Baterías

La función de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es la de acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo. Otra importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar.

4.7.1 Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías

Normalmente el banco de baterías y los módulos fotovoltaicos trabajan conjuntamente para alimentar las cargas. La siguiente figura muestra cómo se distribuye la entrega de energía a la carga a lo largo del día. Durante la noche toda la energía demandada por la carga la provee el banco de baterías. En horas tempranas de la mañana los módulos comienzan a generar, pero si la corriente que entregan es menor que la que la carga exige, la batería deberá contribuir en el aporte. A partir de una determinada hora de la mañana la energía generada por los módulos fotovoltaicos superada la energía promedio demandada. Los módulos no solo atenderán la demanda sino que además, todo exceso se almacenara en la batería que empezara a cargarse y a recuperarse de su descarga de la noche anterior. Finalmente durante la tarde, la corriente generada decrece y cualquier diferencia con la demanda la entrega a la batería. En la noche, la generación es nula y todo el consumo lo afronta la batería.

4.7.2 Tipos de Baterías

4.7.2.1 Baterías de plomo - ácido de electrolito líquido

Las baterías de plomo - ácido se aplican ampliamente en los sistemas de generación fotovoltaicos. Dentro de la categoría plomo - ácido, las de plomo - antimonio, plomo - selenio y plomo - calcio son las más comunes. La unidad de construcción básica de una batería es la celda de 2 volts.

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Dentro de la celda, la tensión real de la batería depende de su estado de carga, si está cargando, descargando o en circuito abierto.

En general, la tensión de una celda varía entre 1,75 volts y 2,5 volts, siendo el promedio alrededor de 2 volts, tensión que se suele llamar nominal de la celda. Cuando las celdas de 2 volts se conectan en serie las tensiones de las celdas se suman, obteniéndose de esta manera, baterías de 4, 6,12 volts.

Si las baterías están conectadas en paralelo las tensiones no cambian, pero se sumaran sus capacidades de corriente. Solo se deben conectar en paralelo baterías de igual tensión y capacidad.

Se puede hacer una clasificación de las baterías en base a su capacidad de almacenamiento de energía (medido en Ah a la tensión nominal) y a su ciclo de vida (número de veces en que la batería puede ser descargada y cargada a fondo antes de que se agote su vida útil). La capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo de descarga de 10 horas. Cuanto mayor es el tiempo de descarga, mayor es la cantidad de energía que la batería entrega. Un tiempo de descarga típico en sistemas fotovoltaicos es 100 hs. Por ejemplo, una batería que posee una capacidad de 80 Ah en 10 hs (capacidad nominal) tendrá 100 Ah de capacidad en 100 hr.

Dentro de las baterías de plomo - ácido, las denominadas estacionarias de bajo contenido de antimonio son una buena opción en sistemas fotovoltaicos. Ellas poseen unos 2500 ciclos de vida cuando la profundidad de descarga es de un 20 % (es decir que la batería estará con un 80 % de su carga) y unos 1200 ciclos cuando la profundidad de descarga es del 50 % (batería con 50 % de su carga).

Las baterías estacionarias poseen además, una baja auto-descarga (3 % mensual aproximadamente contra un 20 % de una batería de plomo - ácido convencional) y un reducido mantenimiento.

Dentro de estas características se encuadran también las baterías de plomo-calcio y plomo- selenio, que poseen una baja resistencia interna, valores despreciables de gasificación y una baja auto descarga.

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4.7.2.2 Baterías selladas

Estas baterías incorporan un electrolito del tipo gel con consistencia que puede variar desde un estado muy denso al de consistencia similar a una jalea. No se derraman, pueden montarse en casi cualquier posición y no admiten descargas profundas.

El electrolito se encuentra absorbido en una fibra de vidrio micro poroso o en un entramado de fibra polimérica. Al igual que las anteriores no se derraman, admiten cualquier posición y admiten descargas moderadas.

Tanto estas baterías como las Gelificadas no requieren mantenimiento en forma de agregado de agua, no desarrollan gases evitando el riesgo de explosión, pero ambas requieren descargas poco profundas durante su vida de servicio.

4.7.2.2.1 Níquel – Cadmio

Las principales características son: 1) El electrolito es alcalino

2) Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal 3) Bajo coeficiente de auto descarga

4) Alto rendimiento ante variaciones extremas de temperatura 5) La tensión nominal por elemento es de 1,2 volts

6) Alto rendimiento de absorción de carga (mayor al 80 %) 7) Muy alto costo comparado con las baterías ácidas

Al igual que las baterías de plomo - ácido, estas se pueden conseguir en las dos versiones, estándar y selladas, utilizando la más conveniente según la necesidad de mantenimiento admisible para la aplicación prevista. Dado su alto costo, no se justifica su utilización en aplicaciones rurales.

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4.7.2.3 Baterías para Sistemas Solares y Eólicos 4.7.2.3.1 Baterías para Almacenar la Energía

La disponibilidad de luz o viento para producir la electricidad raras veces coincide con el tiempo cuando lo necesitamos. Balancear la energía entre la producción y el uso es imprescindible. Aunque hay muchas formas de almacenar la energía, las más usadas son baterías (acumuladores).

Baterías pueden ser consideradas el talón de Aquiles de los sistemas tipo aislado, sistemas que no son conectadas a la red. Baterías representan gran parte de la inversión pero tienen frecuentemente la vida más corta de toda la instalación.

Todas las baterías funcionan bien al inicio, las diferencias se muestran en su expectativa de vida. Hay baterías que pueden durar más de diez años y otros, bajo las mismas condiciones, duran menos que dos. Además, baterías tienen riesgos importantes por ejemplo para su salud y el medio ambiente: reducir la frecuencia de cambiarlas contribuye a disminuir estos peligros.

