Segunda parte
El número de posibilidades que tenemos a la hora de escoger un determinado tipo de acumulador de energía para aplicaciones fotovoltaicas es muy amplio en la actualidad. Los principales tipos son:
- Plomo- ácido
- Níquel- Cadmio
- Níquel- Hierro
- Plata- Cadmio
- Zinc- óxido de plata
- Litio
Las más comunes siguen siendo las de plomo-ácido, debido fundamentalmente a su bajo coste, y las de níquel-cadmio debido a sus prestaciones. En cualquier caso, recomendamos analizar detenidamente sus características técnicas antes de utilizar un tipo de batería u otro, para adaptar el tipo de batería a nuestras necesidades y posibilidades.
2.2.5.1. Baterías de plomo-ácido.
Existe una gran variedad de tipos de baterías de plomo-ácido, que utilizan diferentes tecnología, y que se diferencian en el precio, respuesta ante los ciclos de carga y descarga, mantenimiento necesario, etc. Los tipos fundamentales son:
2.2.5.2. Plomo-antimonio.
El antimonio permite adherir una mayor cantidad de material activo a los electrodos. Celdas con mayor cantidad de material activo tienen mayor
duración y mayor profundidad de descarga. El incremento del material activo ambién aumenta el costo y el peso de la batería, además, la presencia del antimonio incrementa las pérdidas por autodescarga.
2.2.5.3. Plomo-Calcio abiertas.
Tienen electrodos con una aleación de calcio lo que reduce el fenómeno de gasificación durante la carga y por tanto disminuye la pérdida de agua en el electrolito. Así mismo, disminuyen las pérdidas por autodescarga, por lo que pueden permanecer inactivas durante largos períodos de tiempo.
2.2.5.4. Plomo- Calcio selladas.
Es un tipo similar al anterior pero que no precisa mantenimiento.
2.2.5.5. Híbridas-Antimonio / Calcio.
Tienen propiedades mixtas de las de plomo-calcio y de las de plomoantimonio.
2.2.5.6. De electrolito en forma de gel.
Donde el electrolito no es líquido sino gelatinoso. Su costo es alrededor de tres veces mayor que las de electrolito líquido, pero tiene características técnicas que la hacen muy útiles en aplicaciones especializadas.
2.2.5.7. AGM.
Batería de plomo-ácido hermética regulada por válvulas. La batería de ácido regulada por válvulas reduce considerablemente la necesidad de
mantenimiento. Funciona por el mismo principio que la batería de níquel y cadmio estanca.
2.2.5.8. Plomo-ácido convencionales.
Por ser las más comunes describiremos más ampliamente las baterías de plomo-ácido convencionales. En los vasos de estas baterías se encuentran, en principio, unas placas de dióxido de plomo conectadas al electrodo positivo del vaso y otras placas de plomo conectadas al electrodo negativo. No obstante las aleaciones de materiales de las placas de las baterías han cambiado mucho a lo largo del tiempo y cada fabricante aplica tecnologías propias.
El electrolito está compuesto por agua destilada y ácido sulfúrico y la reacción reversible que se produce es la siguiente:
Pb + PbO2 + 2SO4H2 <-> 2SO4Pb + 2H2O
Este tipo de batería es el más usado debido a su bajo costo. Cuando la batería está cargada, el electrodo positivo tiene un depósito de dióxido de plomo y el negativo es plomo. Al descargarse, la reacción química que hace que, tanto en la placa positiva como en la negativa se deposite sulfato de plomo.
Las baterías de plomo-ácido se utilizan, no solo en aplicaciones fotovoltaicas, también en automoción. Pero a parte del coste, mucho más elevado para las baterías fotovoltaicas, las diferencias técnicas entre ambas baterías son fundamentales.
En las baterías de acumulación de plomo-ácido no está permitido el uso de baterías de arranque o automoción.
La capacidad de almacenamiento de una batería de plomo-ácido varía con la temperatura del electrolito, que está determinada por la temperatura ambiente. La siguiente tabla muestra esta relación para baterías fotovoltaicas, en ella podemos observar que la mayor capacidad se alcanza a los 25 ºC, por lo que es importante mantener la temperatura del electrolito cercana a esta temperatura.
