2.- Baterías

La necesidad de acumular la energía suministrada por los paneles fotovoltaicos proviene del hecho de que la distribución temporal del consumo no es totalmente coincidente con las horas de insolación. Pueden describirse diferentes vías de almacenamiento de entre las que, como más importantes, pueden considerarse las siguientes:

Entre todos los sistemas de almacenamiento mencionados, el más empleado actualmente para pequeñas instalaciones es el empleo de baterías de acumuladores debido a su bajo coste de instalación y a su rendimiento.

Además, la batería cumple dos importantes misiones:

1. Suministrar potencia instantánea o durante breves momentos, superior a la que el campo de paneles podría generar aún en los momentos más favorables posibles.

2. Mantener un nivel de tensión estable: La tensión de salida del panel varía en función de la intensidad radiante, lo cual puede no ser adecuado para el funcionamiento de los aparatos. El acumulador proporciona un voltaje estable y constante independiente de las condiciones de incidencia luminosa.

Una batería puede considerarse como la asociación de varios acumuladores conectados bien en serie, bien en paralelo, combinados para dar la tensión de salida y la capacidad de almacenamiento deseadas. Por ejemplo, tres acumuladores de plomo-ácido de 90 amperios·hora y 2,1 voltios pueden conectarse en serie para obtener una batería de 6,3 voltios y de 90 amperios·hora (figura 1). Los mismos elementos pueden conectarse en paralelo (figura 2) para producir una batería de 2,1 voltios y 270 amperios·hora.

Una batería está constituida por uno o varios elementos electroquímicos que tienen la propiedad de convertir energía química en eléctrica. Cuando las reacciones químicas que se producen son irreversibles, la batería puede usarse sólo una vez y recibe el nombre de primaria. Si las reacciones químicas son reversibles y se puede recargar el elemento convirtiendo la energía eléctrica en química, la batería es denominada secundaria.

Las baterías primarias, conocidas popularmente como pilas, reciben este nombre porque una vez fabricadas no requieren ninguna carga inicial o proceso de activación y pueden suministrar energía eléctrica directamente.

Las baterías secundarias no pueden suministrar directamente energía eléctrica y es necesario someterlas inicialmente a un proceso de carga. Pertenecen a este grupo todas las baterías recargables, conocidas también como acumuladores, como las de plomo - ácido y las de níquel - cadmio.

A pesar de estar construidas de diferente forma y de tener un comportamiento diferente, desde el punto de vista químico están basadas en los mismos principios y componentes básicos. Cualquier reacción química de oxidorreducción es capaz de generar una corriente eléctrica, siempre que el intercambio de electrones se efectúe por un circuito exterior al sistema químico. Para conseguir este circuito externo, la reacción de oxirreducción se descompone en dos reacciones parciales separadas en el espacio alrededor de unos electrodos que se utilizarán como bornes de conexión exterior. En uno de los electrodos la reacción dará lugar a la captura de electrones y, en el otro, a la liberación de electrones. El intercambio de estos electrones se efectuará por un conductor exterior en forma de corriente eléctrica. Para cerrar el circuito es necesario establecer un camino para las cargas en el interior del sistema. Esta función es efectuada por el electrolito, que consiste en un medio sólido o líquido interpuesto entre los electrodos y que posibilita un movimiento iónico. El electrodo donde se efectúa la oxidación se convierte en negativo y es el terminal catódico. El electrodo donde se realiza la reducción se convierte en positivo y es el terminal anódico.

El electrolito completa el circuito eléctrico entre los dos electrodos mediante la conducción iónica. En algunos casos reacciona con los materiales de los electrodos y en otros no, por lo que su constitución variará según los pares de electrodos que se utilicen. Aunque la mayoría de los electrolitos utilizados son líquidos, cuando las baterías los utilizan embebidos en formas gelatinosas o semisólidas, éstas reciben el nombre de baterías secas. Las pilas o baterías primarias se han efectuado siempre en forma seca, mientras que las baterías secundarias han sido siempre húmedas. Sin embargo, actualmente estas últimas se fabrican con electrolitos gelatinosos o soportados por estructuras absorbentes, recibiendo el nombre de secas o, más apropiadamente, herméticas.

