viernes, 3 de septiembre de 2010

LAS GRANDES “OLVIDADAS” DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS, LAS BATERÍAS

Lo primero que se debe de decir cuándo se pretende publicar algo sobre las baterías en los sistemas fotovoltaicos aislados es que probablemente hayáis leído multitud de artículos, escritos, papers y demás documentación diversa. Cada uno de ellos con mayor o menor detalle sobre su comportamiento, diseño, características técnicas, tipos, cálculos etc. Pues bien, me gustaría deciros que lamentablemente las mejores palabras que he escuchado en relación al comportamiento de las baterías en los sistemas fotovoltaicos autónomos, las escuche de uno de los profesores de los cuales tuve la fortuna de ser su alumno, Miguel Alonso Abella que dijo: “ … las baterías fotovoltaicas no cumplen ni las matemáticas”, como colofón a una clase llena de ecuaciones, gráficos y coeficientes que trataban de modelizar el comportamiento de las baterías. Con esta cita, lo que nos trataba de transmitir Miguel era la complejidad de homogeneizar el funcionamiento de una batería en un sistema fotovoltaico autónomo. He utilizado la palabra “lamentablemente”, no desde una perspectiva negativa hacia su comentario, sino para matizar que cuando se proyecta un banco de baterías, corremos el riesgo de que todos nuestros modelos se vean alterados por una o varias variables que influyen en la actividad de ese banco de baterías. Llegados a este punto es de suma importancia, y no está de más recordar que lamentablemente, y ahora sí utilizo el término con toda la carga de infortunio que conlleva, para enfatizar que dos de las variables fundamentales en el diseño de los sistemas autónomos son totalmente estocásticas, la radiación solar y la conducta humana. Estos dos conceptos pueden crear un coctel perfecto para llevar al proyectista por su vía crucis particular.
Este artículo, que ha sido largo de “parir” , no solo en cuanto a tiempo se refiere, sino más bien por las dudas que me asaltaban en relación al enfoque que debía de dar a la hora de publicarlo, tratará de poner de manifiesto la importancia de las baterías, ya que son, en cuanto a probabilidad, el elemento  crítico en cuanto a fiabilidad del sistema se refiere y disponibilidad de energía. Creí que era una buena forma de abordar el tema mediante la explicación de algunas de las pruebas que se realizan a las baterías fotovoltaicas, al estilo de lo que sucede con los paneles fotovoltaicos (STC), para así, una vez entendido cuáles son los procedimientos para homologar las baterías, pasar al siguiente escalón en la selección óptima según el tipo de instalación. En la medida de lo posible trataré de mostrar que no es nada sencillo, ya no solo el cálculo de la capacidad de las baterías, sino además la selección del tipo de baterías a utilizar en los sistemas fotovoltaicos/híbridos aislados.
Vamos a comenzar con un par de términos, necesarios para posicionarnos.
Profundidad de Descarga Máxima: es el nivel máximo de descarga que se le permite a la batería antes de la desconexión del regulador, para proteger la duración de la misma. Se pueden definir dos profundidades de descarga atendiendo a dos ciclos que pueden tener las baterías (Ver gráfico inferior). De una parte está el denominado ciclo diario. Durante el ciclo diario la batería tendrá una determinada descarga, que posteriormente, si el sistema recibe suficiente radiación solar, permitirá cargarse. Las profundidades de descarga máximas que se suelen considerar en el ciclo diario, lo que se denominará profundidad de descarga máxima diaria (PDmax,d) están en torno al 15 %. Por otro lado, existe otro ciclo que es el denominado ciclo estacional. Este ciclo está relacionado con el proceso de descarga progresiva que sufren las baterías  debido a la imposibilidad de recibir una carga completa durante el transcurso de los períodos de máxima irradiación a los de mínima.En baterías estacionarias de plomo-ácido un valor adecuado de este parámetro es del 70 %, parámetro que se denominará profundidad de descarga máxima estacional (PDmax,e) (Estos parámetros se emplean en tanto por cien).
