Vida y ciclaje del acumulador - Arturo Lara

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7. Vida y ciclaje del acumulador
La materia activa, los componentes constructivos, la temperatura ambiente y de
operación, la frecuencia y la profundidad de las cargas y descargas (ciclaje), y los
métodos de carga influyen considerablemente en la capacidad del acumulador y
en la vida del mismo. Si bien los fabricantes nos pueden facilitar otros datos sig-
nificativos de envejecimiento o de aceptación de carga, nosotros vamos a expo-
ner los factores decisivos que se deben tener en cuenta:
· Temperatura: tanto la temperatura ambiente como la de operación influyen en
la autodescarga y en la capacidad. La autodescarga aumenta con la temperatu-
ra. A elevadas temperaturas aumenta la capacidad y disminuye la vida de la ba-
tería. Sin embargo a muy bajas temperaturas disminuye la capacidad y existe la
posibilidad de congelación, de ahí que en climas agresivos se utilice electrólito
de mayor densidad que disminuye el punto de congelación.
· Profundidad de descarga (DOD) de una batería se define como el tanto por
ciento de la capacidad que se ha sacado de la batería en un ciclo comparada con
la capacidad a plena carga. Por ejemplo, si tenemos un acumulador de 100 Ah
y le sometemos a una descarga de 20 Ah esto representa una profundidad de
descarga del 20%. Los reguladores (véase unidad 3) incluyen las protecciones
contra descargas excesivas para mantener un nivel mínimo de carga de 20-30%
de la capacidad nominal.
Las baterías utilizadas en el arranque de automóviles son de ciclo poco pro-
fundo y al 1 5% DOD tienen una vida de 500-1.000 ciclos.
Las baterías utilizadas en ISFTV son de ciclo profundo que aguantan grandes
descargas, DOD del orden del 80%, y proporcionan del orden de 1.500 ciclos.
Si la profundidad de descarga (DOD} solo llega al 25% pueden dar hasta unos
4.000 ciclos.
· Estado de carga (SOC) de una hatería se define como el tanto por ciento de la
capacidad disponible en la batería comparada con la capacidad nominal a ple-
na carga. Una batería totalmente cargada está al 100% del SOC y como sabe-
mos se refleja en la alta densidad del electrólito y en una mayor temperatura del
mismo. El DOD y el SOC son complementarios pues sumados tienen que dar
siempre el 100% de la capacidad nominal. Siempre hay que atender las especi-
ficaciones de los fabricantes, que por otro lado, suelen recomendar reemplazar
la batería cuando no recupera el 80% de la carga.
A la hora de efectuar la carga del acumulador, sobre todo con el método a in-
tensidad constante, se utiliza el concepto de coeficiente de carga como la re-
lación que existe entre la capacidad necesaria para cargar totalmente el acu-
mulador y la capacidad que ha sido extraída del mismo. Para un acumulador
de Pb-ácido está comprendido entre 1,1a 1,25. Para una acumulador de ní-
quel-cadmio puede llegar el coeficiente de carga hasta 1,4 según tipo y fabri-
cante. *
· Profundidad de descarga máxima (PDmíix) de una batería se define como el tan-
to por ciento de la capacidad que se ha sacado de la batería al final del periodo
de autonomía fijado en comparación con la capacidad nominal a plena carga.
El periodo de autonomía se entiende como el número de días durante los cua-
les la batería ha de ser capaz de abastecer el consumo del circuito de utilización,
en ausencia total de generación fotovoltáica. Se introduce aquí el concepto de
v cabulario
Español - Inglés
Profundidad de descarga:
Deep Of Discharge (DOD).
Estada de carga:
State OfCharge (SOC).
v cabulario
San: copolímero de estireno
y acrilonitrilo
Es un termoplástico copolímero de
estireno (poliestireno) y de acriloni-
trilo, La composición más habitual
del san es de un 65 a 80% de esti-
reno y, el resto de acrilonitrilo. El
estireno es un material incoloro,
transparente, de olor dulce y apa-
riencia aceitosa; insoluble en agua
y soluble en alcoholes éter; alta-
mente inestable e inflamable. El
acrilonitrilo es un compuesto tóxi-
co e inflamable, muy volátil, inco-
loro; de olor penetrante que afec-
ta al sistema nervioso y a los pul-
mones, explosivo en contacto con
el aire,
Separador
Espacio entre electrodos de distin-
ta polaridad con permeabilidad
iónica y aislamiento electrónico,
decimos electrónico y no eléctrico
para hacer énfasis que el separador
es aislante de los electrones.
