lunes, 26 de noviembre de 2012

COMPONENTES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO: III ACUMULADORES O BATERIAS


Descripción general:
Los acumuladores (también llamados “baterías”) son los elementos que se encargan de guardar energía eléctrica para su posterior uso. Consisten en células galvánicas que se componen de dos electrodos de metales (formando ánodo y cátodo) y un electrolito. 
Existen muchos tipos distintos de acumuladores pero los más usados (y hasta ahora la mejor elección en cuanto a prestaciones/precio) son de plomo-ácido. Hay muchos diseños distintos de este tipo de batería (batería de arranque, batería de tracción, estacionaria, AGM etc.) y aunque usen los mismos metales y electrolitos, existen grandes diferencias entre un diseño y otro en cuanto a vida útil, profundidad de descarga, intensidades, capacidades etc.
En los siguientes capítulos profundizaremos en estos aspectos.
Una batería no es un perpetuum mobile. Como todos los procesos en la naturaleza, también las reacciones electroquímicas de carga y descarga de la batería están sometidas a pérdidas; normalmente hace falta un 5% - 20% más de energía para recargar lo que se ha extraído de la batería anteriormente (cuanto más cargada está la batería, mayores serán las pérdidas). Un papel importante para las pérdidas juega la resistencia interna de la batería que suele aumentar bastante con el tiempo, así que una batería cada año de uso pierde algo de eficiencia.

Tipos de acumuladores/baterías:
Los acumuladores se clasifican de dos maneras:
1.) Uso (tracción, estacionaria, arranque)
2.) Diseño (materiales, tipo de placa, grosor de placa, electrolito, cerrado/abierto etc.)

Los usos más importantes son:
1.) Arranque (principalmente para alimentar el motor de arranque y la electrónica de vehículos)
2.) Tracción (carretillas elevadoras etc.)
3.) Estacionarios - aplicaciones aisladas de la red e inmóviles (o para respaldo en caso de que falle la red)
El uso que se le suele dar a una batería en instalaciones fotovoltaicas es para vivienda aislada o semiaislada (similar a SAI/”UPS”). Para un uso de vivienda aislada es mejor poner elementos estacionarios (por la mayor eficiencia, menor mantenimiento y vida útil más larga), mientras que para semiaislada es conveniente poner elementos de tracción (tanto por cuestiones económicas como por su capacidad de descargarse en muy poco tiempo. Así se pueden poner para autonomías de un solo día).
En cuanto al diseño, dentro de las baterías de plomo-ácido, podemos distinguir principalmente entre:
  • Placa positiva tubular: Son el tipo de placa empleado en baterías estacionarias y de tracción. Dan las ventajas de gran profundidad de descarga (normalmente un 80% de la capacidad nominal se puede considerar capacidad útil), descarga/recarga relativamente rápida (superficie grande de placa), muchos ciclos de carga/larga vida útil
  • Placa positiva plana gruesa (por ejemplo, baterías de Rolls). Ventajas: Muy larga vida útil respectivamente muchos ciclos de carga (según grosor de la placa), coste de fabricación relativamente bajo; desventaja: poca superficie, por lo cual disminuye mucho la capacidad útil para consumos potentes (régimen de descarga de C10 o menos).
  • Placa positiva plana fina tipo esponja: Se emplean en baterías de arranque y dan una superficie muy grande lo que permite una descarga/recarga muy rápida (intensidades muy altas). Desventajas: Admiten pocas descargas profundas ya que entonces las placas se consumen muy rápidamente; pueden dar miles de ciclos para arranques de motores (2% - 5% de descarga) pero no suelen llegar a 100 ciclos profundos (con más del 50% de descarga).
  • Placa positiva de rejilla: Ofrece una superficie grande (capacidad útil disminuye poco con consumos fuertes) y una aceptable profundidad de descarga, pero da pocos ciclos de vida
En general se puede decir que una batería va a durar más ciclos cuanto:
más grosor tienen sus placas positivas (material activo)
menos profundidad de descarga tienen los ciclos (como se puede observar en el gráfico a continuación)
Muy importante para la duración de las baterías es también:
  • Temperatura (cuanto más alta la temperatura, más capacidad útil da la batería, pero más rápida va a progresar la corrosión de las placas positivas – por ende va a durar menos ciclos). La temperatura ideal para las baterías se sitúa en torno a unos 20ºC.
  • Mantenimiento adecuado (mantener el nivel de electrolito dentro de lo admisible, prevenir y sanar sulfataciones).
  • Parámetros de carga y descarga adecuados (tensiones e intensidades según recomienda el fabricante; en general se puede decir que tensiones demasiado altas provocan una corrosión acelerada de la placa positiva y tensiones demasiado bajas facilitan la sulfatación de la misma; hay que ajustar la tensión de carga a la temperatura de la batería para maximizar su vida útil).
Existen diferencias en el diseño en cuanto a tamaños, números de células (voltaje), densidad nominal y consistencia del electrolito (líquido, gelificado o AGM), material del contenedor, aleaciones de las placas etc. Por ejemplo, se usa antimonio para aumentar la resistencia mecánica de las placas. Cuanto más alto es el porcentaje del antimonio, más resistencia mecánica tiene la placa y más va a resistir a intensidades altas de descarga y vibracionesmecánicas. Por otra parte el antimonio aumenta el gaseamiento (esto conlleva mayores pérdidas de agua y menor rendimiento de carga) y la autodescarga.

