Baterías conceptos generales



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Baterías


CONCEPTOS GENERALES
La inmensa mayoría de instalaciones fotovoltaicas aisladas de la red eléctrica necesitan acumular parte de la energía producida por los módulos fotovoltaicos para su utilización en ausencia de radiación solar o cuando ésta no sea suficiente para generar la totalidad de la necesaria. Por tanto el acumulador o batería es una pieza clave de la instalación. Es muy importante que su tipo y capacidad sean las adecuadas para el consumo que van a cubrir dado que su precio es elevado. Una capacidad insuficiente impedirá la satisfacción de los consumos estimados y acortará su vida útil, y demasiada capacidad generará un sobreprecio importante de la instalación.
Las baterías no pueden entregar toda la energía que reciben. Una parte se pierde en los procesos químicos que suceden en su interior a la hora de cargarse o descargarse. También pierden carga de manera natural aunque no se den ciclos de carga o descarga, es lo que se llama autodescarga, suele ser del orden del 0,5% ó 1% de la capacidad total por día. Pero una de las características mas a tener en cuenta a la hora de elegir un acumulador es lo que llamamos profundidad de descarga, que detallaremos someramente:
La profundidad de descarga se expresa como un porcentaje y equivale a la cantidad de energía que puede suministrar la batería del total de su capacidad. Por ejemplo hay baterías que tienen una profundidad de descarga del 80%, lo que indica que de su capacidad nominal (capacidad total) podemos utilizar el 80% y el resto de energía no podrá ser utilizada. La energía total depende del tiempo que empleemos para la descarga. Una batería nos dará mas energía cuanto mas despacio se descargue. Por lo tanto si se descarga muy rápido su capacidad será menor. La duración del ciclo de carga se expresa en horas. Si vemos que el fabricante de una batería expresa su capacidad como 450 Ah C50 nos está diciendo que la capacidad total de energía que contendrá será de 450 amperios por hora si la descargamos en 50 horas. De todas maneras hay que señalar que la profundidad de descarga ideal debe ser en la mayoría de los casos la mitad de la profundidad de descarga máxima admisible, siendo esta última alcanzada de manera esporádica.
Recapitulando diremos que una batería que tiene una profundidad de descarga del 80% y cuya capacidad nominal es 450 Ah C50 es una batería que si la descargamos en 50 horas nos dará el 80% de 450 Ah = 360 Ah.

Las características que definen a un acumulador son:




  • El tipo de acumulador.

  • El material químico que la compone.

  • Su capacidad, que se expresa en Ah ( amperios por hora) y su tensión de trabajo, que se expresa en V (voltios)

  • El tipo de carcasa exterior.

  • Su profundidad de descarga.

  • Su coeficiente de autodescarga.



TIPOS DE ACUMULADORES
Existen varios tipos de baterías siendo las mas extendidas las de tracción, arranque y las estacionarias.
Las de tracción se utilizan para alimentar pequeños motores de vehículos eléctricos como elevadores o carritos para los que hace falta una intensidad moderada en espacios relativamente dilatados, a veces varias horas .Su profundidad de descarga puede llegar a ser igual a la de las estacionarias con la diferencia de que soportan mejor las descargas fuertes a cambio de una vida mas corta.
Un ejemplo sencillo de batería de arranque es la típica de automoción. Están diseñadas para realizar una gran descarga durante un espacio corto de tiempo. Eso las convierte en una mala elección para uso fotovoltaico. Además su capacidad suele ser en general baja y no admiten que se consuma una parte importante de su capacidad total (baja profundidad de descarga). Mayores descargas pueden suponer la muerte prematura de la misma. También acorta su vida útil realizar cargas incompletas.
Las baterías de uso fotovoltaico son de tipo estacionario, diseñadas para ofrecer servicios semicontínuos o intermitentes de energía durante períodos largos de tiempo, varias horas o días. Su profundidad de descarga depende de su composición interna. Existe gran variedad de capacidades y se dividen en varios tipos en función de la composición química de los elementos que las componen. Solemos dividirlas también por el tipo de carcasa que tienen, ya que las de poca capacidad suelen venir en una carcasa tipo monoblock como las de coche (aunque su composición es diferente). Las de media y gran capacidad las componen elementos individuales de gran tamaño que tienen que ser interconectados entre si para conseguir la capacidad y el voltaje adecuados al uso que se le va a exigir. De los tipos existentes en función de su composición señalaremos:



  • De plomo-acido: Son las que dominan el mercado, sobre todo por precio. Son sensibles a los cortocircuítos y requieren de un mantenimiento para que su vida útil no se reduzca. Además generan gases tóxicos, por lo que hay que dedicarles un espacio ventilado, aunque para pequeñas capacidades existen baterías selladas en las que se añade un gelificante que espesa los líquidos del electrolito con lo que no se producen perdidas de este, mejorando la recuperación en descargas profundas y evitando el rellenado y mantenimiento a cambio de una vida mas corta y un precio adicional (baterías de gel). .En grandes capacidades se utiliza para las placas internas una aleación de plomo y antimonio (Pb-Sb) que permite profundidades de descarga de hasta el 80% si esta es lenta. De todas maneras las profundidades de descarga óptimas deben ser inferiores al 50%. Estas baterías se presentan generalmente en vasos individuales de 2 voltios de tensión nominal y es necesario conectarlos hasta conseguir las tensiones comúnmente utilizadas en fotovoltaica, 12V,24V o 48V.




  • De plomo calcio (Pb-Ca): Su precio es moderado. Tienen una baja autodescarga y carecen totalmente de mantenimiento. Son muy utilizadas para pequeñas capacidades por la comodidad que ofrecen. Pero su baja profundidad de descarga, de uso general del 20% y límite en el 40% las sitúan en la mitad de la capacidad de una estacionaria de plomo ácido.



UTILIZACIÓN Y MANTENIMIENTO

Las baterías tienen una vida limitada, dependiendo de su composición y calidad de fabricación. Sin embargo es crucial para las baterías ser muy cuidadoso con el trato que se les dispensa, ya que pueden sufrir mermas de durabilidad importantes o incluso la muerte o incapacidad para la recuperación de la carga si su uso o mantenimiento son inadecuados.


Los límites de descarga tienen que ser respetados dado que se puede dar una reacción química anómala en el interior del vaso(o vasos) que genere el fenómeno de sulfactación, en virtud del cual las placas sólidas, que son de signos opuestos, pueden quedar unidas o comunicadas, lo que supondrá la total inutilización de las mismas. De hecho el fenómeno de sulfactación comienza ya con la primera descarga del acumulador, que en las sucesivas reacciones químicas de los ciclos de carga y descarga va perdiendo capacidad útil. Esto se da debido a que la reacción química nunca es perfecta, es decir, siempre existe alguna cantidad de reactivo que no consigue combinarse o lo hace de manera anómala, pierde así la capacidad de volver a su estado original y queda cristalizado en las placas, el líquido o el fondo del vaso. Se ha observado que el calor interno que adquiere el electrolito está relacionado con este fenómeno. Estos errores de carga son mas frecuentes cuanto mas rápida es la descarga y cuanto mas profunda es. Por lo tanto la manera ideal de operar una batería estacionaria es realizar los consumos dilatadamente, no encendiendo varios dispositivos al mismo tiempo. La vida de una batería no se mide en años sino en ciclos, cada ciclo de carga y descarga completo es la unidad. Con un buen uso y mantenimiento se consiguen vidas útiles muy largas, aunque difíciles de cuantificar en tiempo. Lo que es seguro es que en la vida de la instalación las baterías tipo Pb-Sb deberán ser substituídas por lo menos una vez, en muchos casos dos veces o incluso mas.
En cuanto al mantenimiento hay que evitar que el nivel de líquido baje del mínimo establecido añadiendo mas cuando sea preciso. También es conveniente someter la batería a una sobrecarga o carga de ecualización durante aproximadamente dos horas una vez al mes cuando es nueva y mas a menudo a medida que pasa el tiempo. Con esta carga de ecualización consistente en cargar al máximo y seguir inyectando energía de los paneles durante un tiempo, se consigue hacer burbujear el líquido, con lo que las substancias no reaccionadas que están en el vaso, electrolito (líquido) y las placas probablemente reaccionen parcialmente ,con lo que se conseguirá cierta recuperación de material activo. La ecualización produce una leve mezcla del electrolito que redunda en un mejor rendimiento general de la batería. Destacaremos también la necesidad mantener una temperatura dentro de unos parámetros adecuados cercanos a los 20ºC. El exceso de calor perjudica la capacidad de la batería y el frío extremo puede ralentizar mucho las reacciones químicas, impidiendo la entrega de carga con normalidad. El riesgo de congelación es muy bajo si la batería está plenamente cargada, pero si está descargada este riesgo aumenta y puede producirse la total inutilización de la misma.