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Unidad 2
periodo de autonomía en Lugar de ciclo porque fijados los días de autonomía (A) y la profundidad de descarga máxima (PDmáx) se puede calcular la capacidad de la batería (Cn) a partir del consumo medio diario (Qj), mediante la fórmula:
[10]
. Qd-A
PDmiíx
Cn:	capacidad nominal de la batería (Ah).
Q(:	consumo medio diario (Ah/día).
A:	periodo de autonomía (días).
PDmáx= profundidad de descarga máxima (en tanto por uno).
v cabulario
Sobrecarga
Carga continua que se realiza en una batería después de haber alcanzado el 100% de su capacidad.
Sobretensión
Diferencia de potencial entre el potencial de equilibrio de un electrodo y el que tiene por el paso de una corriente eléctrica.
Se suele tomar en aplicaciones de viviendas un PDmáx = 0.7 y en aplicaciones profesionales se es más exigente poniendo un valor de 0,5.
En esta fórmula hemos considerado que el rendimiento de La batería y regulador es del 100%, pero en el dimensionado de los proyectos hay que tenerlo en cuenta. Como se puede ver en el apartado 2.4 de la unidad 4, el rendimiento típico del conjunto batería y regulador de carga (T[rb) es de un 80%. A esto se añade el rendimiento del inversor (T)¡nv) s¡ cl consumo se realiza en c.a., que suele tener un valor típico del 85%. Despreciando las pérdidas en los conductores, el rendimiento final (r|rb-inv) sería el producto de los dos rendimientos anteriores que suele estar en tomo al 68...70%.
Como vemos, según esta fórmula [10], en ISFTV el producto del consumo medio diario por los días de autonomía, es el principal parámetro que determina el tamaño de la batería de acumuladores y por tanto la capacidad.
Las ISFTV autónomas con acumulación se diseñan para un número de días de autonomía que depende de la utilización y el lugar. Nosotros utilizamos los datos orientativos de tabla 4-1 en unidad 4, donde se indica que, por ejemplo, para Madrid en uso doméstico la autonomía es de 5 días.
A mayor número de días de autonomía, mayor capacidad y por tanto será menor el porcentaje utilizado cada día para un ciclo diario típico. En este tipo de instalaciones los ciclos medios son poco profundos, aunque es recomendable la utilización de baterías de ciclo profundo a pesar de que el ciclado diario sea del orden del 10-15%. Con baterías de ciclo poco profundo se obtiene una vida más corta y, además, no pueden ofrecer el suministro de caídas estacionales largas no previstas en días muy nublados por falta de irradiación.
Por otro lado, con el concepto de profundidad de descarga máxima (PDm¿¡x)> los días de autonomía (A) y el tiempo de uso diario (tj), se puede calcular el final del periodo de autonomía (ía) para el que consideramos la batería descargada desde el punto de vista de suministro al circuito de utilización. Es decir:
r. 11 A ' ÍJ
[11] ÍA ñry
1 c-'max
• Dimensionado de la capacidad de la batería en un circuito de ISFTV: como en todo dimensionado de circuito eléctrico debemos de partir de la previsión de cargas o inventario de los consumos eléctricos previstos, tal y como se indica en el apartado 2.4 de la unidad 4, donde se trata el conjunto de sistema de ISFTV con acumulación. Para el correcto dimensionado de la batería es suficiente con el resumen del inventario de consumos: potencia (P) y energía media diaria (%’j), tensión nominal de la batería de acumuladores (Un) según la tabla 4.2, autonomía (A) y rendimiento batería, regulador e inversor (Tjrb_inv) si este último es necesario.
Baterías y acumuladores
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EJEMPLO
Calcular la capacidad de la batería e indicar el tipo a instalar según estos datos: potencia (P = 894 W), energía media diaria (Wj = 2.105 Wh), tensión nominal (Un = 24 V), autonomía (A = 5 días), rendimiento batería, regulador e inversor (t]rb-inv = 68%), profundidadde descarga (PDmáx = 70%) y las tablas facilitadas en el Mundo Técnico.
