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Equipamiento fotovoltaico: Baterías para placas solares

Hoy aprenderemos un poco más sobre las baterías solares utilizadas en proyectos fotovoltaicos aislados.

¿En qué consiste una batería para placas solares?

Los acumuladores o baterías son los encargados de las siguientes funciones en los sistemas fotovoltaicos:

  • Dotar al sistema fotovoltaico de una fuente eléctrica independiente, en mayor o menor medida, de las condiciones de radiación solar existente.
  • Dotar al sistema de una autonomía de servicio eléctrico durante períodos más o menos prolongados de inactividad de los módulos fotovoltaicos, haciendo uso de la energía almacenada durante los momentos de generación eléctrica de los mismos.
  • Fijar una tensión de referencia que establezca en las placas solares un punto de trabajo óptimo, manteniendo además unas condiciones de estabilidad en la tensión del sistema aceptables para los elementos de consumo.
  • Dotar al sistema de cierta capacidad de puntas de intensidad superiores a la nominal soslayando así la limitación que en este sentido poseen los módulos fotovoltaicos, cuya intensidad máxima (de cortocircuito) es sólo ligeramente superior a la de trabajo.

 

¿Qué tipos de baterías solares se pueden comprar en el mercado?

Los acumuladores o baterías se utilizan en múltiples aplicaciones y sus composición interna es variada, dando lugar a muchas clasificaciones que se pueden encontrar en la literatura técnica especializada. Nosotros vamos a estudiar las más utilizadas en sistemas fotovoltaicos que son del tipo plomo-ácido con electrolito líquido y las del tipo plomo-ácido con electrolito gelificado (llamadas baterías de gel).

Un acumulador de plomo ácido está compuesta por un ánodo (electrodo positivo) de dióxido de plomo, un cátodo (electrodo negativo) de plomo esponjoso, y un electrolito de ácido sulfúrico diluido en agua con una concentración nominal del 37% en peso, la densidad nominal del electrolito para esta concentración es de 1.24 g/cm3.

El voltaje nominal del vaso es de 2 voltios.

Ejemplo de baterías solares estacionarias de 2V cada vaso

Dentro de las baterías de plomo ácido dependiendo de la función a la que están destinadas tendremos los siguientes tipos:

 

Baterías de Arranque

Son las baterías que se utilizan para el arranque del motor de coches y camiones. Las baterías de arranque están sometidas a descargas a altos valores de intensidad durante períodos muy cortos de tiempo. Normalmente sólo descargan un porcentaje pequeño de su capacidad. Su gran característica es el bajo coste, el elevado número de placas planas conectadas en paralelo para reducir su resistencia interna, el uso de separadores muy finos y un electrolito de alta densidad.

 

Baterías de Tracción

Son las que se utilizan para alimentar vehículos eléctricos (carretillas elevadoras, etc….), maquinaria industrial o alumbrado de ferrocarriles y barcos. Estas baterías operan con regímenes de descarga muy profundos durante cortos espacios de tiempo y cargas profundas y rápidas por lo que deben de tener una elevada resistencia de ciclado.

Modelos típicos de baterías de tracción

Su principal característica son el uso de placas tubulares para minimizar la pérdida del desprendimiento de materia activa durante las descargas profundas y el uso de rejillas con antimonio que mejora su resistencia de ciclado.

 

Baterías Estacionarias

Las baterías estacionarias son las que se utilizan como sistemas de alimentación ininterrumpidas tales como alumbrados de emergencia, señalización o sistemas fotovoltaicos. Permanecen largos períodos en flotación totalmente cargadas y resisten profundas descargas esporádicas. Su principal característica es el uso de placas y separadores gruesos y rejillas con bajo contenido en antimonio.

Existen distintos tipos de baterías de plomo-ácido estacionarias, atendiendo a distintos diseños de :

Tipo de placa

Hay dos tipos de placas usados en las baterías de plomo-ácido:

  • Planté.- Consiste en una hoja de plomo en la cual la materia activa es formada electroquímicamente (corrosión anódica) del mismo plomo de la plancha por medio de procesos de carga y descarga.
  • Fauré (empastadas).- Pueden ser planas o tubulares. La placa empastada plana se caracteriza por una capa formada a partir de óxidos de plomo, que reduce el tiempo para formar los materiales activos positivos y negativos. En este tipo de placas se utilizan rejillas para retener el material activo y mejorar la distribución de la intensidad en la placa. La placa empastada positiva tubular consiste en varillas de plomo aleado con antimonio recubiertas de fibras sintéticas en forma de tubos. La placa empastada negativa siempre es del tipo plana.

