Para que quede claro y con permiso del señor tabernero, expongo, un poco largo pero efectivo, el texto que utilice para impartir un curso destinado a personas sin conocimientos de electricidad.
He intentado adjuntar el archivo unas veinte veces
y no hay manera, lo pego directo y perdon por el tocho pero creo que os interesara bastante para despejar dudas.
2.2. Baterías y acumuladores.
En las instalaciones solares fotovoltaicas, aisladas de la red, en las que tenemos que acumular de alguna forma la energía, el uso baterías permite dotar al sistema de una fuente eléctrica:
- Independiente de las condiciones de irradiación solar existente.
- Con una autonomía más o menos prolongada.
- Con cierta capacidad de suministrar intensidades superiores a la nominal de los módulos fotovoltaicos.
- Con una tensión estable, necesaria para el correcto funcionamiento de lámparas, motores y electrodomésticos.
- Con una tensión de referencia, que fije el punto de trabajo óptimo de los módulos.
Por tanto, las baterías son unos componentes fundamentales, lo que hace necesario el conocimiento a fondo de sus características, prestaciones y limitaciones. Sólo así podrá lograrse su correcta instalación y uso en el sistema, prolongando la vida útil de este y aumentando su grado de fiabilidad.
Para facilitar la comprensión posterior del tema deberemos conocer previamente algunos conceptos y nomenclaturas.
Una batería está formada por la asociación serie de varios elementos, llamados vasos o celdas, cada uno de los cuales consta de dos bornes o contactos, uno positivo y otro negativo.
Las baterías pueden ser compactas, cuando varios vasos conectados en serie nos suministran un voltaje final, que es la suma del voltaje de cada uno de ellos por separado. Todos los vasos de una batería compacta están empaquetados en un recipiente común. Las baterías compactas suelen ser de 6, 12 y 24 voltios.
Las baterías cuando no son compactas están compuestas por varios vasos independientes conectados en serie. Las baterías no compactas
pueden ser de 6, 12, 36, 24 y 48 voltios.
El banco de baterías o acumulador es la unión en serie y/o en paralelo de varias baterías compactas o vasos independientes conectados de manera que obtengamos el voltaje necesario y la suficiente capacidad de almacenamiento de energía. Los acumuladores suelen de 12, 36, 24 y 48 voltios. Debe quedar claro que un acumulador puede constar de una sola batería o vaso.
2.2.1. Funcionamiento de las baterías.
Una batería está formada por la asociación serie de varios elementos, vasos o celdas, cada una de las cuales consta de 2 electrodos de distinto material inmersos en una disolución electrolítica. Entre los electrodos se establece una diferencia de potencial debido a las características de los materiales de que están construidos y al proceso electro-químico reversible que se produce entre ellos. Definimos, por tanto, la batería como una fuente de tensión continua formada por un conjunto de vasos electroquímicos interconectados.
Existen diversos tipos de reacciones electroquímicas para cada batería, pero todas tienen en común el hecho de que cuentan con un ánodo, que es en el cual se produce la oxidación del compuesto y un cátodo que es en el cual se produce la reducción durante el proceso electroquímico.
El proceso mencionado permite convertir la energía eléctrica en energía química, que se produce durante la carga de la batería. El proceso inverso ocurre cuando la batería se descargada proporcionando energía eléctrica.
Como ya se ha indicado, para que estas conversiones puedan llevarse a cabo, en cada celda de la batería, se necesitan dos electrodos metálicos aislados eléctricamente y sumergidos en un medio que los vincule, llamado electrolito, el cual hace de conductor de iones. El electrolito puede ser sólido, gelatinoso o líquido, que suele ser el más frecuente.
Cada celda de un tipo determinado de batería presenta una diferencia de potencial determinada entre sus electrodos. Por ejemplo, en las baterías de plomo-ácido, la diferencia de potencial excede levemente de los dos voltios entre los dos electrodos, que forman parte de cada celda, cuando está plenamente cargada. Y decimos que cada celda tiene un terminal o borne negativo y otro positivo.
Las baterías comerciales, para poder ofrecer un voltaje de salida práctico, poseen varias celdas conectadas en serie. De manera que, en el ejemplo de las baterías de plomo-ácido, si conectamos seis celdas en serie tendremos una batería que presentará una diferencia de potencial o tensión entre sus bornes de salida de 12 V.
