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 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 (ISFTV) se utilizan las baterías o acumuladores.

 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). Además 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. Más adelante veremos como se hace de forma correcta.

 Primero veamos el esquema de una ISFTV y donde se encontrarían las baterias:

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.

 Para que las baterias en las ISFTV tengan un mayor tiempo de vida y evitar su sobrecarga se utiliza un Regulador de Carga Solar en la instalación. Si quieres saber su funcionamiento pincha en el enlace.

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 o vaso, es una caja en cuyo interior hay uno o dos líquidos o sustancias químicas llamadas electrolitos (puede ser una celda de un solo electrolito o líquido o de dos diferentes).

 Sumergidas en el líquido hay 2 placas metálicas llamadas electrodos. Suelen ser de diferente metal cada placa.

 Resumen: Una batería está formada por uno o dos electrolitos (líquido), en cuyo interior se introducen dos placas de metales diferentes llamados electrodos.
 Si unimos estos 2 electrodos a una fuente de energía, por ejemplo los paneles solares, entonces mediante un proceso químico en el electrolito se almacena energía eléctrica. La energía química de su interior hace que entre los dos electrodos se produzca una diferencia de potencial (d.d.p.) o tensión. Cuando llega a 2V de tensión o d.d.p entre los electrodos, la batería se ha cargado completamente.

 Si ahora conectamos a un circuito externo los electrodos, 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 de nuevo 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 ISFTV: sus parámetros, cálculos y la elección de la mejor bateria para cada instalación.

Parámetros de una Batería

 - Tensión de la batería: lo primero que tenemos que determinar es la tensión de funcionamento de nuestra instalación en corriente contínua, antes de llegar al convertidor de alterna. En las ISFTV suelen utilizarse las siguientes tensiones:

tension bateria fotovoltaica

 - 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. En definitiva el C100 es una forma de poder comparar baterias diferentes con el mismo ciclo de descarga 100 horas. Tambien tenemos C50, C200, etc, pero el más habitual es el C100.

 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 (Depth of Discharge = DOD). 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 lo que significa la profundidad de descarga.

 - Profundidad de Descarga (DOD): Es el porcentaje máximo del total de la carga de una bateria que determinamos que se puede llegar a descargar en un ciclo completo (carga y descarga). Si decidimos el 70%, quiere decir que cuando la descarga de la bateria llega al 70% de su total, empieza a cargarse por completo, o que nunca se podrá descarga más energía que el 70% del su total.

 Otra definición 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, no suelen aguantar bien unas descargas mayores del 20% y se suele producir la descarga rápidamente, en poco tiempo. Suelen tener 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.

 Lo normal es poner una profundidad de descarga entre el 50% y el 70%.

 - 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 a suministrar x tiempo de descarga en Hora = I x t

 Los amperios tendremos que sacarlos de la energía prevista de consumo de la instalación que alimentará la bateria. Si el calculo lo hicimos con las potenciasw, entonces tendremos que sacarla de las potencias

 Imagina una instalación que tenía contratada una potencia de 5750w con una compañia eléctrica. Ahora quiere poner una ISFTV de autoconsumo a 24V para la misma potencia. ¿Cual sería la capacidad de la batería necesaria?

 1º) Calculamos la intensidad que tendrá que suministrar la batería:

 P = V x I ==> I = P / V = 5750/24 = 239,58A = 240A redondeando.

 Ahora necesitamos determinar el tiempo que queremos de autonomía para la batería. Por ejemplo para instalaciones de uso semanal (todos los días de la semana) se suele poner 4 días de autonomía, para uso de fin de semana 2 días.

 Esta batería tiene que suministrar una intensidad de 240A cuando todos los receptores estén conectados a ella. Si queremos que suministre esta intensidad durante 4 dias x 24h = 96h (podríamos poner solo 12horas) , entonces tenemos

 C = I x t = 240 x 96 = 23.040Ah

 Imagina que en lugar de una batería de 23.040Ah en esa instalación, ponemos una batería de una capacidad de 2000Ah; ¿Cuanto tiempo tardará en descargarse?

