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Baterias Solares

Baterias
El carácter variable de la radiación solar hace necesario el uso de acumuladores de energía, que garantizan el funcionamiento del sistema fotovoltaico autónomo-aislado-apoyo en condiciones desfavorables.

Con el uso de los acumuladores se consigue dotar al sistema fotovoltaico autónomo de una reserva de energia para cuando las condiciones sean desfavorables.

Los acumuladores desempeñan tres funciones principales en un sistema fotovoltaico/hibrido/eólico:
1. Dar autonomía al sistema.
2. Suministrar picos de intensidad superiores a las que pueden dar los paneles para por ejemplo, arranque de motores.

bateria trojan

3. Estabilizan el voltaje. Mucho sol es mucha energía e intensidad, lo que daría lugar a fluctuaciones de voltaje dañinas para los aparatos conectados.

Los acumuladores
generalmente transforman la energía que proporcionan los módulos FV en otro tipo de energía que se almacena en los acumuladores (energía electro-quimica), para así almacenarla.
Acumulación en forma de energía electroquímica

Las baterías almacenan la energía transformándola en energía electroquímica. Es el método de acumulación más extendido y de la que se trata este apartado.
Nosotros nos centramos en las baterias llamadas "secundarias" y son las recargables Pb-Acido, Gel, AGM

banco de baterias trojan

Lo que hay que saber sobre las baterias.


La batería de plomo ácido.

Es el tipo de batería más utilizada en sistemas fotovoltaicos autónomos y cubre
con una cuota de mercado de más del 90%.
El electrodo positivo de la batería está compuesto por dióxido de plomo (PbO2) y el negativo por plomo metálico (Pb). Ambos electrodos están sumergidos en una disolución de ácido sulfúrico, cuya densidad
nominal debe de ser 1.24 g/cm3 @ 20ºC cuando esta totalmente cargada en baterias del tipo OpZS.
El voltaje nominal de cada celda es de 2V.



Ventajas                                Desventajas
Gran disponibilidad                   
Baja densidad de energía
Bajo coste                               
Deterioro ante descargas profundas
Rendimiento Moderado            
Deterioro ante sobrecargas
Alto número de ciclos de vida   
Requieren mantenimiento
Bajo nivel de autodescarga

En los sistemas fotovoltaicos
las baterías se diseñan para soportar dos tipos de ciclos de carga y descarga:

  • Ciclado diario

Correspondiente al ciclo de carga ydescarga que tiene lugar entre el día y la noche.
En este ciclado la profundidad de descarga (DoD) no supera el 20%.

  • Ciclado estacional

Corresponde a un periodo de varios días con ausencia de insolación (invierno, nubloso).

La DoD máxima (profundidad de descarga, del ingles depth of discharge) de la batería no debe superar el 70%-80%.

Tipos de baterias de plomo ácido
Podemos distinguir 3 tipos de baterias "secundarias"

  • Baterías de Arranque

Utilizadas para el arranque de motores de coches y camiones. Preparadas para ceder mucha intensidad en poco tiempo. Tienen un bajo coste y son poco resistentes al ciclado aceptando solo descargas superficiales. Hay instaladores y empresas que instalan y venden estas baterias por su bajo coste, pero no son nada aconsejables para uso solar.

  • Baterías de Tracción

Son utilizadas para alimentar a vehículos eléctricos, y estan preparadas para cargas y descargas profundas y rápidas. Tienen una alta resistencia al ciclado pero tambien tienen un mantenimiento algo mas elevado, aunque son perfectamente adecuadas.

  • Baterías Estacionarias

Permanecen largos periodos de tiempo en flotación totalmente cargadas y resisten descargas profundas esporádicas. Utilizadas en SAI y alumbrado de emergencia. Bajo consumo de agua. Moderada resistencia al ciclado.


Clasificación por tipos de placa

  • Planté

Consistente en una placa de plomo plana cuyo material activo (Pb) se forma por medio de continuas cargas y descargas. La batería sólo alcanza su capacidad nominal tras varios ciclados. Diseño ampliamente extendido en baterías de arranque.