Pero normalmente no usamos una sola batería de 12 o 24 V, usamos una serie de ellas conectadas en serie o en paralelo, conjunto al que denominaremos acumulador. De manera que un acumulador es la asociación eléctrica de baterías.
2.2.2. Parámetros característicos de las baterías.
Existen varios parámetros que definen las principales características de una batería, como son:
- El tipo de batería. El más utilizado en la práctica es el de plomo-ácido con electrolito líquido, seguido del acumulador de plomo-ácido con electrolito de gel y el de níquel-cadmio.
- La energía que puede almacenar, que se denomina capacidad nominal (Cn) y que viene dada en vatios.hora (Wh). Técnicamente la capacidad nominal se define como la cantidad de carga que es posible extraer de una batería en 20 horas, medida a una temperatura de 20 ºC, hasta que la tensión entre sus terminales llegue a 1,8 Voltios/vaso.
- La corriente que puede entregar en la descarga, que viene dada en amperios (A).
- La profundidad de descarga máxima (PDmax) a la que se la puede someter la batería, que viene dada en % de energía que se la puede extraer sobre el total de su capacidad, sin dañar la batería.
- El voltaje nominal, que es la diferencia de potencial entre sus bornes, que viene dado en voltios (V).
- La vida del acumulador (hasta que su capacidad residual caiga por debajo del 80% de su capacidad nominal).
- La densidad de carga, que indica la capacidad de la batería por unidad de peso (Wh/kg) o por unidad de volumen (Wh/cm3).
- El número de ciclos de carga y descarga que puede soportar.
A lo largo del presente tema analizaremos estos parámetros y veremos sus implicaciones técnicas y de utilización de las baterías.
2.2.3. Capacidad de las baterías.
La corriente que puede entregar una batería y su capacidad nominal no son parámetros totalmente definitorios de las condiciones de trabajo de la batería, por lo que se representa la capacidad de otra forma que vincula la capacidad nominal Cn en Wh de la batería, con el voltaje que presenta entre sus bornes y con la corriente que puede entregar, que vendrá dada en amperios.hora (Ah).
De manera que la capacidad nominal de la batería la representaremos por Cn-Ah.
Cn-Wh = V * Cn-Ah
En cualquier otro estado de carga de la batería la capacidad CWh en Wh se relacionará con la capacidad CAh en Ah por la ecuación siguiente:
CWh = V * CAh
Para simplificar a la capacidad CAh en Ah la llamaremos simplemente capacidad C y la indicaremos en Ah.
Ejemplo.
Disponemos de una batería que trabaja a 12 V, con una capacidad nominal de 60 Ah y vamos a calcula la energía química nominal que tiene acumulada.
CWh = V * CAh = 12 V * 60 Ah = 720 Wh
Pero no toda la capacidad de una batería puede ser utilizada, por lo que utilizaremos la capacidad útil de la batería, que se define como la capacidad disponible o utilizable de la batería, y que tiene por valor el producto de la capacidad nominal por la profundidad de descarga máxima, PDmax.
Cu = C * PDmax
El estado de carga de una batería se define como el cociente entre la capacidad de una batería, en general, parcialmente descargada, y su
capacidad nominal.
Ejemplo.
Vamos a calcular la capacidad útil de una batería con una capacidad nominal de 60 Ah con una profundidad de descarga máxima, PDmax del 80%.
Cu = C * PDmax = 60 Ah * 0,8 = 48 Ah
El régimen de carga (o descarga) es un parámetro que relaciona la capacidad nominal de la batería y el valor de la corriente a la cual se realiza la carga (o la descarga). Se expresa normalmente en horas y se representa como un subíndice en el símbolo de la capacidad y de la corriente a la cuál se realiza la carga (o la descarga).
Ejemplo:
Si una batería de 100 Ah se descarga en 20 horas a una corriente de 5 A, se dice que el régimen de descarga es 20 horas (C20 = 100 Ah) y la corriente se expresa como I20 = 5 A.
El número de Ah de una batería es un valor que se deriva de un régimen de descarga especificado por el fabricante. Para las baterías utilizadas en aplicaciones fotovoltaicas, el procedimiento de prueba está normalizado, de manera que una batería, inicialmente cargada al 100%, sé descargada, a corriente constante, en un tiempo de 20 horas, realizando la prueba a 20 ºC.