El desarrollo de las reacciones químicas que se producen en los elementos depende del nivel de difusión iónica, de la temperatura, de la superficie de los electrodos y de la carga conectada en bornes de la batería. Cuando la batería llega al final de su vida útil, el electrolito se debilita progresivamente y los electrodos están parcialmente consumidos.

La batería diseñada para el almacenamiento de la energía solar fotovoltaica deben tener un buen comportamiento frente a los ciclos de carga y descarga y una larga duración. Otras características necesarias son un mínimo mantenimiento, buena aceptación de la corriente, mínima autodescarga y alta fiabilidad. El acumulador fotovoltaico nunca va a estar sometido a descargas grandes por lo que su capacidad real superará incluso a la nominal especificada por el fabricante.

 

2.1. Características de las baterías

A pesar de su diversa constitución, todas las baterías pueden ser definidas mediante unas características comunes que se consideran seguidamente:

Además de los ciclos de carga - descarga, también hay que considerar la profundidad de la descarga media que se produce en cada uno de ellos. Si dicha descarga es moderada, y sólo de vez en cuando se alcanza una profundidad elevada, el número de ciclos que soportará la baterías será elevado. A medida que se la someta a descargas más profundas, el número de ciclos que podrá realizar, y por tanto su vida útil, irá disminuyendo. En cualquier caso la profundidad de descarga máxima admisible para un acumulador Pb - ácido es del 80%.

Con un régimen de descarga diaria del 25% de su capacidad, y un 80% de descarga 2 veces al año (condiciones que normalmente se dan en una instalación fotovoltaica), la batería solar puede alcanzar una vida útil de más de 11 años.

Otro factor que también puede influir en la vida útil de una batería es la temperatura. Si es demasiado alta, la reacción química que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la vida se acorta. Si la temperatura es baja, la vida se prolonga, pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelación. En este caso, lo mejor será mantener la batería en un nivel de carga alto, ya que cuanto mayor sea la concentración del electrolito el punto de congelación será más bajo.

Las mayores formas de acortar la vida útil de una acumulador son:

Capacidad de una batería. - Es la cantidad de electricidad que puede entregar cuando se descarga antes de que su tensión disminuya por debajo de un nivel mínimo. Su símbolo es C y se expresa en A·h.Otro factor que también puede influir en la vida útil de una batería es la temperatura. Si es demasiado alta, la reacción química que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la vida se acorta. Si la temperatura es baja, la vida se prolonga, pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelación. En este caso, lo mejor será mantener la batería en un nivel de carga alto, ya que cuanto mayor sea la concentración del electrolito el punto de congelación será más bajo.

Otro factor que también puede influir en la vida útil de una batería es la temperatura. Si es demasiado alta, la reacción química que tiene lugar en el acumulador se acelera demasiado y la vida se acorta. Si la temperatura es baja, la vida se prolonga, pero si baja demasiado puede correr el riesgo de congelación. En este caso, lo mejor será mantener la batería en un nivel de carga alto, ya que cuanto mayor sea la concentración del electrolito el punto de congelación será más bajo.

La capacidad de una batería varía según el régimen de descarga: aumenta a medida que la descarga es más lenta, y disminuye cuando esta es más rápida.

Por esta razón, el valor de C debe venir referenciado con el tiempo de descarga.

También depende de la temperatura: Un incremento de la temperatura, dentro de unos límites, aumenta la actividad de los procesos químicos y, por lo tanto, la capacidad de la batería. Por el contrario, a bajas temperaturas la actividad química es menor y la capacidad disminuye considerablemente.

