acumuladores de energia fv

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Vicente Muñoz

Grupo de investigación IDEA

Universidad de Jaén

Acumuladores de Energía Solar Fotovoltaica

Electricidad fotovoltaica

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INDICE

1. Introducción

2. Tipos de acumuladores de energía

3. Batería de plomo ácido. Aspectos generales

3.1 Tipos de baterías de plomo ácido

3.2 Caracterización de la carga.

3.3 Caracterización de la descarga.

3.4 Rendimiento Energético y Faradaico

3.5 Vida útil y procesos de degradación

3.6 Seguridad.Mantenimiento.Reciclaje

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1. Introducción

El carácter variable de la radiación solar hace necesario el usode acumuladores de energía, que garantizan el funcionamiento del sistema fotovoltaico en condiciones desfavorables.

Sistema de GeneraciónRegulador

Sistema de Acumulación

Carga (LCC)

Carga (LCA)

Inversor

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Con el uso de los acumuladores se consigue dotar al sistema fotovoltaico autónomo de una alta disponibilidad.

1. Autonomía.

Satisfacen los requerimientos de consumo para cualquier momento.

2. Suministro de picos de intensidad.

Arranque de motores.

3. Estabilización del voltaje.

Actúan como reguladores evitando fluctuaciones dañinas para los consumos.

1. Introducción

Tres son las funciones principales que desempeñan los acumuladores en un sistema fotovoltaico autónomo:

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2. Tipos de acumuladores de Energía

Los acumuladores generalmente transforman la energía que proporcionan los módulos FV en otro tipo de energía para así almacenarla.

Dependiendo de la forma en que la energía queda almacenada diferenciamos los siguientes tipos de acumuladores:

Acumulación en forma de energía mecánica

Acumulación en forma de energía eléctrica

En el interior de un campo magnético (almacenamiento inductivo) o en el de un campo eléctrico (almacenamiento capacitivo). Supercapacitors

Energía potencial (bombeo hidroeléctrico), energía cinética de rotación (Volantes de inercia)

Acumulación en forma de energía química

La energía eléctrica se transforma para dar lugar a H2 que es usado como combustible. Fuel-cells.

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2. Tipos de acumuladores de Energía

Acumulación en forma de energía electroquímica

Las baterías almacenan la energía transformándola en energía electroquímica. Es el método de acumulación más extendido.

Existen dos tipos de baterías:

1.Baterías Primarias. Llamadas pilas, no son recargables.

2.Baterías Secundarias. Llamadas acumuladores. Son recargables. Utilizadas en aplicaciones FV (Pb-ácido y Ni-Cd)

Dos parámetros son los más utilizados a la hora de valorar que tipo de acumulador es más adecuado:

Densidad energética (kWh/kg) y Eficiencia energética (Ein/Eout).

La proliferación de uno u otro tipo de acumulación atiende también a factores económicos, de disponibilidad o ingenieriles.

Hoy por hoy las baterías son el método más extendido, aunque existe mucha investigación focalizada en los Supercapacitors y Fuel-Cells.

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3. Batería de plomo ácido.Aspectos generales

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. El voltaje nominal de la celda es de 2V.

Electrodo positivo: PbO2+SO4-2 + 4H + + 2e -

Electrodo negativo: Pb + SO4-2 PbSO4 + 2e -

PbSO4 + 2H2O

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3. Batería de plomo ácido.Aspectos generales

Ventajas y desventajas de las baterías frente a otros sistemas de almacenamiento:

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 superficial. Correspondiente al ciclo de carga y descarga que tiene lugar entre el día y la noche. En este ciclado la profundidad de descarga no debe de superar el 15%-20%.

Ciclado estacional. Que corresponde a un periodo de varios días con ausencia de insolación (invierno, nubloso). Profundidad de descarga máxima de la batería no debe superar el 70%-80%.

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Podemos distinguir 4 tipos de clasificaciones a la hora de catalogar una batería: por su funcionabilidad, por el diseño de las placas, por las aleaciones utilizadas en la fabricación y por electrolito utilizado.

Clasificación atendiendo a la funcionabilidad

Baterías de arranque. Utilizadas para el arranque del motor de coches y camiones. Preparadas para ceder mucha intensidad en poco tiempo. Bajo coste. Poca resistencia al ciclado. Solo descargas superficiales

Baterías de tracción. Utilizadas para alimentar vehículos eléctricos. Preparadas para cargas y descargas profundas y rápidas. Alta resistencia al ciclado. 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.