Procesos de carga y descarga

Reacciones químicas

Las reacciones químicas que tiene lugar en los procesos de carga y descarga de baterías de plomo-ácido son:
Descarga: Pb + PbO+ 2H2SO  2PbSO4 + 2H2O + corriente eléctrica
Carga: 2PbSO4 + 2H2O + corriente eléctrica  Pb + PbO+ 2H2SO4

2.     Etapas de carga

Existen 4 etapas de carga:
1.) Bulk: la fase bulk es la etapa de carga más eficiente. Esta etapa contiene todo el proceso de carga desde las baterías completamente descargadas hasta llegar a unos 2,4 V por célula de batería (por ejemplo, 14,4 V para una batería de 12 V). En la fase bulk no hay limitaciones de la corriente de carga; se aprovecha toda la potencia que puede entregar el regulador de carga respectivamente el cargador.
2.) Absorción: Cuando llegamos a la tensión de gaseamiento (2,4V por célula) empieza el proceso de absorción. En esta fase la corriente de carga se limita para que la tensión no suba más y se mantiene en 2,4 V por célula. La corriente disminuye poco a poco hasta que la batería está completamente cargada. Cuando la batería está completamente cargada, la corriente se mantiene constante. Los reguladores de carga mayoritariamente no cuentan con una posibilidad de detectar cuando la batería está cargada completamente y funcionan con un tiempo fijo programado para esta etapa de carga.
3.) Flotación: Tras la etapa de absorción el regulador pasa a flotación. En esta etapa de carga, el regulador se encarga de mantener la batería cargada, compensando la autodescarga de la batería. El regulador limita la intensidad de carga para mantener la tensión de la célula constante. La tensión de flotación suele estar en un rango de 2,2 V - 2,3 V  por célula y depende del tipo de batería, fabricante y modelo.
4.) Ecualización: Esta etapa de carga sirve para varias tareas de mantenimiento de la batería. La ecualización (también llamada igualación o carga de mantenimiento) es una sobrecarga de la batería, elevando la tensión de carga por encima de la tensión de gaseamiento, que provoca un gaseamiento fuerte de la batería. Esto sirve para:
- Romper estratificaciones de ácido dentro de las células. Tras mucho tiempo en reposo y sin recargar completamente una batería, esta puede sufrir una estratificación del ácido, quedando el ácido más denso abajo y dejando el ácido menos denso arriba en el vaso. La ecualización sirve para mezclar el electrolito y así romper la estratificación que se ha formado con anterioridad.
- Igualar el estado de carga de los elementos. Los distintos elementos o células de batería tienen diferencias en la resistencia interna por lo cual, el estado de carga de las distintas células puede variar con el tiempo, sobrecargando unos elementos mientras otros no se cargan completamente. Con la carga de ecualización se asegura que todos los elementos se recargan completamente.
- Limpieza de placas positivas. Las placas positivas, con descargas fuertes, descargas profundas y/o recargas incompletas durante semanas, pueden sufrir una sulfatación, disminuyendo su capacidad y rendimiento. Para limpiar las placas de los cristales de sulfato que se han formado se hace una carga de ecualización que disuelve los cristales o al menos provoca el despegue de estos de las placas.