Días de Autonomía: es el número de días consecutivos que en ausencia de sol, el sistema de acumulación es capaz de atender el consumo, sin sobrepasar la profundidad de descarga máxima estacional de la batería. Los días de autonomía posibles, dependen entre otros factores del tipo de instalación y, sobre todo, de las condiciones climáticas del lugar. La capacidad de las baterías es la cantidad de energía que debe ser capaz de almacenar la batería, para asegurar un correcto funcionamiento del sistema. Se pueden definir dos tipos de capacidades, según las profundidades de descarga máximas anteriormente definidas. Habrá una capacidad de la batería diaria (relacionada con el ciclo diario y la profundidad de descarga máxima diaria) y una capacidad de la batería estacional (relacionada con el ciclo estacional y la profundidad de descarga máxima estacional).
Como sabemos, existen cuatro tipos diferentes de degradación típica cuando se someten las baterías fotovoltaicas mayoritariamente utilizadas a los procesos de ciclado, que son:
·         Reblandecimiento del material que compone el polo positivo,
·         Corrosión,
·         Estratificación del electrolito,
·         Sulfatación de las placas.
El proceso de reblandecimiento es debido a que cuando se somete a la batería a sucesivos ciclos de carga/descarga se producen variaciones repetidas en el volumen de la masa activa, provocando cambios en su morfología tales como la modificación de la cohesión interna, la distribución del óxido de plomo en la placa así como cambios en el tamaño de los cristales. Estos cambios provocan un debilitamiento en la unión entre los agregados de óxido de plomo y por tanto un reblandecimiento en el material activo de la placa. La primera consecuencia es una pérdida de la capacidad debido a una disminución en la cantidad de material activo que puede reaccionar en el proceso electroquímico. La situación extrema de este proceso llega cuando no existe una unión entre los agregados y por tanto, éstos se precipitan al fondo de la carcasa de la batería (“desprendimiento o derrame de la masa activa”).
Cuando una batería de plomo-ácido se encuentra en estados de tensión alta (al final de los procesos de carga o sobrecarga), el oxígeno que se produce en las placas positivas lleva a la formación de una capa de óxido en la unión entre la rejilla y la masa activa que la envuelve (figura A2). Una capa similar es la que se produce cuando se deja a las baterías en circuito abierto durante períodos largos de tiempo. Esta capa provoca un aumento de la resistencia interna lo que afecta a la disminución de la cantidad de aceptación de carga que la batería es capaz de admitir y consecuentemente a su capacidad.
La estratificación del electrolito es la presencia de un gradiente vertical en la concentración de ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico puro que se forma durante el proceso de carga tiene una densidad mayor que el resto del electrolito presente en la batería y por tanto, tiende a depositarse en el fondo de la carcasa. Este fenómeno se favorece cuando la batería es sometida a procesos de descarga y carga profundos. Para evitar este fenómeno se somete a las baterías a procesos de sobrecarga controlados, para que en el proceso de formación de las burbujas de hidrógeno y oxígeno, éstas mezclen el electrolito. La estratificación del electrolito provoca la pérdida de la capacidad de la batería debido a dos procesos, el primero relacionado con el hecho de que la parte inferior de las placas de la batería está menos cargada y el segundo con la formación de cristales de sulfato de plomo inservibles, como se puede ver en la figura A5 (zona de color rojizo).

