Generador-Electrico.com *Online*

El carácter variable de la radiación solar hace necesario el uso de acumuladores de energía, que garantizan el funcionamiento del sistema fotovoltaico autónomo (SFA) en condiciones desfavorables.
Con el uso de los acumuladores se consigue dotar al sistema fotovoltaico autónomo de una reserva de energia para cuando las condiciones sean desfavorables.

Los acumuladores desempeñan tres funciones principales en un sistema fotovoltaico/hibrido/eólico:
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 energía e intensidad, lo que daría lugar a fluctuaciones de voltaje dañinas para los aparatos conectados.

Los acumuladores generalmente transforman la energía que proporcionan los módulos FV en otro tipo de energía que se almacena en los acumuladores (energía electro-quimica), para así almacenarla.
Acumulación en forma de energía electroquímica

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 baterias llamadas "secundarias" y son las recargables Pb-Acido, Gel, AGM, Ni-Cd y Li-Po (en aplicaciones FV la Li-Po no se utiliza, o al menos no por ahora).

Dos parámetros son los más utilizados a la hora de valorar que tipo de acumulador es más adecuado:
(kWh/kg) y Eficiencia energética.
La tendencia a montar uno u otro tipo de acumuladores depende en muchos casos a factores económicos, de disponibilidad o ubicacion.
Hoy por hoy las baterías son el método más extendido, aunque existe mucha investigación en los Supercaps y Células de combustible.

La batería de plomo ácido.
Es el tipo de batería más utilizada en sistemas fotovoltaicos autónomos con una cuota de mercado del +90%.
El electrodo positivo de la batería está compuesto por dióxido de plomo (PbO2) y el negativo por plomo metálico (Pb). Ambos electrodos están sumergidos en una disolución de ácido sulfúrico, cuya densidad
nominal debe de ser 1.24 g/cm3 @ 20ºC cuando esta totalmente cargada. El voltaje nominal de cada celda es de 2V.

Ventajas Desventajas
Gran disponibilidad Baja densidad de energía
Bajo coste Deterioro ante descargas profundas
Rendimiento Moderado Deterioro ante sobrecargas
Alto número de ciclos de vida Requieren mantenimiento
Bajo nivel de autodescarga

En los sistemas FV las baterías se diseñan para soportar dos tipos de ciclos de carga y descarga:
Ciclado diario.
Correspondiente al ciclo de carga ydescarga 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 de la batería no debe superar el 70%-80%.

Podemos distinguir 3 tipos de baterias "secundarias"
Baterías de arranque.
Utilizadas para el arranque del motor 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.

Baterías de tracción.
Son utilizadas para alimentar a vehículos eléctricos, y estan preparadas para cargas y descargas profundas y rápidas. Tienen una alta resistencia al ciclado pero tambien un alto mantenimiento.

Baterías estacionarias.
Permanecen largos periodos de tiempo en flotación totalmente cargadas y resisten descargas profundas y
esporádicas. Utilizadas en SAI y alumbrado de emergencia. Bajo consumo de agua. Moderada resistencia al ciclado.

Clasificación por tipos de placa.
Planté.
Consistente en una placa de plomo plana cuyo material activo (Pb) se forma por medio de continuas cargas y descargas. La batería solo alcanza su capacidad nominal tras varios ciclados. Diseño ampliamente extendido en baterías de arranque.

Fouré o empastada.
Pueden ser planas o tubulares. Las planas se caracterizan por utilizar rejillas para retener el material activo y mejorar la distribución de la intensidad en la placa. Recomendada para operación en flotación.
Las placas tubulares se caracterizan por poseer varillas de plomo aleado con antimonio recubiertas con de fibras sintéticas tubulares. Recomendada para operación en ciclado.

Clasificación por aleaciones.
Plomo calcio.
Ventajas: Alta resistencia a la corrosión por sobrecarga reduciendo el gaseo, bajo nivel de autodescarga.
Desventajas: Elevada corrosión a bajos estados de carga y alto control de impurezas durante la fabricación.

Plomo antimonio.
Ventajas: Buen comportamiento ante el ciclado y la descarga profunda.
Desventajas: Aumenta el gaseo y la autodescarga. Proceso de fabricación complejo a partir de concentraciones mayores del 3%.

Sin aleaciones.
Ventajas: Muy baja autodescarga y larga vida útil operando en flotación. Desventajas: Poca resistencia al ciclado y a las cargas-descargas rápidas y profundas. Mayor coste de fabricación.

Electrolitos utilizados.
Liquido aireado.
El electrolito se encuentra en estado liquido y es accesible al usuario para así realizar el mantenimiento pertinente. Los tapones del recipiente contenedor suelen ser de tipo recombinante para minimizar la perdida de agua y evitar la emisión de H2.

Electrolito inmovilizado. (AGM)
El electrolito se absorbe utilizando fibra de vidrio microporosa o fibra polimérica, 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.


Caracterización de la carga
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,Bat de la batería alcanza 3 estadios diferenciados.

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.

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 )

El voltaje alcanza un valor estable. En esta última etapa los materiales activos se han agotado y toda la corriente que llega la batería se invierte en la hidrólisis del agua. El voltaje estable que alcanza la batería 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 más rápido es el proceso de carga (más 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 Metodos de carga.