La historia de la batería afecta también a la capacidad. Si una batería lleva un largo período sin ser recargada en toda su capacidad se produce un efecto memoria que impide que recupere su capacidad nominal, siendo necesarios varios ciclos de carga y descarga para recuperarla. El envejecimiento de una batería merma su capacidad y va disminuyendo a lo largo de su vida en función del servicio de carga - descarga a que sea sometida. Para el cálculo de la capacidad nominal necesaria hay que tener en cuenta la vida útil que se desea para la batería: si se desea una vida útil de 3 años y el fabricante indica que al final de este período sólo se mantiene el 50% de la capacidad, habrá que utilizar una batería de capacidad doble a la estimada necesaria.

Autodescarga.- La autodescarga de una batería consiste en la pérdida de energía por reacción entre los materiales que forman los elementos de la batería en condiciones de circuito abierto, es decir, cuando no hay carga alguna conectada al circuito de la batería. Depende del tipo de batería y muy directamente de la temperatura, aumentando con esta. Por ello, y dado que los valores estándar suelen venir referidos a una temperatura media (unos 20 ó 25ºC) es preciso tener en cuenta que este factor puede alterarse en algunos casos.

La autodescarga hay que considerarla como un consumo adicional, que demanda un cierto porcentaje de energía almacenada. Su valor es aproximadamente de un 0,5 a un 1% diario en baterías de Pb - ácido.

 

2.2.- Clasificación de los acumuladores según ciclo de carga - descarga

Según las características de ciclo de carga - descarga, el diseño del acumulador es diferente. Las diferentes clases de acumuladores pueden agruparse en acumuladores de:

Acumuladores de arranque

Se emplean para el arranque de motores de combustión interna. La mayor exigencia para este tipo de acumuladores es suministrar gran corriente durante un intervalo de tiempo corto y en condiciones desfavorables de temperatura.

Acumuladores de tracción

Diseñados para la tracción en vehículos con motor eléctrico. Son sometidos a fuertes descargas a intervalos de tiempo, durante un periodo que suele ser de 8 horas (una jornada laboral). Después de este periodo deben ser recargadas rápidamente para la próxima jornada.

Acumuladores estacionarios

Su aplicación es la de almacenar energía eléctrica sin tener que moverse la batería. Las aplicaciones son muy variadas, siendo la más extendida la de funcionamiento en standby, para suministrar energía eléctrica en caso de fallo de la tensión de la red.

Acumuladores especiales

Otros tipos especiales son para los submarinos, en donde la salida de gases y la contaminación del aire ha de ser mínimo y en los aviones, donde la diferencia de presión puede crear problemas de funcionamiento.

 

2.3.- Factores que afectan al funcionamiento de las baterías o acumuladores estacionarios

Ciclos de carga-descarga

El acumulador estacionario en una instalación fotovoltaica está sometido a una serie de ciclos de trabajo. Cada ciclo comprende la descarga del acumulador, bajo un determinado régimen, seguido de la subsiguiente recarga. El acumulador estacionario debe estar disecado para soportar el máximo número posible de ciclos de carga- descarga.

Durante el día los paneles generan energía que se emplea en satisfacer los consumos; la energía sobrante será absorbida por la batería (procesos de carga). Durante la noche, cuando el consumo es precisamente más elevado, la energía se extrae exclusivamente de la batería (proceso de descarga). Se completa así un ciclo diario de carga-descarga, que se irá repitiendo si las condiciones de iluminación son favorables. Sin embargo, si se produce un período de tiempo nublado, casi todo el consumo se hace a expensas de la energía acumulada en la batería, sin que esta pueda recargarse. Al pasar del período desfavorable, los paneles irán recargando la batería, pero hasta llegar a la capacidad plena tardarán varios días ya que al existir consumo sólo una parte de la energía que producen los paneles será almacenada. De esta forma se completa un ciclo autónomo de la batería (la demanda energética se satisface únicamente con la capacidad útil de la batería)

Régimen de descarga

El régimen de descarga de un acumulador estacionario de aplicación solar es mucho más lento que el de otros tipos (de arranque o tracción). Por ello la capacidad de la batería viene referida a una descarga de 100 horas, que es aproximadamente el período mínimo de autonomía exigible.

