BATERIAS PARA PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS


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 Los paneles o placas fotovoltaicas generan electricidad en las horas de Sol, pero el mayor problema que nos encontramos es almacenar la energía eléctrica generada en las horas de Sol para usarla en las horas del día con poco o nada de Sol, como por ejemplo por la noche. Para almacenar la energía y utilizarla en las horas de "baja insolación" en las instalaciones solares fotovoltaicas se utilizan las baterías.

 Las instalaciones fotovoltaicas emplean la acumulación de energía, por medio de baterías, para poder ir utilizándola a lo largo de todo el día y no solamente en el instante de generarla.

 Las baterías para paneles solares fotovoltaicos son las encargadas de almacenar la energía procedente de las paneles solares para descargarla sobre el circuito eléctrico que alimenta la instalación solar cuando sea necesario. Una vez descargada la batería, se vuelve a cargar con la energía procedente de los paneles fotovoltaicos, por eso se dice que son baterías reversibles (carga y descarga).

 Como sirven para acumular energía eléctrica para utilizarla cuando la necesitemos también se pueden llamar "acumuladores". Las baterías pueden llegar a ser el elemento más caro y más delicado de dimensionar en una instalación solar fotovoltaica. Aquí veremos como hacerlo.

 Fíjate en la siguiente instalación solar fotovoltaica (ISFTV):

instalacion solar fotovoltaica

 Tres son las misiones principales de estas baterías dentro de una instalación solar fotovoltaica (ISFTV):

 - Atender suministros de consumo elevado y de corta duración o de falta de tensión. Nivelación de picos. Una batería puede proveer una intensidad de corriente superior a la que el panel fotovoltaico puede generar instantáneamente (potencia instantánea).

 - Suministro de energía de apoyo en los meses de invierno con poco Sol. Almacenar energía en horas de bajo consumo y cederla en horas punta de mucho demanda de energía.

 - Garantizar, junto con el regulador, la estabilidad de funcionamiento de la ISFTV

 Podríamos pensar que se utilizan las mismas baterías para el arranque de vehículos que para ISFTV, pero no es así. Las baterías para ISFTV tienen unas características diferentes que iremos viendo.

Funcionamiento de una Batería

 Desde el punto se vista electrico el funcionamiento interno de una bateria no nos interesa demasiado, pero si quieres aprenderlo te recomendamos visites el siguiente enlace: Baterías y Acumuladores, aquí solo veremos un breve resumen.

 Una celda electroquímica, también llamada celda Voltaica, es una caja en cuyo interior hay dos líquidos o sustancias químicas separadas llamadas electrolitos (puede ser una celda de un solo electrolito o líquido).

 Cada líquido tiene sumergido en su interior una placa metálica (metal) diferente, llamadas electrodos.

 Resumen: Una batería está formada por uno o dos electrolitos (líquido), en cuyo interior se introducen dos placas de metales diferentes llamados electrodos.

 Las celdas almacenan energía química que se transforma en electricidad cuando unimos los 2 electrodos a un circuito externo.

 La energía química de su interior hace que entre los dos electrodos se produzca una diferencia de potencial (d.d.p.) o tensión. Al conectarlos al circuito externo, esta d.d.p o tensión hace que circule una corriente eléctrica por el circuito. Con el paso del tiempo la celda se descarga, es decir, va disminuyendo la d.d.p. entre sus electrodos. Cuando esta d.d.p. = 0V la celda se ha descargado por completo.

 Si la celda es reversible, cuando se descarga se puede volver a cargar conectando los dos electrodos a una fuente de tensión externa.

 Cuando unimos varias celdas electrolíticas seguidas (en serie) obtenemos una batería. Cada celda produce una tensión más o menos de 2V. Al unirlas en serie se sumarán la tensión de cada celda. Imagina que queremos una batería de 12V, tendremos que unir 6 celdas en serie. De hecho se llama batería porque las celdas se colocan en batería una detrás de otra.

 En la batería el electrodo inicial positivo se llama cátodo y el electrodo final de la unión y negativo se llama ánodo.

celdas de una bateria

 Estos proceso de carga y descarga es lo que hacemos con una batería de una instalación fotovoltaica, por eso las baterías para los paneles solares deben ser baterías recargables.

 Ahora veamos lo verdaderamente importante a la hora de utilizar una bateria en una instalación solar fotovoltaica: sus parámetros, cálculos y la elección de la mejor bateria para cada instalación.

Parámetros de una Batería

 - Vida útil: La vida útil de una batería no se mide en años, sino por la cantidad de ciclos de carga - descarga que es capaz de realizar. Así, si se la somete a un régimen de trabajo de muchos ciclos diarios, probablemente sólo durará unos meses, mientras que si el régimen es de un ciclo al día o incluso más lento (como ocurre en el caso de iluminación de viviendas con energía solar) la batería puede durar al menos diez años.