  • Fouré o empastada

Pueden ser planas o tubulares. Las planas se caracterizan por utilizar rejillas para retener el material activo y mejorar la distribución de la intensidad en la placa. Recomendada para operación en flotación. Las placas tubulares se caracterizan por poseer varillas de plomo aleado con antimonio recubiertas con de fibras sintéticas tubulares. Recomendada para operación en ciclado.


Clasificación por aleaciones
.

  • Plomo calcio

Ventajas: Alta resistencia a la corrosión por sobrecarga reduciendo el gaseo, bajo nivel de autodescarga.
Desventajas
: Elevada corrosión a bajos estados de carga y alto control de impurezas durante la fabricación.

  • Plomo antimonio.

Ventajas: Buen comportamiento ante el ciclado y la descarga profunda.
Desventajas
: Aumenta el gaseo y la autodescarga. Proceso de fabricación complejo a partir de concentraciones mayores del 3%.

  • Sin aleaciones.

Ventajas: Muy baja autodescarga y larga vida útil operando en flotación.
Desventajas
: Poca resistencia al ciclado y a las cargas-descargas rápidas y profundas. Mayor coste de fabricación.


Electrolitos utilizados

  • Liquido aireado: El electrolito se encuentra en estado liquido y es accesible al usuario para así realizar el mantenimiento pertinente. Los tapones del recipiente contenedor suelen ser de tipo recombinante para minimizar la perdida de agua y evitar la emisión de Hidrógeno

  • Electrolito inmovilizado (AGM). El electrolito se absorbe utilizando fibra de vidrio microporosa o fibra polimérica, esta fibra rellena el espacio entre placas. No requieren mantenimiento, no desprendengases, no se derraman, pero no tienen buen funcionamiento ante descargas profundas.

  • Electrolito inmovilizado gelificado (Gel). Incorporan un electrolito tipo gel de consistencia muy densa. No necesitan mantenimiento pero no son aptas para operar en sobredescarga ni altas temperaturas.


La correcta carga de las baterias

La carga es el proceso por el cual la batería almacena energía eléctrica en forma de energía electroquímica.
El la carga suele caracterizase partiendo de la suposición de que el proceso se realiza a corriente constante. Si se sigue esta metodología, el voltaje en circuito abierto VOC
de la batería alcanza 3 estadios diferenciados.

  • 1.-El voltaje de carga va aumentando de forma suave y lineal. Toda la corriente que circula a través de la batería se utiliza para restablecer los materiales activos de acuerdo a la reacción redox.

  • 2- El voltaje sufre una subida brusca. En esta segunda etapa se superponen dos fenómenos. Primero se siguen produciendo materiales activos como en la zona I y segundo, los reactivos que producen los materiales activos comienzan a escasear por lo que parte de la corriente que llega a la batería se invierte en la hidrólisis del agua del electrolito. Este fenómeno se denomina gaseo y el voltaje al que comienza a manifestarse se denomina voltaje de gaseo (Vg).

  • 3.-El voltaje alcanza un valor estable. En esta última etapa los materiales activos se han agotado y toda la corriente que llega la batería se invierte en la hidrólisis del agua. El voltaje estable que alcanza la batería al final de la carga se denomina voltaje final de carga (Vfc).


El proceso de carga tiene una dependencia directa con la corriente de carga y con la temperatura a la que se produzca el proceso.

Corriente de carga

Mientras más rápido es el proceso de carga (más intensidad en menos tiempo) mayor es el voltaje de fin de carga y mayor el estado de carga final.

Temperatura

Cuanto menor sea la temperatura de la batería en el proceso de carga mayor es el voltaje de fin de carga.

Otros Metodos de carga

  • Carga combinada

Probablemente es el método más apropiado para conseguir una plena carga de la batería. El proceso se divide en tres fases:
Primera
a corriente constante hasta alcanzar un voltaje de 2.4V/vaso. (Nota: esto puede variar segun tipo y marca)
Segunda
a voltaje constante hasta que la corriente de cola es prácticamente constante.
Tercera
la batería se mantiene en flotación un tiempo que oscila entre 1-3 horas (~2.25-2.27V/vaso).