CAPACIDAD DE ACUMULACIÓN INSTALADA

El acumulador tiene que ofrecer una capacidad suficiente para que , en ausencia de sol varios días por adversidades climatológicas, exista un suministro suficiente de electricidad. Por tanto su capacidad debe ser equivalente al consumo diario estimado por el número de días de autonomía deseado. Si hemos estimado el consumo en wh ( vatios por hora) es fácil saber cual será la capacidad necesaria de la batería, ya que si dividimos el consumo(Wh) entre la tensión del circuito(V) tendremos la capacidad de la batería (Ah). Por ejemplo:


Necesitamos 1000 Wh de consumo durante 6 dias. La tensión de la batería es de 24 V. Pues 1000Wh * 6 días = 6000 Wh. Para saber cuantos amperios por hora son dividimos entre la tensión: 6000/24 = 250 Ah. Una batería de 250Ah no nos dará esa energía, ya que su profundidad de descarga nunca será del 100%. Supongamos que este modelo de batería tiene una profundidad de descarga máxima del 50%, entonces solo nos estaría dando la mitad de lo que necesitamos, con lo que la capacidad a instalar tendría que ser el doble, o sea 500Ah.
Ya habíamos hablado que las baterías tienen pérdidas por autodescarga y porque gastan cierta cantidad de energía para producir las reacciones químicas de su interior (suele ser un 10%. También sabemos que pierden vida útil. Todo esto nos tiene que llevar a una mayor capacidad de la batería. Por tanto 500Ah hay que sumarle un 10% por lo que consume: 500* 1.1= 550Ah. Y hay que sumarle un margen de seguridad que cubra su envejecimiento durante varios años y también posibles sobreconsumos, como mínimo un 10% mas: 550 * 1.1= 605 Ah es una batería razonablemente bien dimensionada para un consumo de 1000Wh con autonomía de 6 días en un circuito de 24V si su profundidad de descarga máxima es del 50%.

ASOCIACIÓN DE BATERÍAS
Cada batería tiene un voltaje de operación. Para aumentar este voltaje se pueden combinar varias baterías configurándolas en serie. LAS BATERÏAS ASOCIADAS DEBEN SER NECESARIAMENTE IDËNTICAS EN CAPACIDAD VOLTAJE Y ESTADO DE DESGASTE.
Un ejemplo sencillo de baterías en serie se da diariamente en casi todos los dispositivos del hogar que lleven dos o mas pilas. El polo negativo que no está asociado a otra pila ejerce de polo negativo del conjunto, e igual pasa con el positivo libre. El resto de polos se tocan positivo de una pila con negativo de la siguiente. En una asociación en serie de dos pilas de 1,5 voltios y 700 mAh ( mili amperios hora) se obtienen 3 voltios y 700 mAh. Es decir que se suman los voltajes y la capacidad permanece igual. Si pasamos esto a acumuladores estacionarios el esquema es el mismo y el resultado también. Por tanto en las baterías Pb-Sb que se presentan en vasos de 2 V cada uno es imprescindible asociar varios vasos en serie para obtener el voltaje adecuado (generalmente 12V, 24V o 48 V).
También se pueden asociar las baterías para aumentar la carga sin tocar el voltaje. Esto se consigue uniendo por un conductor todos los polos positivos y por otra parte todos los negativos. El resultado es mantener el voltaje original nominal de las baterías y sumar las capacidades de estas. Un ejemplo:
Si disponemos de dos baterías monoblock idénticas de 500 Ah y 12V obtendremos:

  • Conectándolas en serie( un positivo con un negativo y los polos libres al circuito) nos darán 500 Ah a 24V

  • Conectándolas en paralelo (uniendo ambos positivos y por otro lado ambos negativos y de los polos de una al circuito) nos darán 1000 Ah a 12V.


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