Profundidad de descarga

Se refiere a la intensidad con que se produce la descarga en un ciclo determinado de trabajo. Generalmente la batería en una instalación fotovoltaica descarga cada día entre un 10 y un 30% de la energía almacenada. La profundidad máxima de descarga admisible no debe ser superior a un 80% de la capacidad nominal de la batería.

Trabajo en baja carga

Otra diferencia fundamental con los acumuladores empleados en otras aplicaciones es que estos no trabajan en baja carga; sin embargo el acumulador estacionario de uso solar puede soportar un régimen de trabajo de tres meses sucesivos con el 30% de su capacidad, y luego recuperarse totalmente una vez cargado.

 

2.4.- Clasificación de los acumuladores según su constitución

Plomo - ácido

Cada elemento consta de unas placas de plomo que actúan como cátodo intercaladas con placas de dióxido de plomo que actúan como ánodo. El electrolito empleado es ácido sulfúrico disuelto en agua. Su funcionamiento está basado en los siguientes procesos:

El sistema presenta dos características notables. La primera es que el producto de reacción tanto en el ánodo como en el cátodo es el mismo: sulfato de plomo. La segunda, de gran interés práctico, es su alto potencial de descarga.

La formación de sulfato de plomo en la descarga consume parte del ácido sulfúrico del electrolito. Al ser dicho ácido bastante más denso que el agua la densidad del sistema disminuye conforme se va agotando la batería. En este fenómeno se basan los densímetros con los que popularmente se comprueba el estado de carga de este acumulador. En el caso concreto de la aplicación solar, la utilización de la medida de la densidad para detectar el estado de carga tiene ciertas limitaciones: la variación de la densidad con el estado de carga será inferior a otras aplicaciones a causa de la elevada reserva de electrolito que deben tener las baterías solares; por otra parte, en los grandes períodos de tiempo que deben permanecer las baterías en estado de carga parcial, se producirá una falta de homogeneización del electrolito y la lectura del densímetro no será fiable.

Aunque con prestaciones excelentes, el acumulador de plomo no carece de inconvenientes. Bastante de ellos proviene de la utilización de ácido sulfúrico con los problemas de corrosión que ello acarrea. Tiene una autodescarga apreciable y además es muy sensible a los agotamientos, especialmente sin son prolongados. Un acumulador agotado que no se recargue prontamente sufre una merma considerable de su capacidad y además hay peligro de que se hiele a temperaturas menos bajas que una totalmente cargada. La razón de la pérdida de capacidad es que la reacción no es tan reversible como debiera, si se da tiempo al sulfato de plomo a cristalizar adecuadamente. Funcionan mal a bajas temperaturas. Su capacidad depende grandemente del régimen de descarga. Lo que sucede en este caso es que a regímenes altos el material activo de los electrodos se recubre de sulfato y simultáneamente se da un empobrecimiento del electrolito en las proximidades. En estas condiciones gran parte del plomo de los electrodos queda sin utilizar y la capacidad baja drásticamente.

Para mejorar sus características se han desarrollado diversos sistemas como son los acumuladores de plomo- antimonio (Pb-Sb) y los acumuladores plomo - calcio (Pb - Ca).

Plomo - antimonio

Los electrodos de la batería se construyen con una aleación de plomo y antimonio, este último necesario para dar la adecuada consistencia al material y garantizar la adherencia a la matriz de acero en que se deposita. Ahora bien, este antimonio es también responsable de las pérdidas de agua, la corrosión de los terminales y pérdidas de capacidad de almacenamiento. Admite descargas moderadamente altas, aunque el número de ciclos de carga y descarga y por lo tanto la vida útil será mayor cuanto menor sea la profundidad de descarga a la que se vea regularmente sometido. Las baterías estacionarias de Pb - Sb suelen suministrarse en celdas o elementos de un par de voltios de tensión. Uniendo en serie 6 ó 12 de estos elementos mediante atornillado se consiguen baterías de 12 ó 24 voltios.