Aunque la capacidad a 30 °C puede ser mayor, esto repercute en una reducción de la vida útil de la batería.
Características de las baterías de plomo ácido.
Voltaje de una celda. 2 V
Densidad de carga. 15-30 Wh/kg.
Descargas. No soportan descargas muy profundas.
Ciclos de vida. Menos de 500 recargas.
Baja temperatura ambiente. La soportan mal.
Alta temperatura ambiente. Pierden eficiencia.
Autodescarga. Alta.
Almacenamiento. No permiten largos períodos.
Sulfatación de las placas. Se produce.
Congelación del electrolito. Se produce.
Tensión de descarga. Disminuye gradualmente.
Mantenimiento. Alto.
Coste. Bajo.
Otro aspecto muy importante a considerar es que el voltaje de salida de una batería de plomo-ácido no permanece constante durante la carga o la descarga. Varias variables determinan su valor:
- El estado de carga, ya que a menor estado de carga el voltaje de la batería disminuye.
- La temperatura del electrolito, ya que a mayor temperatura el voltaje que presenta la batería es mayor y a menor temperatura se da el fenómeno contrario, debido a que cualquier reacción química es acelerada cuando la temperatura se incrementa y es retardada cuando ésta disminuye.
- La corriente de descarga, ya que cuando esta aumenta, el voltaje de la batería disminuye. Este es un mecanismo que autolimita el funcionamiento de la batería.
Lo mencionado anteriormente es fundamental a la hora de instalar el acumulador fotovoltaico ya que si no esta en un lugar protegido del frío en invierno puede no funcionar correctamente. Por otro lado si la instalación no está correctamente dimensionada pueden producirse caídas de voltaje.
2.2.5.9. Baterías de níquel-cadmio.
Existe una gran variedad de tipos de baterías de Ni-Cd, que utilizan diferentes tecnología, y que se diferencian en el precio, respuesta ante los ciclos de carga y descarga, mantenimiento necesario, etc. Los tipos fundamentales son:
- Con electrodos sinterizados. Este tipo de electrodo puede cargarse con corrientes muy altas y ello hace que pueda aprovecharse al máximo la ventaja del sistema de Ni-Cd.
- Con electrodos esponjosos. Estos electrodos esponjosos se realizan mediante el niquelado químico de un plástico adecuadamente poroso (poliuretano). La porosidad es considerablemente superior al del electrodo sinterizado permitiendo el almacenamiento de más capacidad con el mismo volumen.
- Con electrodos de fibra. Los electrodos se obtienen niquelando en felpa de fibras de plástico y a continuación impregnando con material activo.
- Con placas “pocked". En estas baterías, en sus vasos, se encuentran unas placas de acero inoxidable, con unas cavidades en las que se encuentra depositado por un lado hidróxido de níquel, y conectadas al electrodo positivo del vaso y otras placas, también de acero inoxidable conteniendo cadmio, conectadas al electrodo negativo.
Ni-Cd estancas. Se obtiene una batería completamente estanca que no requiere mantenimiento. Los ámbitos de mayor aplicación de estas baterías son los pequeños aparatos portátiles, ya que pueden utilizarse en cualquier lugar.
Debido a su alto costo inicial, más de seis veces que la de plomo-ácido, las baterías de níquel-cadmio no han podido suplantarlas. Sin embargo, su costo largo plazo es menor que el de una batería de igual capacidad del tipo plomo-ácido debido a su bajo mantenimiento y su larga vida útil, el doble que la de plomo-ácido.
Características de las baterías de níquel-cadmio.
Voltaje de una celda. 1,4 V
Densidad de carga. 20-45 Wh/kg.
Descargas. Soportan sin daños descargas muy profundas.
Ciclos de vida. Más de 500 recargas.
Baja temperatura ambiente. La soportan bien sin problemas.
Alta temperatura ambiente. Tienen una mayor eficiencia que las de plomo-ácido.
Autodescarga. Es inicialmente elevada, pero disminuye con el tiempo.
Almacenamiento. Permiten largos períodos.
Sulfatación de las placas. No se produce.