3.     Influencia de la intensidad de descarga

Una célula de batería indica su capacidad nominal en la unidad “Ah”. Los “Ah” son el producto de la intensidad (amperios à A) por el tiempo (horas à h). Este valor suele estar acompañado por el régimen de descarga correspondiente que se indica con la letra “C” y un número que nos indica el tiempo de la descarga. Las indicaciones más habituales de la capacidad se hacen en los regímenes C5 (descarga con intensidad constante durante 5 horas), C10 (10 horas), C20 (20 horas) o C100 (100 horas).
Por ejemplo, si tenemos una batería que nos indica en su ficha 600 Ah C10, esto nos quiere decir que dispone de 600 Ah en un régimen de descarga con intensidad contante durante 10 horas. La intensidad de descarga correspondiente es: 600 Ah / 10 h = 60 A. Si descargamos la batería con 60 A de intensidad nos va a durar 10 horas y por lo cual nos dará 600 Ah de capacidad. La misma batería da mayor capacidad cuanto más lentamente se descarga. Al contrario, si se descarga más rápidamente (respectivamente con mayor intensidad), nos va a dar menos capacidad. Una batería que nos da 600 Ah C10, nos puede dar unos 900 Ah C100.
Ejemplo: Tenemos una batería de 12 V y 600 Ah C10 y 900 Ah C100 (normalmente la ficha técnica de la batería nos marca dos valores de capacidad para dos regímenes de descarga). Le conectamos varios aparatos cuya suma consume 60 A (600 Ah / 10 h = 60 A). Con esta carga nos dura 10 horas la batería, respectivamente nos rinde 600 Ah o 7.200 Wh (600 Ah * 12 V = 7.200 Wh). Si le conectamos una carga de sólo 9 A a la misma batería (900 Ah / 100 h = 9 A), (por ejemplo, una bombilla de 108 W; 9 A * 12 V = 108 W), nos durará 100 horas y rendirá 900 Ah respectivamente 10.800 Wh (100 h * 108 W).

Influencia de la temperatura

La temperatura influye en los siguientes aspectos:
  • Capacidad útil
  • Tensión (voltaje)
  • Durabilidad

Capacidad útil:
Cuanto más alta la temperatura, más capacidad nos da la batería. Una batería que nos da 1000 Ah a 25°C, nos dará solamente unos 850 Ah a 0°C.
La ilustración muestra como depende la capacidad (eje vertical en %) de la temperatura (eje horizontal en °C)
Tensión:
La tensión que da la batería (y la que necesita para su recarga) depende mucho de la temperatura de la misma. Cuanto más baja la temperatura, más alta la tensión.
Se suele aplicar un factor de 0,005 V/K (por célula de 2 V) para compensar los efectos de la temperatura. De esta manera, una bajada de temperatura de 30°C a 20°C conlleva un incremento de 0,005 V/K *10 K * 6 células = 0,3 V en una batería de 12 V.
Debido a esto es muy importante que el regulador de carga tenga información sobre la temperatura de la batería, por lo cual es muy importanteque tenga una sonda de temperatura externa. Sin esta sonda, hay peligro de sobrecargar la batería en verano y no cargarla suficientemente (con la consecuente sulfatación) en invierno.

Durabilidad:
Cuanto más alta la temperatura, menos ciclos nos va a dar la batería  por lo que su durabilidad será menor.
La siguiente ilustración muestra qué efecto tiene la temperatura sobre los ciclos que da una batería (las 3 curvas corresponden a tres profundidades de carga distintas).