Baterías solares

Baterías
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 energía para cuando las condiciones sean desfavorables.

Los acumuladores desempeñan tres funciones principales en un sistema fotovoltaico/híbrido/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.
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 (energía electroquímica) que se almacena en los acumuladores.

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 baterías llamadas «secundarias» y son las recargables Pb-Acido, Gel, AGM.

Lo que hay que saber sobre las baterías

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                                 

• Gran disponibilidad
• Bajo coste
• Rendimiento moderado
• Alto número de ciclos de vida
• Bajo nivel de autodescarga

Desventajas

• Baja densidad de energía
• Deterioro ante descargas profundas
• Deterioro ante sobrecargas
• Requieren mantenimiento

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 y descarga 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 baterías «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 baterías por su bajo coste, pero no son nada aconsejables para uso solar.
• Baterías de Tracción – Son utilizadas para alimentar a vehículos eléctricos, y están preparadas para cargas y descargas profundas y rápidas. Tienen una alta resistencia al ciclado pero también 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

• Líquido aireado: El electrolito se encuentra en estado líquido 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 desprenden gases, 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 métodos 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 según 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 metodología 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. Suele caracterizarse partiendo de la suposición de que el proceso se realiza a corriente constante. Si se hace así, el voltaje de descarga de la batería en función del perfil de descarga tiene una progresión. 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 regímenes 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 pérdida 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 en 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 de Xantrex, OutBack, Morningstar BackBull o Ico-GE, 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 batería, si se carga con un «regulador malo» y de forma incorrecta puede deteriorarla igualmente, y si el regulador es muy bueno, puede que incluso una batería «mala» rinda más 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 más acusada en la zona inferior de los vasos debido a la estratificación. Da lugar a depósitos en el fondo de los vasos. Causa una pérdida 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 hidrógeno y oxígeno (dos partes de hidrógeno por una de oxígeno) creando ambientes altamente explosivos. Por ello se recomienda el uso de tapones recombinadores (aquagens) y siempre tenerlas ubicados en zonas bien ventiladas, y JAMÁS 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 JAMÁSdebe añadirse ácido sulfúrico. De sufrir un accidental vuelco de alguno de los vasos durante su manipulación o transporte, siempre que se haya perdido menos de la mitad del electrolito, puede rellenarse con agua destilada hasta su nivel normal, y hacer una carga profunda del banco completo de baterías 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 acabada su ciclo útil.