Ejemplo:
Si una batería solar tiene una capacidad de 200 Ah, para un régimen de descarga de 20 h, establecido en la prueba normalizada, el valor de la corriente durante la prueba será de 10 A.
Los fabricantes de baterías expresan el valor de la corriente de carga (o descarga) como un valor fraccional de su capacidad en Ah. En el ejemplo mencionado de una batería con una capacidad de 200 Ah, C20 representa una corriente de 10 A durante 20 horas y C40 representa una corriente de 5 A durante 40 horas.
No obstante, hay que saber que una batería, como la de nuestro ejemplo, no puede entregar 200 A durante una hora. El proceso electroquímico no puede ser acelerado más allá de determinados límites sin que la batería se dañe irremediablemente. Para mantener la batería en las mejores condiciones operativas, su capacidad en Ah, requiere un determinado número de horas de descarga.
La vida del acumulador (hasta que su capacidad residual caiga por debajo del 80% de su capacidad nominal), por normativa debe ser superior a 1000 ciclos, cuando se descarga el acumulador hasta una profundidad del 50%.
2.2.4. Carga y descarga de las baterías.
Los procesos de carga y descarga son habituales en las baterías, por esta razón, analizarlos es de mucho interés para usar correctamente las baterías.
2.2.4.1. Ciclos de carga y descarga.
Como ya hemos indicado, cuando aplicamos una corriente de carga a la celda se producen reacciones electro-químicas en los electrodos, que continúan mientras sigamos suministrando una corriente eléctrica y el electrolito sea capaz de mantener la reacción. Como es proceso es reversible, si dejamos de suministrar corriente eléctrica y conectamos una carga eléctrica entre los dos polos de la batería, circulará una corriente a través de la carga, provocando reacciones químicas en los electrodos que vuelven el sistema a su condición inicial.
En teoría, el “ciclo” de carga-descarga, puede ser repetido indefinidamente, en la práctica existen limitaciones para que el proceso se repita más allá de un determinado número de veces, ya que los electrodos pierden parte del material en cada descarga. El numero de ciclos de carga y descarga que admite una batería se denomina ciclaje y es uno de los factores básicos para elegir una batería.
Para cargar una batería se necesita un generador de CC, del cual se deberá conectar el polo positivo al borne positivo de la batería y el polo negativo al borne negativo de batería, evidentemente, a través del regulador. Para forzar una corriente de carga el voltaje del generador debe ser algo superior al de la batería.
Es conveniente cargar la batería con un nivel de corriente que no exceda el máximo indicado por el fabricante. Debido a las perdidas producidas en el proceso de carga, para una batería en buen estado, el tiempo de carga, multiplicado por la corriente de carga debe ser un 15% mayor a la capacidad de la batería.
Ejemplo.
Un batería de 60 Ah se carga con una corriente de carga de 3 A debe de estar en carga durante el siguiente tiempo:
t = 60 Ah / 3 A * 1,15 = 23 h
En nuestro caso el generador de CC son los módulos solares, por normativa, para asegurar una adecuada recarga de las baterías, la capacidad nominal del acumulador (en Ah) no debe exceder en 25 veces la corriente de cortocircuito del generador fotovoltaico (en A).
La sobrecarga se produce cuando en el proceso de carga de la batería se alcanza el límite de su capacidad. Si en ese momento se le sigue inyectando energía, la batería puede sufrir daños importantes.
En una batería de plomo-ácido la proporción de ácido en el electrolito varía con el estado de carga del acumulador. Cuando la batería está descargada, la cantidad de ácido en la solución es baja. Si la batería está cargada, la cantidad de ácido en la solución alta. Este hecho permite conocer el estado de carga de la batería midiendo la concentración del ácido, esta medición se realiza usando un densímetro. La medición de la densidad del electrolito se realiza celda por celda, de manera que diferencias substanciales en el valor de la densidad entre unas celdas y otras indica un claro envejecimiento de la batería.
Con la sobrecarga, en una batería de plomo-ácido, el agua del electrolito se empieza a descomponer, produciendo oxígeno e hidrógeno. Es el denominado fenómeno de gasificación, perjudicial por la pérdida de agua que supone y porque oxida el electrodo positivo, lo que puede causar la muerte súbita de la batería. Además hay que tener cuidado con este fenómeno ya que estos gases pueden salir bruscamente arrastrando ácido sulfúrico, lo que puede dañar los terminales de salida, disminuir la cantidad de ácido dentro de la batería y provocar accidentes graves.