4.7.3 Vida de Baterías Solares

La vida de estas baterías depende aparte de la calidad de la fabricación y del tipo sobre todo de su uso correcto. Con el uso difícil a controlar, los fabricantes prefieren no ofrecer garantías largas. Aunque todos queremos saber cuantos años dura una batería, lo que se puede medir son ciclos de carga/descarga a una profundidad de descarga (y a una temperatura) determinada.

La mayoría de baterías de carros viven menos de 200 ciclos si se descarga regularmente a 50% de su capacidad. Baterías liquidas de ciclo profundo (incluso las 'selladas') son capaces de 400 ciclos, baterías de AGM y de Gel superan fácilmente 800 ciclos. Hay baterías de Gel para el uso industrial que pueden manejar más de 10,000 ciclos! Los años de vida depende entonces de su uso: si se conoce la profundidad de descarga se puede

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estimar su vida en años. Pero exponerlas a temperaturas elevadas o descargarlas solamente pocas veces arruina la calculación.

Todas las baterías a base de plomo necesitan (quizás como humanos) una buena alimentación (carga). Baterías de calidad, siempre llenas, sin sobrecargarlas, pueden vivir 10 años o más. Si se descargan frecuentemente en forma profunda (aunque el término 'ciclo profundo' sugiere diferente), mueren más rápidas. La ilustración a la izquierda muestra la profundidad de descarga versus el número de ciclos. Mantenerlos sin alimento sobre un tiempo prolongado es su fin.

En la práctica esto significa instalar suficiente capacidad para descargar las baterías a no menos de 50% de su valor nominal. (Nota: también se necesita suficiente capacidad de los paneles solares o del aerogenerador para cargarlas completamente). Tener suficiente capacidad instalada además tiene el importante beneficio de aumentar las reservas por ejemplo para los días con poco sol o viento y para situaciones de emergencias cuando de repente se necesita más luz. Entonces, dependiendo de la necesidad de electricidad, es importante calcular un balance óptimo para la capacidad instalada. Nuestra calculadora solar es de gran ayuda en dimensionar la potencia necesaria de la(s) batería(s) según sus requerimientos de energía.

Lamentablemente mucha gente prefiere ahorrar en baterías con la sorpresa más adelante de baterías muertas en poco tiempo. La entonces expresada opinión que las baterías son malas frecuentemente no es correcta, era su uso inapropiado.

La temperatura también influye como cargar una batería. Con el aumento de la temperatura hay que disminuir el voltaje para evitar una gasificación, pero todavía asegurando una carga por completo. Recordamos que una gasificación en baterías selladas (libre de mantenimiento) no es recuperable: el liquido se pierde por las válvulas sin tener la posibilidad de rellenarlas. Por eso, todos los controladores buenos tienen una compensación de temperatura incorporada.

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4.7.4 Eficiencia de Baterías Solares

La eficiencia de las baterías varía según tipo, temperatura, vejez, el estado de descarga y su calidad de construcción. También hay que considerar que los productores miden la capacidad de sus baterías sobre diferente tiempo, lo que dificulta compararlas. Una batería descargada con una corriente alta en poco tiempo tiene menos capacidad que la misma descargada con una corriente pequeña sobre un tiempo prolongado. Normalmente se indican la capacidad de la batería descargada sobre 24 horas (a 25°C), pero algunos fabricantes miden la capacidad hasta 100 horas y así indican un valor comparativo más alto de la competencia.

Más importante es la diferencia entre la cantidad de energía que entra en la batería (cargando) y la que es disponible en la batería (descargando). Esta eficiencia de Coulomb (también llamada eficiencia de Faraday) es en baterías normales de plomo entre 70 y 85%. Significa por ejemplo que de 100Ah producidos para cargar la batería, solamente entre 70 y 85Ah son disponible, el resto de la energía se pierde principalmente en calor. Las baterías de buena calidad, sobre todo los de tipo AGM, pueden tener una eficiencia hasta 95%.

4.7.5 Numero de baterías en esta instalación

La batería debe tener una capacidad de 4 veces el consumo total en Wh (uso de 50% de descarga máxima y 1 día de reserva). La capacidad de la batería en amperes horas (Ah) es la energía acumulada de la batería (Wh) dividido en volts.

Para este análisis, debido a las horas de luz las cuales se ocuparía el panel fotovoltaico y debido a las horas de consumo en el edificio sin energía solar, tenemos 16 horas de consumo al dia en el edificio, de las cuales una hora en la mañana es cuando aun no tenemos energía solar y 3 horas en la tarde-noche cuando tampoco tenemos energía solar. Asi que debido a esto almacenaremos una cuarta parte de la carga consumida para hacer el edificio autosuficiente y se pueda aprovechar la energía almacenada en baterías. Por lo que si tenemos un consumo diario promedio de 672 kW – h de consumo. Por lo que almacenaremos la cuarta parte la cual corresponde a 170 kW-h.

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Para realizar el cálculo de las baterías que ocuparemos tendremos que elegir una batería, que sería la siguiente:

Batería Trojan 12V 225Ah, con un costo de $333.51 dólares. Capacidad en A-h = I(corriente en amperes) x T(tiempo en horas) 1338.58Amperes x 4 horas= 5355Ah

Si cada batería maneja 225Ah y se conectan en serie tenemos que: 5355Ah / 225Ah = 24 arreglos de baterías en paralelo.

Debido a las conexiones de las baterías y capacidades de cada una, en este caso tendremos que utilizar 20 baterías para poder conectarlas al inversor ya que tendremos que conectar 240 volts, y como cada batería maneja una tensión de 12 volts.

En total utilizaremos 480 baterías para poder suministrar la energía necesaria en las horas que no contamos con energía solar.

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