Aleación de la rejilla

El material de las rejillas son aleaciones de plomo. Dependiendo del aleante utilizado, ciertas propiedades químicas o mecánicas de la rejilla pueden ser optimizadas para el tipo de función que se requiera del acumulador.

Tenemos los siguientes tipos:

  • Aleaciones de plomo-calcio (Pb-Ca).– Su principal ventaja es la alta resistencia a la corrosión por sobrecarga reduciendo el nivel de gaseo y su bajo nivel de auto-descarga. Su inconveniente es la elevada corrosión a bajos estados de carga y el alto control de impurezas durante el proceso de fabricación.
  • Aleaciones de plomo-antimonio (Pb-Sb).- Su principal ventaja es el buen comportamiento en operaciones de ciclado y descarga profunda. Su principal inconveniente es que su Sb de la placa positiva se deposita en la negativa aumentado el gaseo y la auto-descarga.
  • Placa de plomo puro (sin aleantes).- Su principal ventaja es la baja auto-descarga y la larga vida útil operando en flotación. Su principal inconveniente es la fragilidad de sus placas debido a la ausencia de aleantes, no deben descargarse muy profundamente ni cargarse muy rápidamente. Tienen mayor coste de fabricación.

Electrolito

Líquido (aireadas)

Inmovilizado (selladas)

Gel (electrolito gelificado)

AGM (electrolito absorbido)

Tipo de recipiente contenedor

Opaco

Translucido

Transparente

 

Características típicas de una batería solar:

Los tres parámetros característicos de un acumulador o batería son:

Tipo de batería

El más utilizado en la práctica con diferencia es del tipo plomo-ácido con electrolito líquido, seguido del acumulador de plomo-ácido con electrolito gelificado (o acumulador sellado) y el acumulador de niquel-cambio (con sus variantes).

Capacidad de la batería

Se suelen expresar en amperios por hora (Ah) y es una medida de la cantidad de energía eléctrica que puede suministrar la batería bajo unas determinadas condiciones. Existe un amplio rango comercial de capacidades. La capacidad disponible en la batería se ve afectada principalmente por la temperatura a la que esta se encuentra sometida.

Tensión de la batería

La batería se puede considerar como una fuente de tensión continua, presente ésta entre los terminales o bornes positivo y negativo de la misma, siendo 2 y 12 voltios los valores más habituales. Las baterías de 12 voltios se presentan en monobloque con capacidades de hasta 400 Ah aproximadamente. Para capacidades superiores se utilizan elementos o vasos de 2 voltios.

 

Proceso de Carga y Descarga de una batería:

Los procesos de carga (transformación de la energía eléctrica en química) y de descarga (transformación de la energía química en eléctrica) se rigen por la siguiente reacción global:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 « 2PbSO4 + 2H2O

Proceso de carga y descarga de una batería solar

La carga es el proceso por el cual la batería almacena energía eléctrica al paso de una corriente directa por transformación en energía química. Cuando la carga se realiza a una intensidad constante, ésta se caracteriza por un aumento del voltaje en los terminales de la batería y un aumento del estado de carga definido éste como la relación entre la cantidad de carga disponible en un determinado instante y la cantidad de carga disponible cuando la batería está plenamente cargada. También se observa un aumento de la densidad del electrolito.

La descarga es el proceso por el cual la energía química almacenada en la batería se transforma en energía eléctrica. Cuando la descarga se realiza a intensidad constante se caracteriza por una progresiva disminución del voltaje en los terminales de la batería, de la densidad y del estado de carga.

Las baterías solares, junto con los paneles solares, son el corazón de cualquier proyecto fotovoltaico, por lo tanto, es siempre conveniente invertir en calidad para evitar tener desagradables sorpresas futuras.

Artículo elaborado por el departamento técnico de SunFields Europe: www.sfe-solar.com

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