El proceso de sulfatación se debe a la presencia de cristales de sulfato de plomo en las masas activas de las placas positiva y negativa. El sulfato de plomo se forma en el proceso de descarga de la batería. Cuando la batería permanece en estados bajos de carga, se produce un proceso de recristalización de los cristales de sulfato de plomo con lo que afecta a su estructura interna; los cristales de PbSO4 en las placas positiva y negativa se hacen más grandes, (ver figuras A3 y A4) y están menos unidas a la masa activa, por lo que pierden la capacidad de reacción y en consecuencia provocan la disminución de la capacidad de la batería.
Para evaluar el comportamiento de las baterías ante los procesos de degradación anteriormente comentados se realizan pruebas de ciclado. El objetivo de estos test es valorar el tiempo de vida, expresado en términos de reducción de la capacidad nominal, debido a la aparición de alguno de los principios de degradación comentados.
Una prueba de ciclado se diseña de tal forma que se pueda observar, tras una cantidad suficiente de ciclos, una reducción de al menos un 30% en la capacidad nominal inicial y a partir de ahí, se expresa el tiempo de vida de las baterías, definido como el número de veces que la batería es capaz de entregar su capacidad nominal antes de que ésta decaiga un 30% en relación a su capacidad inicial.
ALGUNAS PRUEBAS DE CICLADO UTILIZADAS PARA ACELERAR LOS PROCESOS DE DEGRADACIÓN SON:
IEC 61427 Test
Este procedimiento realiza ciclados a dos estados de carga diferentes ( State of Charge ), el primero se realiza con un estado de carga de la batería (SOC) de un 20% y el otro con un 80%. El objetivo es simular las condiciones a las que estaría sometida una batería en un sistema fotovoltaico en el que el generador estuviese escasamente dimensionado o las condiciones climáticas fuesen malas y/o buenas.
Descripción del test
·         Cincuenta ciclos de un 30% de profundidad de descarga (Depth Of Discharge) realizados entre un estado de carga del 35% y el 5%, posteriormente se llevan a cabo cien ciclos entre un estado de carga del 100% y el 75%. Tras estos 150 ciclos se lleva a cabo la medida de la capacidad de las baterías y se repite la secuencia.
·         Una fase completa (etapa A + etapa B) de prueba suele durar alrededor de 50 días y se realizan entre 3 y 10 fases de pruebas.
·         Las pruebas se realizan a una temperatura de 40ºC para acelerar el procedimiento de degradación.
En la figura 1 se muestra el procedimiento descrito correspondiente a una fase.