Por otro lado, estos gases pueden reaccionar provocando explosiones e incendios, lo que hace necesario que la batería esté ubicada en un lugar suficientemente ventilado, que permita evacuar los gases desprendidos.
No obstante algo de gasificación puede ser útil, pues contribuye a homogeneizar la solución electrolítica, ya que en ella el ácido tiende a
depositarse en el fondo y la gasificación disminuye este proceso. Para una batería de plomo-ácido de 12 V nominales, trabajando alrededor de los 25 ºC, un voltaje de carga de 14,2 V proporciona un nivel tolerable de gasificación. Un voltaje más elevado provoca un nivel de gasificación excesivo.
Como ya hemos indicado, en el proceso de obtención de corriente eléctrica de la batería se produce su descarga. Por normativa, la máxima profundidad de descarga (PDmax), referida a la capacidad nominal del acumulador, no debe exceder el 80% en instalaciones donde se prevea que descargas tan profundas no serán frecuentes. En aquellas aplicaciones en las que estas sobredescargas puedan ser habituales, tales como alumbrado público, la máxima profundidad de descarga no superará el 60%.
2.2.4.2. Autodescarga.
La autodescarga es la pérdida de carga de una batería, previamente cargada, cuando ésta permanece en circuito abierto. Habitualmente se expresa como porcentaje de la capacidad nominal, medida durante un mes, y a una temperatura de 25 ºC. La rapidez de la descarga depende de las condiciones ambientales y del tipo de batería.
Por normativa, en aplicaciones fotovoltaicas, la autodescarga de una batería 25 ºC no debe exceder por mes el 6% de su capacidad nominal.
Cuando aumenta la temperatura ambiente la batería se descargará totalmente en muy poco tiempo por lo que deberá ser recargada con frecuencia si queremos mantenerla operativa.
2.2.4.3. Sulfatación.
En la descarga de las baterías de plomo-ácido se deposita sulfato de plomo en ambos electrodos. Normalmente este depósito está constituido por pequeños cristales, que se descomponen fácilmente durante el proceso de carga. Pero si la batería ha sido descargada repetidas veces por debajo del mínimo especificado, es pobremente cargada, o permanece descargada por largo tiempo, por un proceso natural, el tamaño de los cristales crece.
Esto produce una disminución de la superficie activa del electrodo, disminuyendo la capacidad de almacenaje. Este fenómeno se lo conoce con el nombre de sulfatación de la batería. En lugares donde los períodos nublados son de larga duración las baterías pueden permanecer en estado de baja carga, por largo tiempo, induciendo la sulfatación de las placas. Una carga a régimen de corriente elevado puede disolver esta formación cristalina.
2.2.4.4. Rendimiento.
Cuando un tipo de energía es convertido en otro la eficiencia del proceso nunca alcanza el 100%, ya que siempre existen pérdidas (calor), como indica el segundo principio de la termodinámica en toda transformación energética siempre una parte de la energía se pierde en forma de calor.
La doble conversión energética que tiene lugar dentro de una batería no es una excepción y, por lo tanto, habrá pérdidas de energía durante los procesos de arga y de descarga. De manera que el rendimiento total de una batería vendrá dado por:
! = !c * !d
Donde ! es el rendimiento de la batería, !c es el rendimiento de la batería en la carga y !d el rendimiento en la descarga. Ambos valores varían con la temperatura del electrolito y el estado de carga de la batería.
Según diversos fabricantes, el rendimiento conjunto del ciclo de carga y descarga de una batería (!) tiene un valor medio de 0,85, que es el que utilizaremos en nuestros cálculos. No obstante esta es una visión muy optimista dado que, con el paso del tiempo, la capacidad de carga disminuye y el rendimiento también.
Ejemplo.
Una batería con un rendimiento del 84% es cargada con 45 Ah. La carga útil que podremos obtener de ella será la siguiente:
Cu = 45 Ah * 0,84 = 37,8 Ah
2.2.5. Tipos de baterías.
Existen una enorme variedad de tipos de baterías, que se diferencian por la utilización de diferentes electrolitos, electrodos, diseños y procedimientos fabricación. Con la implantación de nuevas aplicaciones, que han necesitado la incorporación de sistemas de baterías cada vez más eficaces, pequeños, duraderos y sin mantenimiento se ha desarrollado una gran variedad de nuevas tecnologías en este campo.