 C = t x I ==> t = C / I = 2000Ah / 240A = 8,33 horas. Solo tendríamos suministro en los receptores durante 8 horas y la batería se agotaría.

 Luego veremos como calcular realmente la capacidad de una batería y con el consumo diario en lugar de la potencia 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 capacidad de almacenamiento de energía de una bateria viene expresado en AmperiosHora y normalmente lo que conocemos de la instalación que quiere alimentar es el consumo diario que viene expresado en Vatioshora / día.

 Tendremos que pasar los wh/dia a Amperiohora. Si dividimos los w (potencia) entre la tensión de trabajo de la instalación tendríamos amperioshora que necesitamos para suministrar ese consumo diario a la instalación a través de la bateria.

 Consumo diario de la Instalación = W x h al día.

 Como Vatios = V x I; si dividimos los vatios (w) entre V nos queda Amperios, luego en el consumo diario:

 w x h / V = AmperiosHora / al día

 Con esta capacidad tendríamos suficiente energía almacenada en la batería solo para 1 día. Si queremos almacener para más diás, tendremos que multiplicar por el número de días. Para una instalación de fin de semana se suele multiplicar por 2 días, para una instalación de uso diario por 4 días.

 Además de esto, recuerda que las baterias en las ISFTV no se pueden descargar por completo, luego la capacidad de la bateria también dependerá de la profundidad de descarga (DOD) que queramos para nuestra bateria o conjunto de baterias. Por ejemplo, si queremos una DOD del 70%, entonces esos Amperioshora calculados serán solo el 70%, nuestra batería tiene que tener un 30% más de Amperioshora. Para dimensionarla un 30% mas a los Amperioshora anteriores tenemos que dividirla entre 0,7 (100 / 70). 

 Según lo visto, 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), aunque normalmente se usan 2 días solo.

 Para uso diario consideramos la batería con una autonomía de 4 días.

 - Profundidad de descarga para los cálculos: Si tenemos una batería de gel, agm o estacionaria podemos considerar una profundidad de descarga del 70%. Recuerda que las baterías de gel y agm soportan profundidades de descarga más profundas, como luego veremos.

 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 (4 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 4 días) / (0.2 x 24) = 4.500 Ah

 Aqui te dejamos una estimación que se hace del consumo anual de una vivienda:

consumo anual vivienda

 Recuerda que es anual y que viene expresado en Kw, por lo tanto para pasar a wh/dia debemos multiplicar por 1.000 y dividir la cantidad entre 365 dias. Por ejemplo para el consumo anual estandar:

 Consumo diario = (3.500 x 1.000)/365 =9589 wh / dia

 Según el REBT, en aquellos ISFTV con una potencia no superior a 10 kW, tan solo es necesario que un electricista acreditado realice una Memoria Técnica de Diseño (MTD)  y enviarlo, adjunto al Certificado de Instalación (CI), al organismo o registro competente de la Comunidad Autónoma en cuestión.

 En aquellas instalaciones generadoras aisladas que sí superen los 10 kW de potencia, será necesario un proyecto, firmado por un técnico competente.

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.

 Según el acceso al electrolito tenemos:

 - 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 el electrolito:

- De Plomo ácido abiertas: su electrolíto es un líquido, normalmente ácido sulfúrico, y los electrodos son de Plomo. Son baterías abiertas y las más económicas, pero deben de utilizarze en ciclos de descarga poco profundos. suelen durar en torno a los 400 ciclos de carga y descarga con profundidades de descarga del 20% y con esperanzas de vida útil que van de 2 a 3 años para las más económicas. Aplicaciones fotovoltaicas de consumos medios-bajos y discontinuos.

 - Baterías de GEL: son baterías cerradas con el electrolito gelatinoso antisalpicaduras y no emite gases tóxicos. 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 y altos. Las más utilizadas a día de hoy.

 - 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.

 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.

 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.

 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.

 Las baterías estacionarias, de GEL y Cerradas son las 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). Todos estos requisitos las cumplen las OPzS.

 - Las OPzS de Plomo ácido tienen una alta capacidad de almacenamiento energético y permiten crear grandes bancadas de baterías de 12 ó 48V, 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. 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). Son de GEL y Estacionarias.

 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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