 Si tenemos una batería de uso diario y queremos una autonomía de 5 días (que se descargue en 5 días; 1 ciclo = 5 días), 5 x 24h =120h. La batería se descarga en 120h, por lo que tendría un ciclo de descarga de 120h. Normalmente se suelen considerar ciclos de descarga de 100h en las ISFTV. Esto viene como C100 en los catálogos.

 Para conseguir una vida útil adecuada las baterías no deben descargarse totalmente. A la cantidad, en porcentaje, que se ha descargado se le denomina profundidad de descarga. Cuanto menos profundos sean los procesos de descarga mayor será la vida útil del acumulador.

 Una batería con una profundidad de descarga por ciclo del 50% durará más que una con un 70% de profundidad de descarga. Pero veamos mejor lo que es y significa la profundidad de descarga.

 - Profundidad de Descarga (DOD): es la cantidad de energía que se obtiene durante una descarga estando en carga total expresado en %. Es el tanto por ciento que se ha sacado de la carga total de la batería en un ciclo. Sabiendo, como luego veremos que la capacidad de una batería se expresa en Ah (amperios hora) si a un acumulador de 100Ah le sometemos a una descarga de 20Ah esto representará una profundidad de descarga del 20%.

 En función de la profundidad de descarga de las baterías tenemos 2 tipos: Baterías con ciclos poco profundos y baterías de ciclo profundos.

 Las baterías de ciclo poco profundo, al 15% del DOD tienen una vida de 500-100 ciclos. De este tipo son las de arranque de los coches o motos. Las de los coches dura muy poco el ciclo (el arranque) y es poco profundo para que dure muchos años.

 Las baterías para ISFTV son de ciclo profundo, es decir que aguantan que se descarguen hasta el 80% de su carga total, pero esta descarga (ciclo) dura mucho tiempo (días). Suelen tener una vida de 1500 ciclos.

 Si la DOD de una batería no sobrepasa el 20% puede llegar a durar unos 4000 ciclos. A menos DOD más ciclo aguanta la batería, por eso este valor es el que mucha gente recomienda utilizar. El problema es que aumenta mucho el precio de la batería, ya que si solo el 20% de la batería ya tiene que proporcionarnos el 100% del consumo real de la instalación, la capacidad de la batería será muy grande.

 Con un régimen de descarga diaria del 20% 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. Lo normal es poner una profundidad de descarga del 50%.

 - Capacidad de la Batería: es la cantidad total de corriente que es capaz de suministrar la batería en un determinado tiempo y con una tensión determinada cuando está cargada al 100%.

 La cantidad de electricidad que puede almacenar durante la carga y la que puede dar en la descarga es la misma, y eso es la capacidad de la batería. Su unidad es el Amperio hora (Ah). En las ISFTV suelen darse las capacidades de las baterías para 100 horas de descarga (C100).

 Una batería de 280Ah a 12V es capaz de suministrar 28A en 10 horas, o 2,8A en 100horas.

 La capacidad = Amperios necesarios x tiempo de descarga en Hora.

 Los amperios podemos sacarlos de la suma total de la potencia de los receptores de la instalación que alimentará la batería y de la tensión de suministro.

 Por ejemplo si la potencia de los receptores que alimenta es de 1.200w y a una tensión de 12V.

 P = V x I ==> I = P / V = 1200/12 = 100A

 Esta batería suministrará una intensidad de 100A cuando todos los receptores estén conectados a ella. Si queremos que suministre esta intensidad durante 30 horas. ¿Cual será la capacidad de la batería necesaria?

 C = I x t = 100 x 30 = 3000Ah

 Imagina que en lugar de una batería de 3000Ah en esa instalación, ponemos una batería de una capacidad de 200Ah; ¿Cuanto tiempo tardará en descargarse?

 C = t x I ==> t = C / I = 200Ah / 100A = 2 horas. Solo tendríamos suministro en los receptores durante 2 horas y la batería se agotaría.

 Luego veremos como calcular realmente la capacidad de una batería para una instalación solar fotovoltaica, pero ahora te dejamos otro ejemplo:

tiempo de descarga de una bateria

 Tenemos que tener en cuenta que la capacidad de la batería disminuye si el tiempo de descarga es muy corto, y si por el contrario si el tiempo de descarga es muy largo su capacidad aumenta. Si la cargamos muy rápidamente su capacidad será menor que si la cargamos de forma lenta. Fíjate en la siguiente gráfica:

variacion de la capacidad de una bateria

 - Las baterías y la temperatura: si la temperatura aumenta se incrementa la capacidad de la batería pero disminuye su durabilidad (duran menos), por eso el fabricante la especifican para 25ºC. Lo puedes ver en la gráfica anterior.