Solución:
a) Consumo medio diario: Qd = Wd/Un = 2.105 (Wh)/(24V) = 87,7 Ah/día
b) Capacidad según (considerando el rendimiento) [10]:
Cn = (Qd • A) / (PDmííI ■	= 87,7 ■ 5 /0,7 ■ 0,68 = 921,21 Ah
c) Tiempo de uso diario (tj), lo sacamos del inventario de consumo:
td = W¿/P = 2.105/894 = 2,354 h
d) Tiempo final del periodo de autonomía según [11]:
tA = (A • td)/PDmáx = 5 • 2,354/0,7 = 16,81 h
Por tanto, debemos elegir una batería que tenga una capacidad de Cn = 921,21 Ah y con un régimen de descarga al menos de C16,81. Estas condiciones las cumple el Tipo OPzS Solar 1320 que nos da C = 1.030 Ah con un régimen de descarga C24. Valores un poco superiores a los calculados pero dentro de la tolerancia que nos permite cumplir aproximadamente las condiciones de cortocircuito del generador fotovoltaico como se indica en la unidad 4.
v cabulario
Tensión en circuito abierto
Diferencia de potencial entre los bornes de una batería cuando se encuentra en circuito abierto.
Tensión final de descarga
Tensión de la batería a la que finaliza la descarga. Su valor es función de la intensidad de descarga.
Como se justifica en la unidad 4, hay que tener mucho cuidado en el dimensionado de la capacidad del sistema de acumulación, pues si se dimensiona por defecto nos encontraremos con la rápida descarga total de las haterías antes de cumplir con el tiempo de autonomía previsto. Por otro lado, si se dimensiona en exceso, el generador fotovoltaico nunca llegará a cargar las baterías con lo que se acelera el proceso de envejecimiento por sulfatación.
· Métodos de carga: existen métodos de carga a tensión constante (U), a intensidad constante (la), a tensión e intensidad constante (IU), a tensión creciente (Wa) y métodos combinados según tipo de acumulador, de fabricante y de regulador.
· Tensión constante (U): se realiza a un valor fijo de tensión y la intensidad disminuye a medida que se carga siguiendo la trayectoria indicada en la figura 2.18 a). Es peligroso utilizar un valor elevado de tensión sin control de la temperatura porque a medida que aumenta esta se produce una disminución de la resistencia interna y un aumento de la intensidad que por efecto Joule vuelve a aumentar la temperatura y así sucesivamente llegando a producir la explosión de la batería. Este fenómeno se llama embalamiento térmico.
v cabulario
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Embalamiento térmico: termal runway.
Método de carga: load method.
<- Figura 2.18. Curvas de carga:
a) Tensión constante (LJ). b) Inten-
sidad constante (I«)
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Unidad 2
v cabulario
Termodinámica
Parte de la Física que trata de los fenómenos relacionados con la energía térmica y de las leyes que rigen la transformación de ésta en energía mecánica, y viceversa,
· Intensidad constante (la): las curvas de tensión e intensidad siguen la trayectoria que se indica en la figura 2.18b). Este método es útil cuando se conoce la capacidad que la batería ha suministrado pues de esta forma se puede calcular la capacidad restituida. Debe existir siempre una desconexión automática por l iempo de carga. El criterio de carga tiene cn cuenta el coeficiente de carga descrito más arriba.
· Tensión c intensidad constante (IU): con este método el acumulador se carga a intensidad constante basta alcanzar la tensión el valor de gasificación. A partir de este punto la tensión permanece constante y la intensidad disminuye según la curva que se indica en la figura 2.19a). Permite acortar cl tiempo de carga pues la intensidad puede ser alta ya que al permanecer constante el valor de la tensión se minimizan los daños por gaseo. Empleado cn baterías OPzS.
· Tensión creciente (Wa): este método se basa en ir disminuyendo la intensidad a mediada que aumenta la tensión como se indica en la figura 2.19b). La carga se realiza con un valor alto de intensidad y cuando se alcanza la tensión de gasificación prefijada se reduce en un 50%. Se suele aplicar en baterías de tracción.
i Figura 2.19. Curvas de carga: a) Tensión e intensidad constante (II b) Tensión creciente (Vñi).
El control del funcionamiento de los reguladores con microprocesadores permite utilizar estrategias complejas y precisas para controlar los procesos de carga-descarga de los acumuladores (véase unidad 3).