Carga combinada.
Probablemente es el método más apropiado para conseguir una plena carga de la batería. El proceso se divide en tres fases.
Primera a corriente constante hasta alcanzar un voltaje de 2.4V/vaso.
Segunda a voltaje constante hasta que la corriente de cola es prácticamente constante.
Tercero la batería se mantiene en flotación un tiempo que oscila entre 1-3 horas (~2.25-2.27V/vaso).

Modulación PWM.
Consiste en la carga de la batería mediante pulsos de corriente, la amplitud de los pulsos varia en función del estado de carga de la batería. La mayoría de los reguladores tradicionales de carga del mercado incorporan esta metodologia de carga.

Importante: 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 estratificación del electrolito.


Descarga (uso)
La descarga es el proceso por el cual la energía electroquímica almacenada en la batería se transforma en energía eléctrica.
La descarga suele caracterizase partiendo de la suposición de que el proceso se realiza a corriente constante. Si se hace asi, el voltaje de descarga de la batería en función del perfil de descarga tiene una progresion.
La descarga 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 elevados regimenes (altas corrientes) de descarga las baterías suministran menor capacidad porque se descargan mas rápidamente haciendo que las transformaciones internas sean más superficiales.

Dependencia con la Temperatura.
Cuanto menor es la temperatura menor es la capacidad, pues mayor es la viscosidad del ácido y más lentos los procesos de difusión iónica.

Rendimiento energético.
El rendimiento faradaico es la relación entre la carga extraída en Ah de la batería durante la descarga y la carga total en Ah requerida para reestablecer el estado inicial de carga.

Un rendimiento faradaico aceptable en una batería debería estar (según 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 generación de materiales activos.
Zona II. Mixta. 50%-97%. Comienza el gaseo
Zona III. Ineficiente. 50%-0%. No se crean materiales activos. Hidrólisis

El rendimiento energético es la relación entre la energía extraída en Wh de la batería y la energía total requerida para restablecer el estado inicial de carga. Es siempre menor que el rendimiento faradaico. 65%-
70%. En general los rendimientos son datos no ofrecidos por los fabricantes, al ser parámetros dependientes de la historia previa de la batería.

Vida útil y procesos de degradación.
Se define el tiempo de vida o vida útil de una batería como el número 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 batería 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).
Cuanto mayor sea la descarga en cada ciclo (mayor DOD) menor será la vida útil de la batería.

Sobrecarga. En el proceso de carga se debe de conseguir un voltaje tal que evite un excesivo gaseo, pero que ayude a evitar la estratificación del electrolito. La operación en sobrecarga además de producir perdida
de electrolito, provoca desprendimiento de material activo de las placas, con la consiguiente perdida de capacidad.

Temperatura.
Cuanto mayor es la temperatura de operación menor será el tiempo de vida de la batería. Se recomienda una temperatura de trabajo entre 20-25 ºC.

Importante: 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 avanzados de reguladores, como los que comercializamos, son capaces de realizar cargas de igualación y correcciones en función de la temperatura.

Degradación observable.
Corrosión.
Suele aparecer en ambientes agresivos. Produce el aumento de la resistencia ohmica pudiendo dar lugar a puntos calientes localizados, además provoca que la corriente no se distribuya uniformemente por todos los vasos de la batería.
Corrosión Interna de las rejillas.
Está provocada por la sobrecarga y es mas acusada en la zona inferior debido a la estratificación. Da lugar a depósitos en el fondo de los vasos. Causa una perdida irreversible de capacidad así como un aumento de la autodescarga
Depósitos de materia activa.
Estos depósitos de color metálico brillante, son producidos por largos periodos de tiempo en los que la batería trabaja en bajos estados de carga o en sobredescarga. Producen perdida irreversible de capacidad Sulfatación. Aparece cuando la batería trabaja en estados de carga deficitarios, se caracteriza por la aparición 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, o gargantilla o similar en solo una fracción de segundo. El peligro de recibir una descarga comienza cuando la bancada de baterías tenga un voltaje mayor a 60-70V. Usar siempre herramientas debidamente aisladas.
Materiales corrosivos.
El electrolito es una disolución diluida de ácido sulfúrico que al contacto con la piel produce quemaduras graves. Se recomienda el uso de guantes y gafas de protección, también se recomienda tener agua a mano.
Peligro de explosión.
Cuando la batería está trabajando en carga/descarga producen H y O (dos partes de Hidrogeno por una de Oxígeno) creando ambientes altamente explosivas. Por ello se recomienda el uso de tapones recombinadores (aquagens) y siempre tenerlas ubicados en zonas bien ventiladas, asi como no acercarse fumando ni hacer fuego cerca de ellos.

Mantenimiento (Pb-acido).
La inspección visual de las baterías debe efectuarse mensualmente. Se debe de comprobar si el nivel del electrolito es el adecuado y si aparece alguno de los efectos degradativos antes citados.
Relleno del electrolito.
Se rellenará siempre con agua destilada hasta el nivel marcado por el fabricante NUNCA debe añadirse ácido sulfúrico. De sufrir un accidental vuelco de alguno de los vasos durante su manipulacion o transporte, siempre que se haya perdido menos de la mitad del electrólito, puede rellenarse con agua destilada hasta su nivel normal, y hacer una carga profunda del banco completo de baterias 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 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 baterías que han agotado su vida útil deben de ser adecuadamente recicladas. Materiales como el plomo y el ácido sulfúrico son altamente contaminantes, pero mismo tiempo son base para otras industrias.
El plomo se recicla 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 baterías deben retirar las mismas una vezcabada su ciclo útil.