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 desempe√Īan tres funciones principales en un sistema fotovoltaico/h√≠brido/e√≥lico:

  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 energ√≠a¬†e intensidad, lo que dar√≠a lugar a fluctuaciones de voltaje da√Īinas 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 bater√≠as llamadas ¬ęsecundarias¬Ľ 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 bater√≠a est√° compuesto por di√≥xido de plomo (PbO2) y el negativo por plomo met√°lico (Pb). Ambos electrodos est√°n sumergidos en una disoluci√≥n de √°cido sulf√ļrico, cuya densidad¬†nominal debe de ser 1.24 g/cm3 @ 20¬ļC 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 n√ļmero de ciclos de vida
  • Bajo nivel de autodescarga

Desventajas

  • Baja densidad de energ√≠a
  • Deterioro ante descargas profundas
  • Deterioro ante sobrecargas
  • Requieren mantenimiento

En los sistemas fotovoltaicos¬†las bater√≠as se dise√Īan 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 √°cido

Podemos distinguir¬†3 tipos de bater√≠as ¬ęsecundarias¬Ľ

  • Bater√≠as 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 bater√≠as por su bajo coste, pero no son nada aconsejables para uso solar.
  • Bater√≠as de Tracci√≥n –¬†Son utilizadas para alimentar a¬†veh√≠culos el√©ctricos, y est√°n preparadas para cargas y descargas profundas y r√°pidas. Tienen una alta resistencia al ciclado pero tambi√©n tienen un¬†mantenimiento algo mas elevado, aunque son perfectamente adecuadas.
  • Bater√≠as¬†Estacionarias –¬†Permanecen largos periodos de tiempo en flotaci√≥n totalmente cargadas y resisten descargas profundas espor√°dicas. Utilizadas en SAI y alumbrado de emergencia. Bajo consumo de agua. Moderada resistencia al ciclado.


Clasificación por tipos de placa

  • Plant√© –¬†Consistente en una placa de plomo plana cuyo material activo (Pb) se forma por medio de continuas cargas y descargas. La bater√≠a s√≥lo alcanza su capacidad nominal tras varios ciclados. Dise√Īo ampliamente extendido en bater√≠as de arranque.
  • Four√© o empastada –¬†Pueden ser planas o tubulares. Las planas se caracterizan por utilizar rejillas para retener el material activo y mejorar la distribuci√≥n de la intensidad en la placa. Recomendada para operaci√≥n en flotaci√≥n.¬†Las placas tubulares se caracterizan por poseer varillas de plomo aleado con antimonio recubiertas con de fibras sint√©ticas tubulares. Recomendada para operaci√≥n en ciclado.


Clasificación por aleaciones
.

  • Plomo calcio
    • Ventajas: Alta resistencia a la corrosi√≥n por sobrecarga reduciendo el gaseo, bajo nivel de autodescarga.
    • Desventajas: Elevada corrosi√≥n a bajos estados de carga y alto control de impurezas durante la fabricaci√≥n
  • Plomo antimonio
    • Ventajas: Buen comportamiento ante el ciclado y la descarga profunda.
    • Desventajas: Aumenta el gaseo y la autodescarga. Proceso de fabricaci√≥n complejo a partir de concentraciones mayores del 3%.
  • Sin aleaciones
    • Ventajas: Muy baja autodescarga y larga vida √ļtil operando en flotaci√≥n.
    • Desventajas: Poca resistencia al ciclado y a las cargas-descargas r√°pidas y profundas. Mayor coste de fabricaci√≥n.