 OJO con las temperaturas muy baja ya que podría congelarse el electrolito y muy altas que envejecen las baterías.

 También es importante tener en cuenta que las baterías en la carga y descarga se calientan, por eso es necesario que se sitúen en un sitio con buena ventilación. Lo ideal es mantenerlas siempre a unos 25ºC.

 Además al ser dispositivos fabricados con metales y/o componentes ácidos es necesario elegir ubicaciones ventiladas para asegurar la no formación de atmósferas peligrosas. La instalación de salas de baterías debe realizarse con precaución ya que, en función de los modelos utilizados, pueden generarse atmósferas explosivas por lo que será necesario adecuar las instalaciones eléctricas y de ventilación a estas circunstancias especiales

 - Eficiencia de carga: es la relación entre la energía utilizada para rellenar el acumulador y la realmente almacenada. Por lo tanto cuanto más cercano al 100% mejor.

 - Autodescarga: pérdida de capacidad de una batería cuando está almacenada en circuito abierto o sin usar por la reacción entre los materiales que la forman. La autodescarga es un proceso de un acumulador por el cual sin estar en uso tiende a descargarse.

 La autodescarga hay que considerarla como un consumo adicional, que demanda un cierto porcentaje de energía almacenada. Depende del tipo de batería y muy directamente de la temperatura, aumentando con esta. Su valor es aproximadamente de un 0,5 a un 1% diario en baterías de Pb-ácido.

 Después de todos estos datos...¿Cómo elegir la Batería Adecuada para mi ISFTV?

Calculo de la Batería Necesaria en una Instalación Fotovoltaica

 La batería para una ISFTV se dimensiona teniendo en cuenta el consumo diario, los días que necesita de autonomía, la profundidad de descarga y la tensión del trabajo.

 La fórmula para el calculo de la batería (su capacidad) es la siguiente:

capacidad baterias fotovoltaicas
 Veamos cada parte de la ecuación con un ejercicio:

 Supongamos una instalación con un consumo diario:

 - Iluminación : 3 bombillas led x 7w/bombilla x 5h/día = 105wh/día
 - TV: 1 unidad x 25w x 2h/día = 50wh/día
 - Frigorífico : 92Hwh/año = 252,05wh/día
 
 Consumo total de la instalación al día= 105 + 50 + 252,05 = 407.05wh/día

 Para uso de fin de semana consideramos 3 días de autonomía para la batería (viernes, sábado y domingo)

 Para uso diario consideramos la batería con una autonomía de 5 o 6 días.

 - Profundidad de descarga para los cálculos: Si tenemos una batería de gel, agm o estacionaria podemos considerar una profundidad de descarga del 70%. Para las de plomo abiertas (con mantenimiento) la profundidad de descarga será del 50%. Recuerda que las baterías de gel y agm soportan profundidades de descarga más profundas. La mejor solución para muchos es poner una profundidad de descarga para todas las baterías del 20%. Esto hace que tengamos que comprar baterías con más carga y por lo tanto más caras, pero al ser su descarga del 20% durarán más.

 Para nuestro ejemplo pondremos una batería con un 70% de profundidad de descarga (0.7 para la fórmula).

  Otro dato importante de la batería será su tensión (12V, 24V 0 48V son las más normales). Para nuestra instalación usaremos una de 12V.

 Con todos estos datos ya podemos calcular, según la fórmula la capacidad de la batería necesaria:

capacidad bateria calculada

 Lógicamente elegiremos una batería que tenga los Ah inmediatamente superiores a los que nos salga en la fórmula, ya que no hay baterías de todos los Ah que queramos.

 Veamos otro ejemplo para uso diario.

 Una instalación con consumo diario de 5493 Wh/día y que la usaremos a diario (6 días de autonomía). Decidimos no superar nunca el 20% de su descarga (profundidad de descarga 0.2) y a una tensión de 24V.

 Capacidad = (5400wh/día x 6 días) / (0.2 x 24) = 32.400 / 4.8 =6.750Ah

Tipos de Baterías

 Una primera clasificación es en abiertas y cerradas, pero la distinción más importante es si son monoblock o estacionarias. Abajo tienes una imagen con todos los tipos que vamos a ir explicando para que las veas.

 - Baterías Abiertas: poseen una tapa con tapones que permite abrir los vasos de la batería para poder rellenar el agua destilada necesaria para su correcto funcionamiento. Este tipo de baterías exige mantenimiento para vigilar el líquido del electrólito.

 - Baterías Cerradas: llevan incorporadas una serie de válvulas que liberan los gases producidos en el caso de una carga excesiva (válvula de seguridad VRLA). Estas baterías tienen un menor mantenimiento.

 Según la forma de presentación de la batería tenemos: Monobloques o Estacionarias.