Plomo - calcio

Semejantes a las anteriores pero sustituyendo el antimonio por calcio. Esta aleación plomo - calcio permite la fabricación de baterías de plomo herméticas y sin mantenimiento. Presenta además la ventaja de tener una baja autodescarga, aunque al ser de ciclo superficial no admite gran número de ciclos por debajo del 15% de la capacidad y en ningún caso aguanta profundidades de descarga superiores al 40%. Se venden en estructuras compactas tipo "monoblocs" y su reducido tamaño permite un transporte cómodo lo que unido a su precio relativamente moderado hace que sea bastante utilizada en pequeñas instalaciones.

Níquel - cadmio

En este caso los elementos están constituidos por unas placas positivas (ánodos) de hidróxido de níquel, unas placas negativas (cátodos) de cadmio y un electrolito de hidróxido de potasio que no reacciona con las placas. La reacción química aproximada es la siguiente:

El hidróxido potásico diluido (KOH), que es el electrolito, no aparece en la fórmula, aunque debe tenerse en cuenta que durante la carga se forma agua y que ésta es absorbida por el electrolito durante la descarga.

Ofrecen una excelente fiabilidad y resistencia. Pueden soportar descargas de hasta un 90% de su capacidad teórica, recuperándose totalmente y aguantar temperaturas extremadamente bajas. Además, ocasionales cortocircuitos que dañarían las baterías de plomo no son demasiado peligrosas para las de Ni - Cd, así como la eventual falta de agua, que haría que sólo dejara de funcionar temporalmente hasta que se le añadiera. Tampoco producen gases corrosivos y su mantenimiento es mínimo. Mantienen la tensión relativamente constante, incluso cuando se están descargando con una con una corriente de intensidad elevada, y pueden almacenarse en cualquier estado de carga.

Tienen el inconveniente de su elevado precio, del orden de 5 a 10 veces más que las equivalentes de plomo.

 

2.5.- Principales métodos de carga

La vida útil de una batería y sus prestaciones dependen directamente de los procesos de carga a los que es sometida. Por esta razón hay que seguir en cada caso las recomendaciones que da el fabricante.

Los principales métodos de carga son:

1. Tensión constante

2. Corriente constante

3. Corriente descendente

4. Dos niveles de tensión constantes

1. Tensión constante

El método de carga a tensión constante es el más usado para cargar baterías de plomo - ácido. Consiste en aplicar una tensión constante de 2,3, 2,4 ó 2,5 V/elemento, limitando la corriente inicial de carga a 0,1C ó 0,2C amperios, siendo C la capacidad de la batería en amperios·hora. El tiempo de carga va de 40 horas a 10 horas y la tensión debe regularse según la temperatura ambiente: si la temperatura es alta, la tensión de carga debe ser baja y viceversa.

Algunos fabricantes admiten la utilización de este método sin limitación de corriente, pues sus baterías están dimensionadas para fuertes corrientes. En este caso, si se inicia el proceso con 2,3V/elemento, la corriente inicial después de una descarga profunda será de 3C amperios y de un 0,5C durante un período largo.

2. Corriente constante

El método de carga a corriente constante es recomendado por algunos fabricantes para las baterías de níquel - cadmio, limitando la corriente entre 0,25C y 0,05C amperios. En el caso de carga profunda se admiten corrientes de 1C amperios, pero vigilando la tensión de la batería o la temperatura.

La carga a corriente constante se utiliza como carga de igualación en baterías plomo - ácido para corregir diferencias de capacidad entre las baterías de un mismo grupo. Para evitar una sobrecarga que destruya la batería es necesario terminar cuando la batería alcance su máxima capacidad.

3. Corriente descendente

Es el sistema de carga más económico y es utilizado por algunos fabricantes para sus baterías níquel - cadmio. Consiste en una carga sin regulación limitada por una resistencia serie, que en algunos casos es la propia resistencia del devanado del transformador de alimentación. A medida que la batería se va cargando, la corriente de carga va descendiendo gradualmente. Es un método antiguo y muy peligroso porque la tensión y corriente de carga dependen de las fluctuaciones de la corriente de la red, con lo que existe riesgo implícito de sobrecarga.

