantes básicos y puesta a tierra separada,
- Combinado con componentes de protección integrados en los propios módulos, para formar un circuito de protección eficaz a bajo coste
4. ¿Cómo construir una protección contra rayos “suficiente” al menor coste posible?
No todos los proyectos fotovoltaicos requieren un sistema de protección caro y complejo. Si se parte de un riesgo controlado y un presupuesto limitado, es posible alcanzar una estrategia rentable y funcional con un diseño optimizado. A continuación, tres recomendaciones clave:
1. Protección externa simplificada pero imprescindible
En sistemas fotovoltaicos pequeños o medianos ubicados en tejados abiertos con estructuras metálicas visibles, no es necesario un conjunto completo de pararrayos, pero sí se deben implementar protecciones básicas: una varilla captadora y una bajante con conexión fiable a tierra.
El uso de soportes ligeros con bajantes preinstalados conectados a una malla de tierra permite evacuar el rayo sin añadir carga estructural, siendo una de las opciones más rentables.
2. Protección interna centrada en puntos críticos
Si el sistema incluye componentes de baja tensión (como almacenamiento, monitorización o sensores), conviene focalizar los SPD en los nodos más sensibles: puertos de comunicación, entradas del inversor y cajas de conexión.
El uso de SPD modulares intercambiables facilita el mantenimiento y reduce los costes operativos a largo plazo.
3. Aprovechar las características integradas de protección en los módulos
Algunos módulos fotovoltaicos de gama alta ya incluyen protección por diodos de derivación, estructuras de baja inductancia o interfaces de puesta a tierra mejoradas, lo que reduce los efectos de la inducción o del retorno de potencial.
Seleccionar este tipo de módulos y aplicar una estrategia de “protección ligera + sinergia con el módulo” puede reducir considerablemente el coste total del sistema de protección.
Para proyectos BIPV (fotovoltaica integrada en edificación), se recomienda integrar desde la fase de diseño los sistemas de pararrayos, tierra y SPD, buscando una solución estructural y de seguridad unificadas.
Detalles adicionales a no descuidar:
- Los cables fotovoltaicos deben mantenerse alejados de estructuras metálicas como antenas o termos, para evitar trayectorias inductivas
- Sellar todos los pasos de cable a través de muros o tejados para evitar acumulación de agua o riesgo de incendio
- Revisar periódicamente el estado de los SPD y la conexión de los conductores de tierra (oxidación o aflojamiento)
- No apilar objetos sobre los módulos, ya que pueden provocar sombras calientes y riesgos de incendio
Conclusión
Durante el verano, cuando las tormentas eléctricas son frecuentes, el diseño de la protección contra rayos en sistemas fotovoltaicos no es solo un trámite, sino un factor decisivo para la estabilidad operativa y la rentabilidad de la inversión. Desde la selección del proyecto y el análisis climático, hasta la estructura del sistema y la configuración eléctrica, cada detalle afecta al valor real de dicha inversión.
Solo mediante una evaluación jerárquica del riesgo, un diseño adaptado al contexto y una implementación rigurosa se puede lograr una producción fotovoltaica segura, estable y rentable a largo plazo.
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Referencias:
IEC. (2010). IEC 62305 – Protection against lightning. International Electrotechnical Commission. https://webstore.iec.ch/publication/2472
Phoenix Contact. (2023). Lightning and surge protection for photovoltaic systems. Phoenix Contact GmbH & Co. KG. https://www.phoenixcontact.com/en-us/products/lightning-and-surge-protection
SMA Solar Technology AG. (2022). Technical information – Surge protection for inverters. SMA Solar Technology AG. https://www.sma.de/en/products/solar-inverters.html
Meteonorm. (2024). Global meteorological database for engineers and planners. Meteotest AG. https://meteonorm.com
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