  • Modulación PWM

Consiste en la carga de la batería mediante pulsos de corriente, la amplitud de los pulsos varia en función del estado de carga de la batería. La mayoría de los reguladores tradicionales de carga del mercado incorporan esta metodologia de carga. Es importante indicar que se recomienda realizar una carga mediante PWM o carga combinada hasta un voltaje tal que evite un excesivo gaseo, pero que ayude a evitar la estratificación del electrolito.


El uso de la bateria (descarga)

La descarga es el proceso por el cual la energía electroquímica almacenada en la batería se transforma en energía eléctrica. S
uele caracterizarse partiendo de la suposición de que el proceso se realiza a corriente constante. Si se hace asi, el voltaje de descarga de la batería en función del perfil de descarga tiene una progresion.Depende de la intensidad de descarga así como de la temperatura a la que tiene lugar el proceso.

  • Dependencia con la corriente de descarga.

A regimenes elevados (hablamos de altas corrientes) de descarga, las baterías suministran menor capacidad porque se descargan mas rápidamente haciendo que las transformaciones internas sean más superficiales.

  • Dependencia con la Temperatura

Cuanto menor es la temperatura menor es la capacidad, pues mayor es la viscosidad del ácido y más lentos los procesos de difusión iónica.

  • Rendimiento faradaico

El rendimiento faradaico es la relación entre la carga extraída en Ah de la batería durante la descarga y la carga total en Ah requerida para reestablecer el estado inicial de carga.
Un rendimiento faradaico aceptable en una batería debería estar (según norma IEEE1365) en 1/1.2 = 0.8 ? 80%
Rendimiento faradaico en la carga:
Zona I. Eficiente. 95%-97%. Toda la corriente se invierte en generación de materiales activos.
Zona II. Mixta. 50%-97%. Comienza el gaseo
Zona III. Ineficiente. 50%-0%. No se crean materiales activos. Hidrólisis.

  • Rendimiento energético

La relación entre la energía extraída en Wh de la batería y la energía total requerida para restablecer el estado inicial de carga seria el rendimiento energético. Es siempre menor que el rendimiento faradaico. 65%- 70%. En general los rendimientos son datos no ofrecidos por los fabricantes, al ser parámetros dependientes de la historia previa de la batería.


Vida útil y procesos de degradación
.
Se define como la
vida o vida útil de una batería, el número de ciclos que puede soportar conservando una capacidad residual de por encima del 80% de su capacidad nominal.
La vida se ve afectado por:

  • Historia.

Si una batería lleva un largo periodo sin ser recargada completamente (recargas parciales), se produce un efecto memoria (PbSO4 ) que impide que se recupere su capacidad nominal, siendo necesario varios ciclos de carga y descarga para recuperarla. Cada cierto tiempo es aconsejable realizar una carga al 100%.

  • Profundidad de descarga (DoD o Depth of Discharge).

Cuanto mayor sea la descarga en cada ciclo (mayor DOD) menor será la vida útil de la batería.

  • Sobrecarga

En el proceso de carga se debe de conseguir un voltaje tal que evite un excesivo gaseo, pero que ayude a evitar la estratificación del electrolito. La operación en sobrecarga además de producir perdida de electrolito, provoca desprendimiento de material activo de las placas, con la consiguiente perdida de capacidad.

  • Temperatura

Cuanto mayor es la temperatura de operación menor será el tiempo de vida de la batería. Se recomienda una temperatura de trabajo entre 20-25 ºC.


Es muy importante destacar que e
n los factores que merman la capacidad de la batería y que han sido descritos, juega un papel fundamental el regulador de carga.
Este elemento debe de proteger a la batería frente descargas profundas y sobredescargas principalmente.
Modelos de reguladores avanzados como los MPPT Invertek, Xantrex, OutBack Morningstar o Ico-GE que comercializamos, son capaces de realizar cargas de igualación y correcciones en función de la temperatura, por lo que siempre cuidan las baterías con sumo mimo.
Es muy importante destacar y hay que tener en cuenta que por muy buena que sea la bateria, si se carga con un "regulador malo" y forma incorrecta puede deteriorarla iguamente, y si el regulador es muy bueno, puede que incluso una bateria "mala" rinda mas de lo esperado...  