Resultados
En la figura 3 se muestran los datos del nº de veces en los que se estima que la capacidad nominal de la batería va a ser entregada al sistema (vida útil) para los dos tipos de configuración de  placas probadas: con placas planas y tubulares. La cantidad de veces que está disponible la capacidad nominal de las baterías se calcula hasta el momento en el que la C10 medida es el 70% de la C10 nominal inicial. Los valores máximos y mínimos se obtienen por extrapolación cuando no se llega al final de la vida útil mediante las pruebas de ciclado.
Conclusiones
Esta prueba no es muy rigurosa en términos de dureza de las condiciones de degradación, ya que incide ligeramente en el proceso de corrosión debido a los 100 ciclos realizados durante la etapa B del procedimiento correspondiente al realizado entre el 100% y el 75% del SOC. Debido a ello, las baterías con placa tubular, como se puede ver, muestran un tiempo de vida superior a las baterías de placa plana en condiciones de operación como las expuestas.

NF C 58-510 Test
El objetivo principal de este test es simular las condiciones a los que estaría sometida la batería teniendo en cuenta un sistema fotovoltaico que conlleve ciclos diarios constantes acompañados de ciclos estacionales con grandes profundidades de descarga.
Descripción del Test
El procedimiento que se sigue es el de llevar a cabo secuencias de tres etapas (etapa A, etapa B y etapa A, de nuevo).
·         En la etapa A, la batería se somete a ciclos poco profundos de 3 horas de descarga a razón de 6,6xI100 y recargas de 4 horas a razón de 4,85xI100 hasta alcanzar una tensión por vaso de 1,85V para baterías inundadas y de 1,90V para baterías con electrolito inmovilizado. Como se ve el régimen de carga no es suficiente para volver a recuperar el 100% del estado de carga de la batería.
·         En la etapa B, la batería se somete a ciclos poco profundos con el mismo régimen de descarga que en el estado A pero a 4 horas de carga a un régimen de 5,45xI100, así que el estado de carga de la batería se incrementa progresivamente hasta alcanzar nuevamente el 100%.
·         Se realizan de tres a diez secuencias y cada secuencia dura entre 50 y 90 días.
·         Las pruebas se realizan a una temperatura de 40ºC para acelerar el procedimiento de degradación.
En la figura 4 se muestra el procedimiento descrito correspondiente a un período.
Resultados
En la figura 6 se muestran los datos del nº de veces en los que se estima que la capacidad nominal de la batería va a ser entregada al sistema (vida útil) para los tres tipos de configuración de placas probadas: baterías fotovoltaicas con placas planas y tubulares y baterías de automóvil de placa plana. La cantidad de veces que está disponible la capacidad nominal de las baterías se calcula hasta el momento en el que la C10 medida es el 70% de la C10 nominal inicial. Los valores máximos y mínimos se obtienen por extrapolación cuando no se llega al final de la vida útil mediante las pruebas de ciclado.
Conclusiones
Esta prueba de ciclado está pensada para forzar la degradación de las baterías debido a procesos de sulfatación y estratificación ya que se lleva a cabo con estados de carga medios. Como se puede observar del gráfico, la baterías con placa tubular vuelven a comportarse mejor que las de placa plana, sin embargo, el tiempo de vida medio esperado en estas condiciones de operación es la mitad que en el caso mostrado según el test anterior. También se puede extraer como conclusión que las baterías de automoción se pueden llegar a comportar de una forma similar, en términos de duración, a las baterías fotovoltaicas de placa plana.
QUALIBAT Test
El objetivo de esta prueba, desarrollada en el marco del proyecto Europeo del mismo nombre, tiene como finalidad una rápida evaluación de la capacidad de ciclado de los diferentes tipos de baterías utilizados en los sistemas fotovoltaicos aislados. Esta prueba se realiza para los dos tipos de baterías mayoritariamente utilizadas, plomo-ácido inundadas y las de plomo-ácido con electrolito inmovilizado.
Descripción del Test
·         La prueba de ciclado de las baterías inundadas requiere de tres ciclos al día a una profundidad de descarga del 66% y a altas corrientes de descarga. Para las baterías con electrolito inmovilizado se realizan 1,5 ciclos por día, a la misma profundidad de descarga y a una corriente de descarga algo inferior a la anterior.
·         La duración del test, repitiendo tandas de 50 o 100 ciclos va desde uno a siete meses.
·         La temperatura a la que se lleva a cabo el test es de 40ºC.