Congelación del electrolito. No se produce.
Tensión de descarga. Permanece constante.
Mantenimiento. Bajo.
Coste. Alto.
Por sus características representan una buena solución para los climas tropicales o en instalaciones aisladas y que requieran poco mantenimiento.
En las baterías de Ni-Cd, el voltaje de salida permanece prácticamente constante hasta el momento en que su capacidad se agota. En ese momento la cantidad de energía que puede suministrar disminuye radicalmente.
Resulta complejo conocer el estado de carga de la batería ya que el voltaje de la batería varía muy poco con la carga, y por lo tanto para medirlo se necesitan voltímetros muy precisos. Además el electrolito de una batería de Ni-Cd no presenta variaciones en su densidad entre la carga y la descarga, impidiendo el uso de un densimetro. Lo más adecuado es utilizar para comprobar el estado de la batería un vatímetro. Por tanto, a la hora de elegir un sistema de monitorización del estado de las baterías, se deberá elegir un sistema diseñado específicamente para las de Ni-Cd.
2.2.5.10. Baterías de níquel-hierro.
Son muy similares a las de níquel-cadmio pero su coste es más elevado. Los electrodos son de hidróxido niquélico que actúa como electrodo positivo y de hierro que actúa como electrodo negativo. El electrolito está compuesto por hidróxido de potasio.
2.2.5.11. Baterías de plata-cadmio.
También son bastante parecidas a las de Ni-Cd. Los electrodos son de plata que actúa como electrodo positivo y de cadmio que actúa como electrodo negativo. El electrolito está compuesto por hidróxido de potasio.
2.2.5.12. Baterías de zinc-oxido de plata.
Son baterías con buenas prestaciones pero de precio elevado. En los vasos de la batería se encuentran unas placas de oxido de plata conectadas al electrodo positivo del vaso y otras placas de zinc conectadas al electrodo negativo. El electrolito está compuesto por hidróxido de potasio.
2.2.5.13. Baterías de litio.
Las baterías basándose en iones de Litio son las baterías más recientes en el mercado y aunque, hasta ahora, se emplean fundamentalmente en los teléfonos móviles es muy previsible que se desarrollen hasta sustituir a las de Ni-Cd incluso en aplicaciones fotovoltaicas, especialmente en pequeños sistemas, de aquí el interés de estudiarlas. Estas baterías consiguen almacenar mucha más energía que otros tipos y son también mucho más ligeras, pesando cerca de la mitad que una Ni-Cd equivalente.
2.2.6. Factores que intervienen en la elección de una batería.
En la elección de una batería intervienen diversos factores que deberemos considerar antes de decidirnos por una u otra. No todas las aplicaciones requieren el mismo tipo de batería y dentro de un mismo grupo de batería en el diseño podemos decantarnos por un tipo u otro en función de los parámetros siguientes.
- Tipo de aplicación. En las instalaciones fotovoltaicas más habituales podemos usar baterías convencionales, pero en aplicaciones que requieran mucha fiabilidad, poco mantenimiento y una vida muy larga deberemos plantearnos utilizar otros tipos de baterías más adecuados.
- Densidad de energía-peso. En determinadas aplicaciones, como en sistemas de señalización marinos, podemos encontrarnos con que para conseguir determinado nivel de potencia y capacidad es necesario recurrir a determinados tipos de baterías, ya que utilizar otros implica un peso o volumen excesivos.
- Funcionamiento a baja y alta temperaturas. El lugar de instalación puede ser muy importante a la hora de determinar que tipo de batería utilizar. En el caso de que la instalación se realice en una zona templada y el acumulador esté protegido adecuadamente, podremos usar baterías convencionales, pero en el caso de instalaciones en zonas muy frías o muy calurosas, las baterías convencionales tienen una vida muy corta, por lo que conviene utilizar otros tipos especiales.
- Coste del acumulador. Este es un factor fundamental para el cliente, por lo que, en la medida de lo posible, deberemos instalar el tipo de batería más barato, que cumpla correctamente con los requisitos de diseño de nuestra instalación, en cuanto a fiabilidad, vida útil, tamaño del acumulador, posibilidades de mantenimiento, etc.