Degradación visible
.

  • Corrosión

Suele aparecer en ambientes agresivos. Produce el aumento de la resistencia ohmica pudiendo dar lugar a puntos calientes localizados, además provoca que la corriente no se distribuya uniformemente por todos los vasos de la batería.

  • Corrosión Interna de las rejillas

Está provocada por la sobrecarga y mas acusada en la zona inferior de los vasos debido a la estratificación. Da lugar a depósitos en el fondo de los vasos.
Causa una perdida irreversible de capacidad así como un aumento de la autodescarga

  • Depósitos de materia activa

Estos depósitos de color metálico brillante, son producidos por largos periodos de tiempo en los que la batería trabaja en bajos estados de carga o en sobredescarga. Producen perdida irreversible de capacidad

  • Sulfatación

Aparece cuando la batería trabaja en estados de carga deficitarios, se caracteriza por la aparición de cristales de PbSO4 de color azul verdoso en la bornera positiva principalmente.


Seguridad, Mantenimiento y Reciclaje

Hay que tener muy en cuenta el peligro eléctrico
.
Trabajamos con altos amperajes
, que pueden soldar un anillo, cadena, gargantilla, destornillador o cualquier cosa similar en solo una fracción de segundo. No es tanto el peligro de una descarga, ya que no comienza a estar presente este peligro hasta bancadas de voltajes mayores a 60-70V. Usar siempre herramientas debidamente aisladas.

Material corrosivo

El electrolito es una disolución diluida de ácido sulfúrico
que al contacto con la piel produce quemaduras graves. Se recomienda el uso de guantes y gafas de protección, y tener en todo momento agua a mano.

Peligro de explosión

Cuando la batería está trabajando en carga/descarga produce Hidrogeno
y Oxigeno (dos partes de Hidrogeno por una de Oxígeno) creando ambientes altamente explosivas. Por ello se recomienda el uso de tapones recombinadores (aquagens) y siempre tenerlas ubicados en zonas bien ventiladas, y JAMAS acercarse fumando ni hacer fuego cerca de ellos.

Mantenimiento
.
La inspección visual de las baterías de
Plomo-acido debe realizarse preferiblemente todos los meses, y al menos 3 veces al año. Debe de comprobarse si el nivel del electrolito es el adecuado y si aparece alguno de los efectos degradativos antes citados.
Relleno del electrolito

Se rellenará siempre y solo
con agua destilada hasta el nivel marcado por el fabricante NUNCA debe añadirse ácido sulfúrico. De sufrir un accidental vuelco de alguno de los vasos durante su manipulacion o transporte, siempre que se haya perdido menos de la mitad del electrólito, puede rellenarse con agua destilada hasta su nivel normal, y hacer una carga profunda del banco completo de baterias para que se regenere dicho vaso.
Limpieza
.
Los vasos con una disolución de sosa cáustica, las conexiones con una brocha metálica y en las borneras se debe de aplicar vaselina o spray protector
para prevenir la corrosión.
Medidas de control

  • Voltaje global (mensualmente),

  • voltaje de los vasos individualmente (cada 3 meses)

  • Densidad del electrolito

  • Temperatura y resistencia de las conexiones.


Reciclaje de las baterías

Las baterías que han agotado su vida útil deben de ser adecuadamente recicladas. Materiales como el plomo y el ácido sulfúrico son altamente contaminantes, pero mismo tiempo son base primordial
para otras industrias.
El plomo se recicla completamente para la construcción de nuevas baterías
, el contenedor se tritura/funde para formar gránulos de plástico que son materia prima para otros productos. El ácido puede servir para formar parte de nuevos electrolitos o se trata químicamente y sirve como fertilizante.

Por ley, las empresas fabricantes de baterías deben retirar las mismas una vez a
cabada su ciclo útil.

 
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