En la figura 10 se describe el período descrito anteriormente y en la tabla 1 los regímenes de descarga utilizados.
Resultados
En la figura 12 se muestran los datos del nº de veces en los que se estima que la capacidad nominal de la batería va a ser entregada al sistema (vida útil) para cada tecnología. La cantidad de veces que está disponible la capacidad nominal de las baterías se calcula hasta el momento en el que la C10 medida es el 70% de la C10 nominal inicial. Los valores máximos y mínimos se obtienen por extrapolación cuando no se llega al final de la vida útil mediante las pruebas de ciclado.
Conclusiones
Un análisis químico de las placas que formaban las baterías probadas, mostraron que algunas de ellas habían fallado por el fenómeno de desprendimiento de la materia activa de la placa positiva, debido al aumento del tamaño de poro, y otras por fenómenos de sulfatación. Por el contrario, apenas existían baterías en las que hubiese procesos de estratificación del electrolito, corrosión o principios de reblandecimiento.
Test de Ciclado entorno al 40% del SOC (State of Charge)
Esta prueba está diseñada para evaluar el comportamiento de las baterías durante estados de carga medios, similares a los que se suelen producir en los períodos estacionales prolongados de baja radiación (invierno).
Descripción del Test
·         Previo al comienzo del ciclado, se realiza una descarga de la batería a I10 hasta un 30% de SOC.
·         Trescientos ciclos de carga-descarga a un estado de carga medio (entre el 30% y el 50%).
·         Se repiten varias secuencias hasta llegar al final de la vida útil. Una secuencia puede durar entorno a los tres meses.
·         La temperatura a la que se realiza el proceso es de 40ºC.
En la figura 16, se muestra el proceso descrito anteriormente.
Resultados
En la figura 18 se muestran los datos del nº de veces en los que se estima que la capacidad nominal de la batería va a ser entregada al sistema (vida útil) para cada tecnología una vez realizado este test. La cantidad de veces que está disponible la capacidad nominal de las baterías se calcula hasta el momento en el que la C10 medida es el 70% de la C10 nominal inicial. Los valores máximos y mínimos se obtienen por extrapolación cuando no se llega al final de la vida útil mediante las pruebas de ciclado.
Conclusiones
Esta prueba está específicamente diseñada para enfatizar los mecanismos que llevan a la estratificación y a la sulfatación ya que las baterías están mantenidas en estados de carga bajos (entre 30% y 50%). Como se puede ver, las baterías de placa plana tienen un buen comportamiento, mejor incluso que las baterías tubulares, ante una situación de trabajo como la descrita.
CONCLUSIONES FINALES
Una vez leído este documento cada persona sacará sus propias conclusiones, de hecho, el motivo fundamental de todo lo expuesto en el blog es ese, que cada cual extraiga las suyas propias.
Por lo que se refiere a las mías, la principal es la siguiente: NO existe la “batería perfecta”, por lo que es tarea del diseñador del sistema decidir qué tipo de batería es la más apropiada para cada aplicación.
En esto de decidir qué tipo de componente es el más apropiado para cada aplicación, tiene mucha similitud con los artesanos de antaño, sirva de ejemplo mi abuela, que era panadera, y que hacía muy buen pan y muy buenas empanadas, como buena gallega que era, y no lo digo solo yo, lo decía la gran mayoría de la gente del pueblo. El secreto estaba en la selección de los ingredientes y, aquí radica la diferencia, el “toque final” de cada artesano que discriminaba “los buenos” de “los excelentes”.
Otra conclusión a destacar es que, por lo general, la duración de las baterías cuyas placas sean de tecnología tubular, será superior a las baterías de placa plana y por tanto se recomienda su uso en ese tipo de instalaciones.
Siempre que sea posible, se recomienda que la profundidad de descarga diaria no sobrepase el 15% medido en C10 y/o 70% medido en C100, para prolongar la vida útil de las baterías.
En cualquier instalación real, el comportamiento de las baterías será, en el mejor de los casos, una combinación de las pruebas de ciclado expuestas o de cualquier otra de las varias que existen, por lo que, como hemos recalcado, es sumamente complejo pronosticar con precisión cuánto va a durar la batería seleccionada para nuestra aplicación concreta.
A la hora de tomar la decisión de qué tipo de batería debemos de instalar en una aplicación concreta deben de tenerse en cuenta, al menos, los siguientes criterios de selección:

·         Tipo de aplicación y perfil de las cargas
·         Máxima capacidad según el régimen de descarga previsto
·         Resistencia interna según el régimen de carga
·         Densidad energética
·         Días de autonomía
·         Tamaño y peso
·         Variabilidad en el perfil de descarga
·         Posibilidad o no de Gaseo
·         Máxima capacidad de descarga permitida
·         Posibilidad de congelación del electrolito
·         Profundidad de descarga diaria
·         Tolerancia a la sulfatación
·         Accesibilidad del emplazamiento
·         Concentración necesaria del electrolito
·         Condiciones medioambientales y temperatura
·         Disponibilidad de sistema de apoyo (back up)
·         Requerimientos de mantenimiento
·         Calidad de la marca seleccionada
·         Electrolito inmovilizado o no
·         Coste y garantías
·         Régimen de autodescarga


A modo de resumen de las ventajas y desventajas según el tipo de batería y la instalación tipo para las que serían apropiadas dejo la siguiente tabla:

Tipo de Batería
Ventajas
Inconvenientes
Tipo de instalaciones adecuadas para su utilización
Plomo-Ácido inundadas



Aleación Plomo-Antimonio en el material constituyente de las placas y rejilla.
De bajo coste, ampliamente disponibles, buena aceptación de ciclados profundos, buen comportamiento a altas temperaturas, posibilidad de reposición del electrolito
Necesitan un gran mantenimiento debido a la pérdida de agua del electrolito
Instalaciones en zonas “templadas” en las que el perfil de las cargas varíe ligeramente en función de la estación del año, en las que el acceso sea relativamente sencillo y en las que el componente económico sea un limitante.
Aleación Plomo-Calcio en el material constituyente de las placas y rejilla de tipo “abiertas”.
De bajo coste, ampliamente disponibles, escasa pérdida de agua del electrolito, posibilidad de reposición del electrolito.
Escasa aceptación a ciclados profundos, mal comportamiento a altas temperaturas y a las sobrecargas.
Instalaciones en zonas “templadas” en las que el perfil de las cargas no varíe prácticamente en función de la estación del año, en las que el acceso sea complicado y en las que el componente económico sea un limitante.
Aleación Plomo-Calcio en el material constituyente de las placas y rejilla de tipo “selladas”.
De bajo coste, ampliamente disponibles, escasa pérdida de agua del electrolito.
Escasa aceptación a ciclados profundos, mal comportamiento a altas temperaturas y a las sobrecargas, no se puede reponer el electrolito.
Instalaciones en zonas “templadas” en las que el perfil de las cargas no varíe prácticamente en función de la estación del año, en las que no se prevea mantenimiento hasta su reposición y en las que el componente económico sea un limitante.
Aleación híbrida Plomo-Antimonio/calcio
De coste algo mayor a las anteriores, escasa pérdida de agua del electrolito.
Disponibilidad limitada, grandes posibilidades de estratificación del electrolito.
Instalaciones en zonas de largos inviernos, en las que el perfil de las cargas varíe ligeramente en función de la estación del año, en las que el acceso se prevea complicado y en las que económicamente se pueda utilizar algo más de recurso.
Plomo-Ácido de electrolito inmovilizado



Gelificadas
De coste medio, escaso o nulo mantenimiento, menor probabilidad de congelación del electrolito, se pueden colocar en posición horizontal.
Buena tolerancia a ciclados profundos, no tolera sobrecargas ni las altas temperaturas, disponibilidad limitada.
Instalaciones en zonas “frías” en las que el perfil de las cargas varíe moderadamente en función de la estación del año, en las que el acceso sea relativamente sencillo y en las que económicamente se pueda utilizar algo más de recurso.
Electrolito absorbido
De coste medio, escaso o nulo mantenimiento, menor probabilidad de congelación del electrolito, se pueden colocar en posición horizontal.
Buena tolerancia a ciclados profundos, no tolera sobrecargas ni las altas temperaturas, disponibilidad limitada.
Instalaciones en zonas “frías” en las que el perfil de las cargas varíe moderadamente en función de la estación del año, en las que el acceso sea relativamente sencillo y en las que económicamente se pueda utilizar algo más de recurso.
Niquel-Cadmio



Sintered-Plate Selladas
Amplia disponibilidad, excelente comportamiento a bajas y altas temperaturas, libre de mantenimiento.
Normalmente disponible para bajas capacidades, caras, sufren el denominado “efecto memoria”.
Instalaciones en cualquier zona geográfica en las que el perfil de las cargas sea prácticamente constante a lo largo del año, para zonas remotas en las que no se prevea ningún tipo de mantenimiento hasta su sustitución, en las que económicamente se pueda utilizar algo más de recurso.
Pocket-Plate inundadas
Excelente comportamiento a ciclados profundos así como a bajas y altas temperaturas, toleran la sobrecarga.
Disponibilidad limitada, caras, necesidades de mantenimiento mediante adiciones de agua.
Instalaciones en cualquier zona geográfica en las que el perfil de las cargas varíe notablemente a lo largo del año, para zonas remotas en las que se prevea realizar mantenimientos de no mucha frecuencia, en las que económicamente se pueda utilizar algo más de recurso.


1 comentario:

  1. La energía solar es uno de los métodos más beneficiosos de producción de energía en la actualidad porque es una inversión que favorece en el tiempo y que además ayuda al ambiente que tanto nos necesita. La utilización de otros tipos de energía están acabando con la vida natural del mundo y una de las soluciones más prácticas es cambiar esos tipos de energía como una muestra de apoyo a las generaciones futuras. En http://www.enlight.mx observamos la importancia del uso de este tipo de energía solar para la conservación del ambiente.

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