4. Dos niveles de tensión constante

Es el método recomendado para cargar una batería de plomo - ácido hermética en un período corto de tiempo y mantener la batería en plena carga en situación de flotación. Inicialmente se carga a un nivel alto de tensión (2,45V/elemento), limitando la corriente. A partir de que esta disminuya por debajo de un nivel, se pasa a tensión constante permanente o de flotación. Este método es el más eficiente pues minimiza el tiempo de carga y la batería queda protegida de sobrecargas.

Después de una descarga profunda es necesario un tiempo de carga más largo de lo normal. Inicialmente la corriente que admite la batería es baja, ya que la resistencia interna tiene un valor elevado y no adquiere su valor normal hasta pasados unos 30 minutos. Por este motivo es necesario inhibir el control durante este período de tiempo, pues el cargador podría suponer que la batería está cargada y dejarla en flotación.

 

2.6.- Modalidades de utilización

Las principales modalidades de utilización son:

1. Flotación

2. Ciclos de carga – descarga

3. Tampón

1. Flotación

Se dice que una batería trabaja en flotación cuando está permanentemente conectada en paralelo con una fuente de corriente y el circuito de corriente continua y a una tensión constante que puede oscilar de 2,10V/elemento a 2,25V/elemento, dentro de un estrecho margen de variación, por lo general del 1%.

En estas condiciones la fuente suministra, normalmente, el consumo de corriente que demanda el circuito de continua al tiempo que proporciona una pequeña corriente de carga a la batería que compensa la pérdida de capacidad que se produce continuamente en la misma por la autodescarga interna, manteniéndola plenamente cargada en todo momento. Las puntas de corriente que ocasionalmente se producen durante breves intervalos de tiempo son suministradas por la batería.

Cuando se produce una interrupción en la fuente ordinaria de corriente, la batería se hace cargo da la demanda de corriente continua durante todo el tiempo que dura dicha interrupción o hasta el agotamiento de su capacidad. Al restablecer de nuevo el servicio, la fuente de corriente vuelve a abastecer las necesidades del circuito de corriente continua y simultáneamente proporciona la corriente de carga de la batería. Una vez completa la carga de la misma, se ajusta el voltaje rectificador, bien manual o automáticamente, al valor correspondiente al voltaje de flotación.

2. Ciclos de carga - descarga

En esta modalidad, la batería se descarga sobre el circuito receptor estando desconectada del sistema de carga. Una vez que la batería se ha descargado o se ha restablecido el suministro normal de corriente haciendo innecesaria la misma, la batería se conecta al sistema de carga hasta que queda completamente cargada. Este ciclo se repite indefinidamente durante toda la vida de la batería.

3. Tampón

La batería se encuentra permanentemente conectada en paralelo con el generador de corriente continua. En las horas punta de consumo, la batería se descarga haciendo frente al exceso de demanda de corriente. En las horas de consumo reducido, es el generador de corriente continua el que atiende la mismo y simultáneamente proporciona corriente a la batería, que de esta forma se carga.

 

2.7.- Algunas baterías comerciales

A continuación mostramos las características de las baterías TUDOR que distribuye Atersa:

Baterías Estacionarias Monobloc
Baterías Estacionarias Translúcidas
Baterías Estacionarias Transparentes

Asimismo, se muestran también las baterías HOPPECKE Monoblock, OPzS Solar, y las FULMEN Powerblock de BP Solar, que distribuye Albasolar:

Baterías HOPPECKE Monoblock
Baterías FULMEN Powerblock
Baterías OPzS Solar

No obstante, éstas son sólo una muestra de las baterías que podemos encontrar en el mercado. Desde la sección enlaces se puede acceder a los sitios web de los principales fabricantes y distribuidores de nuestro pais.

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