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Clasificación atendiendo al diseño de las placas.

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.

Placa 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.


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Clasificación atendiendo a las aleaciones utilizadas.

Aleaciones de 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.

Aleaciones de 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.

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Clasificación atendiendo al electrolito utilizado.

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. Incorporan un electrolito tipo gelde consistencia muy densa. No necesitan mantenimiento pero no son aptas para operar en sobredescarga ni altas temperaturas.

Importante: En los SFA se recomienda utilizar baterías estacionarias aireadas de placa positiva tubular con aleación de Pb-Sb en la rejilla y contenedor transparente.


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3.2 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.

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Zona I. 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.

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Zona II. 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 )


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Zona III. 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 ).


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El proceso de carga tiene una dependencia directa con la corriente de carga y con la temperatura a la que se produzca el proceso.

Dependencia con la 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.

Dependencia con la Temperatura. Cuanto menor sea la temperatura de la batería en el proceso de carga mayor es el voltaje de fin de carga.

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Otras Metodologías 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. Muchos de los reguladores de carga del mercado incorporan esta metodologia de carga.

Importante: En los SFA 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.

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3.3 Caracterización de la descarga

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 sigue esta metodología, el voltaje de descarga de la batería en función del perfil de descarga tiene una progresión como la indicada en la figura.

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La descarga depende de la intensidad de descarga así como de la temperatura a la que tiene lugar el proceso.

3.3 Caracterización de la descarga

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.

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3.3 Rendimiento faradaico y 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 establecer 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%

NOTA: En general los rendimientos son datos no ofrecidos por los fabricantes, al ser parámetros dependientes de la historia previa de la batería.

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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.

Factores que afectan a la vida útil de la batería:Historia de la batería. 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.

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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.

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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 (1). Modelos avanzados de reguladores son capaces de realizar cargas de igualación y correcciones en función de la temperatura.

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Mecanismos de degradación observables.

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

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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.

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3.5 Seguridad. Mantenimiento. Reciclaje

Principales precauciones que se han de tener en cuenta.

Peligro de choque eléctrico. El peligro de recibir una descarga comienza cuando la bancada de baterías tenga un voltaje mayor a 60V. Peligro al cortocircuitar los bornes con objetos metálicos. Se recomienda el uso de Herramientas debidamente aisladas.

Materiales corrosivos. El electrolito es una disolución diluida de ácido sulfúrico que al contacto con la piel produce quemaduras. Se recomienda el uso de guantes y gafas de protección, también se recomienda disponer de algún agente neutralizador.

Peligro de explosión. La batería trabajando en operación de sobredescarga produce H2 y O2 que dan lugar a atmósferas altamente explosivas. Se recomienda usar tapones recombinantes, instalar las baterías en lugar aireado y por supuesto no encender fuego durante la manipulación de las mismas.

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Normas de mantenimiento de las baterías Pb-acido.

Inspección visual. 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.

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, resistencia de las conexiones.

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Reciclaje de las baterías Pb-acido.

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, base de una industria de reciclaje no ferrosa.

El plomo se recicla para la construcción de nuevas baterías, el contenedor de polietileno se tritura y funde para formar gránulos de plástico que son materia prima de nuevas preformas. El ácido puede servir para formar parte de nuevos electrolitos o se puedetratar químicamente y servir como fertilizante.

Empresas. La consejería de medio ambiente de la Junta de Andalucía dispone de un listado de empresas que se dedican al reciclado de residuos. Muchas de ellas retiran la baterías a domicilio y pagan por el kg de material retirado.

http://www.juntadeandalucia.es/medioambiente/servtc5/diremp/

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Bibliografía. Material suplementario

Bibliografía.

Vela N. Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica.Acumuladores de energía solar fotovoltaica. Volumen I. 2006. Ed. Ciemat. ISBN:84-77834-514-0.

Aguilera J., Hontoria L.. Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica. Dimensionado de sistemas fotovoltaicos autónomos.Volumen II. 2004. Ed. Ciemat.

Lorenzo E. Electricidad Fotovoltaica. 1992. Ed Progensa.

Vela N. Comportamiento y durabilidad de baterías de plomo-ácido en sistemas fotovoltaicos autónomos. 2006. Tesis doctoral.

Material suplementario.(1) Diaz P. Lorenzo E. Procedimiento de ensayo de baterías y

reguladores de carga para sistemas fotovoltaicos domésticos. Publicado en Era Solar, 107,pp. 32-46, marzo-abril 2002.

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