 Baterías Monobloque o MonoBlock

 Es una batería formada por un conjunto exterior de un solo bloque con la tapa, tapones y bornes. En su interior contiene varias celdas o vasos conectados en serie y un electrolito común a todos ellos. Si se estropea una celda hay que cambiar la batería entera ya que los vasos o celdas no son independientes. Pueden ser cerradas o abiertas. No es recomendable descargar más del 60% de su carga total en este tipo de baterías.

 Este tipo de baterías se suelen utilizar en ISFTV pequeñas, con bajos consumos como alarmas, bombillas, videovigilancia, etc. Si hay algún motor en la instalación que se alimenta no es recomendable este tipo de baterías.

 Las monoblock podemos a su vez clasificarlas en función de como es su líquido: de Ácido, de Gel o de AGM.

 - De Plomo ácido abiertas: son baterías abiertas y necesitan mantenimiento cada 6 meses + o -. Las más económicas, En torno a los 400 ciclos de carga y descarga con profundidades de descarga del 20% con esperanzas de vida útil que van de 2-3 años para las más económicas. Aplicaciones fotovoltaicas de consumos medios-bajos y discontinuos.

 - Baterías de GEL: son baterías cerradas con el electrolito gelatinoso. Al ser gelatinoso si se rompe la batería o algún vaso no se pierde líquido. Son más caras que las de plomo ácido. Son las de mayor vida útil y con mayor número de ciclos de carga y descarga. Selladas y sin mantenimiento. Mejor respuesta de voltaje frente a la descarga. Se utilizan para aplicaciones de consumos medios como aplicaciones fotovoltaicas de telecomunicaciones etc. Suelen durar unos 7 años

 - Baterías AGM:  cerradas y sin mantenimiento, Hasta 7000 ciclos para las mejores marcas. Mejor respuesta a corrientes elevadas y descargas profundas. Ideales para instalaciones solares de consumos medios y para vehículos eléctricos. Su vida útil ronda los 5 años.

 Por último hablaremos de las más modernas y que están empezando a reemplazar a todas las demás, las baterías monoblock de Litio. Ocupan poco espacio, pesan poco, no emiten gases, tienen tiempos de carga más rápidos y se pueden descargar al 80%.

 La desventaja que actualmente tiene este tipo de baterías es su elevado coste. Sin embargo en un futuro se cree que los fabricantes lo puedan optimizar. Tesla está empezando a ofrecer este tipo de baterías a muy buen precio.

 La aleación de LI-Fe de las baterías de litio permite una descarga de casi el 100% de su potencia.

 Ésta característica permite que el proceso de carga sea mucho más rápido que en todas las demás. Además, permite múltiples procesos de descarga (700 ciclos al 80% DOD).

 Otra ventaja de las baterías de litio es el sistema de gestión de la batería y el servicio ininterrumpido con fuente de alimentación autónoma, incluso en caso de fallo de alimentación.

 Actualmente si queremos baterías para ISFTV de uso habitual y consumos medios o altos se utilizan las estacionarias.

 Baterías Estacionarias

 Son vasos o celdas independientes, aunque estén conectados en serie, de 2V cada uno y que se pueden sustituir de forma individual. La combinación de estos vasos nos dará la batería que necesitemos. Para 12V será una combinación de 6 vasos.

 Son las baterías que se utilizan en ISFTV medianas o grandes como viviendas o instalaciones solares de uso permanente. Necesitan mantenimiento + o - cada 6 meses para comprobar los vasos de la batería (densidad y nivel de líquido).

 Dentro de las baterías estacionarias podemos distinguir 2 tipos: Las baterías OPzS de 2V de Plomo Acido o las OPzV de tecnología GEL.

 - Las OPzS de Plomo ácido tienen una alta capacidad de almacenamiento energético y permiten crear grandes bancadas de baterías de 12 ó 24V, con una capacidad de acumulación mucho mayor que cualquier batería monoblock. Gracias a su mantenimiento mínimo, son la solución perfecta para grandes instalaciones fotovoltaicas en viviendas de uso habitual o empresas. Duran unos 15 años y son más baratas que las de GEL. Son las más utilizadas actualmente en las ISFTV por su relación calidad-precio. Con el fin de poder detectar visualmente el nivel del electrólito, se fabrican los bloques en material translúcido como estireno acrilo nitrilo (SAN).

 - Las Baterías Estacionarias de GEL son más caras pero con mayor número de ciclos de carga y descarga por lo tanto mayor vida útil, mejor respuesta a corrientes elevadas y descargas profundas, mayor estabilidad de la tensión frente a la descarga, sin evaporación de gases y sin mantenimiento. Su líquido es gelatinoso.

 Las estacionarias pueden llegar a durar incluso 20 años o más.

tipos de baterias

Las Partes de una Batería

partes de una bateria



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