Electrolitos utilizados

  • L√≠quido aireado: El electrolito se encuentra en estado l√≠quido y es accesible al usuario para as√≠ realizar el mantenimiento pertinente. Los tapones del recipiente contenedor suelen ser de tipo recombinante para minimizar la perdida de agua y evitar la emisi√≥n de hidr√≥geno
  • Electrolito inmovilizado¬†(AGM).¬†El electrolito se absorbe utilizando fibra de vidrio microporosa o fibra polim√©rica, 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 √ļltima etapa los materiales activos se han agotado y toda la corriente que llega la bater√≠a se invierte en la hidr√≥lisis del agua. El voltaje estable que alcanza la bater√≠a 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 m√°s r√°pido es el proceso de carga (m√°s 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 m√©todo m√°s apropiado para conseguir una plena carga de la bater√≠a. El proceso se divide en tres fases:
    • Primera¬†a corriente constante hasta alcanzar un voltaje de 2.4V/vaso. (Nota: esto puede variar seg√ļn tipo y marca)
    • Segunda a voltaje constante hasta que la corriente de cola es pr√°cticamente constante.
    • Tercera¬†la bater√≠a se mantiene en flotaci√≥n un tiempo que oscila entre 1-3 horas (~2.25-2.27V/vaso).
  • Modulaci√≥n PWM: Consiste en la carga de la bater√≠a mediante pulsos de corriente, la amplitud de los pulsos varia en funci√≥n del estado de carga de la bater√≠a. La mayor√≠a de los reguladores tradicionales de carga del mercado incorporan esta metodolog√≠a 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 estratificaci√≥n 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 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 reg√≠menes elevados (hablamos de¬†altas corrientes) de descarga,¬†las bater√≠as suministran menor capacidad porque se descargan mas r√°pidamente haciendo que las transformaciones internas sean m√°s superficiales.
  • Dependencia con la Temperatura: Cuanto menor es la temperatura menor es la capacidad, pues mayor es la viscosidad del √°cido y m√°s lentos los procesos de difusi√≥n i√≥nica.
  • Rendimiento faradaico: El rendimiento faradaico es la relaci√≥n entre la carga extra√≠da en Ah de la bater√≠a durante la descarga y la carga total en Ah requerida para reestablecer el estado inicial de carga. Un rendimiento faradaico aceptable en una bater√≠a deber√≠a estar (seg√ļn 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 generaci√≥n de materiales activos.
    • Zona II. Mixta. 50%-97%. Comienza el gaseo.
    • Zona III. Ineficiente. 50%-0%. No se crean materiales activos. Hidr√≥lisis.
  • Rendimiento energ√©tico: La relaci√≥n entre la energ√≠a extra√≠da en Wh de la bater√≠a y la energ√≠a total requerida para restablecer el estado inicial de carga seria el rendimiento energ√©tico. Es siempre menor que el rendimiento faradaico. 65%-¬†70%. En general los rendimientos son datos no ofrecidos por los fabricantes, al ser par√°metros dependientes de la historia previa de la bater√≠a.

Vida √ļtil y procesos de degradaci√≥n

Se define como la vida o vida √ļtil de una bater√≠a,¬†el n√ļmero 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 bater√≠a 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 ser√° la vida √ļtil de la bater√≠a.
  • Sobrecarga: En el proceso de carga se debe de conseguir un voltaje tal que evite un excesivo gaseo, pero que ayude a evitar la estratificaci√≥n del electrolito. La operaci√≥n en sobrecarga adem√°s de producir p√©rdida de electrolito, provoca desprendimiento de material activo de las placas, con la consiguiente perdida de capacidad.
  • Temperatura: Cuanto mayor es la temperatura de operaci√≥n menor ser√° el tiempo de vida de la bater√≠a. Se recomienda una temperatura de trabajo entre 20-25 ¬ļC.

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 bater√≠a, si se carga con un ¬ęregulador malo¬Ľ y de forma incorrecta puede deteriorarla igualmente, y si el regulador es muy bueno, puede que incluso una bater√≠a ¬ęmala¬Ľ rinda m√°s de lo esperado.

Degradación visible

  • Corrosi√≥n: Suele aparecer en ambientes agresivos. Produce el aumento de la resistencia ohmica pudiendo dar lugar a puntos calientes localizados, adem√°s provoca que la corriente no se distribuya uniformemente por todos los vasos de la bater√≠a.
  • Corrosi√≥n Interna de las rejillas: Est√° provocada por la sobrecarga y m√°s acusada en la zona inferior de los vasos debido a la estratificaci√≥n.¬†Da lugar a dep√≥sitos en el fondo de los vasos. Causa una p√©rdida irreversible de capacidad as√≠ como un aumento de la autodescarga.
  • Dep√≥sitos de materia activa: Estos dep√≥sitos de color met√°lico brillante, son producidos por largos periodos de tiempo en los que la bater√≠a trabaja en bajos estados de carga o en sobredescarga. Producen perdida irreversible de capacidad
  • Sulfataci√≥n: Aparece cuando la bater√≠a trabaja en estados de carga deficitarios, se caracteriza por la aparici√≥n 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 disoluci√≥n diluida de¬†√°cido sulf√ļrico¬†que al contacto con la piel¬†produce quemaduras graves. Se recomienda el uso de guantes y gafas de protecci√≥n, y tener en todo momento¬†agua a mano.

Peligro de explosión

Cuando la bater√≠a est√° trabajando en carga/descarga produce hidr√≥geno y ox√≠geno (dos partes de hidr√≥geno por una de ox√≠geno) creando ambientes altamente explosivos. Por ello se recomienda el uso de tapones recombinadores (aquagens) y siempre tenerlas ubicados en zonas bien ventiladas, y¬†JAM√ĀS acercarse fumando ni hacer fuego cerca¬†de ellos.

Mantenimiento

La inspecci√≥n visual de las bater√≠as de¬†Plomo-acido¬†debe realizarse preferiblemente todos los meses, y al menos 3 veces al a√Īo. 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 JAM√ĀSdebe a√Īadirse √°cido sulf√ļrico. De sufrir un accidental vuelco de alguno de los vasos durante su manipulaci√≥n 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 bater√≠as 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 bater√≠as que han agotado su vida √ļtil deben de ser adecuadamente recicladas. Materiales como el plomo y el √°cido sulf√ļrico 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 bater√≠as deben retirar las mismas una vez acabada su ciclo √ļtil.

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