Almacenamiento de energía
Amarillo - Potencia FV potencial en un día soleado.
Gris - Potencia FV potencial en un día parcialmente nublado.
Azul - Potencia FV potencial en un día lluvioso. El naranja representa las necesidades energéticas de los usuarios tipotéticos. Ninguna de las líneas de producción se alinea con las necesidades energéticas de los usuarios.
Los sistemas FV producen energía cuando brilla el sol, pero su producción varía significativamente según la temporada y si está nublado o lloviendo. Adémas, existe la inevitable realidad de la puesta de sol cada día. La producción variable requiere almacenamiento de energía para proporcionar una fuente de energía y voltaje estables cuando la fuente FV no está produciendo energía para satisfacer la demanda de energía. La forma más común de almacenamiento en aplicaciones autónomos son las baterías. Las baterías recargables se basan en reacciones químicas para liberar energía cuando se necesita, pero pueden funcionar en reversa cuando la batería se carga para almacenar energía. Hay muchos tipos y tamaños diferentes de baterías en el mercado. Este es el caso porque no existe un solo tipo de batería que sea superior en todas las aplicaciones. Cada tipo de batería utiliza diferentes combinaciones de materiales que tienen diferentes ventajas y desventajas. Todos los diseños de baterías inevitablemente deben equilibrar las siguientes características:
- Número de ciclos (vida útil)
- Costo
- Energía específica (capacidad energética relativa al tamaño)
- Potencia específica (capacidad de potencia relativa al tamaño)
- Seguridad para usuarios
- Rendimiento en condiciones variables
- Mantenimiento
Por ejemplo: Una batería puede tener una vida útil prolongada y ser capaz de soportar grandes cargas, pero será grande y pesada o costará demasiado. Una batería puede suministrar mucha energía y ser de tamaño relativamente pequeño, pero no tendrá una vida útil prolongada. Por lo tanto, se debe elegir una batería en función de la aplicación particular. Un tipo de batería será apropiado para una radio portátil y otro tipo será apropiado para almacenamiento en un sistema FV. Los sistemas FV a pequeña escala con baterías generalmente se basan en lead acid batteries, ya que son un buen compromiso entre todos estos diferentes factores.
Cada tipo de batería tiene condiciones específicas de uso que deben seguirse. Es muy importante leer el manual del usuario y la hoja de especificaciones de cualquier batería que se esté considerando para asegurarse de que sea adecuada para el uso previsto. No elegir la batería correcta o no usarla correctamente puede dañar el equipo o causar lesiones.
El sistema de almacenamiento de energía para un sistema fuera de la red debe dimensionarse y seleccionarse en función de la Evaluación de cargas para un sitio en particular; consulte Dimensionamiento y selección del sistema de almacenamiento de energía para obtener más información.
Características de baterías
Las tres características más importantes a la hora de elegir una batería son:
Voltaje
Las baterías están clasificadas con un voltaje nominal (Vn). Esta tensión se denomina tensión nominal ya que el voltaje de las baterías varía constantemente dependiendo de si se están cargando o descargando, su estado de carga y el Temperatura de celda.
Capacidad de almacenamiento
La capacidad de almacenamiento de energía de una batería se expresa en amperios-hora (Ah). o vatios-hora (Wh). 1 amperio-hora es igual a 1 amperio de corriente transferida durante el transcurso de una hora, que es el método de clasificación estándar utilizado para las baterías de plomo-ácido. En el sector FV, es cada vez más común clasificar las baterías en vatios-hora porque es más fácil comprender la capacidad total de almacenamiento de un sistema de almacenamiento de energía. Para poder comparar la capacidad de almacenamiento de un sistema con las cargas potenciales, es necesario convertir de amperios-hora a vatios-hora. La fórmula es simple:
| Capacidad de almacenamiento | = amperios-hora (Ah) × voltaje nominal (Vn) |
|---|
Ejemplo 1: Hay una batería de 12 V 120 Ah. ¿Qué es la capacidad de la batería?
- Capacidad de almacenamiento = 12 V × 120 Ah
- Capacidad de almacenamiento = 1440 Wh
Ejemplo 2: Hay dos baterías conectadas que son de 12 V y 60 Ah. ¿Qué es la capacidad del banco de baterías?
- Capacidad de almacenamiento = 12 V × 60 Ah × 2 baterías
- Capacidad de almacenamiento = 1440 Wh
Ciclos de vida
Los ciclos de vida es el número de ciclos de carga y descarga que puede proporcionar un tipo de almacenamiento de energía antes de que el rendimiento disminuya hasta el punto de que no pueda funcionar como se requiere. Los ciclos de vida o longevidad, de todas las baterías depende de los siguientes factores:
Usando las baterías
La vida útil de una batería depende en gran medida de cómo se carga, descarga, mantiene y en qué condiciones se usa.
Estado de carga (SoC)
El estado de carga (SoC) de una batería es la cantidad total de su capacidad de almacenamiento que permanece disponible para su uso. Es importante que los usuarios del sistema comprendan cuánta energía queda para usar para evitar dañar la batería al extraer demasiada energía. Por ejemplo, si se ha utilizado el 25% de la capacidad de una batería, su estado de carga será del 75%. Una batería AGM de 12 V completamente cargada tendrá un voltaje de alrededor de 12,8 V y vacía tendrá un voltaje de alrededor de 10,5 V. Si una batería se está descargando, su voltaje caerá y si se está cargando su voltaje aumentará. Con un sistema FV, que se carga y descarga constantemente, esto puede hacer díficil medir el estado de carga a base de su voltaje. No obstante, los usuarios de muchos sistemas basados en baterías a pequeña escala no tienen otra opción que utilizar el voltaje del sistema como guía. Para obtener una medición precisa del estado de carga, existen tres opciones:
- El método ideal para medir el estado de carga de una batería es usar un dispositivo llamado shunt. Un shunt es un dispositivo que puede medir la cantidad de corriente que entra y sale de la batería para estimar su capacidad disponible.
- Desconectar todas las cargas y fuentes de carga y luego esperar tres horas para que el voltaje se estabilice.
- El estado de carga de una batería de plomo-ácido inundada se puede tomar utilizando un dispositivo especializado llamado hidrómetro que mide la solución de electrolito en el interior la batería. Estos dispositivos no están disponibles en todas partes y si se usan incorrectamente pueden ser peligrosos ya que la solución de electrolito dentro de una batería es muy ácida.
Profundidad de descarga (DoD)
La profundidad de descarga es la inversa del estado de carga: es la cantidad de la capacidad de almacenamiento que se ha sido usado. La profundidad de descarga es importante al diseñar sistemas FV, ya que determina el tamaño del sistema de almacenamiento de energía y cuántos ciclos durará. Las baterías de plomo-ácido no toleran descargas profundas regulares; una batería de plomo-ácido típica no debe descargarse más del 50% con regularidad, ya que acortará en gran medida su vida útil. Las baterías de litio son mucho más tolerantes a los ciclos profundos regulares. La energía utilizable real en el banco de baterías se calcula de la siguiente manera:
| Energía utilizable | = Capacidad de almacenamiento × profundidad de descarga |
|---|
Ejemplo 1: Hay un banco de baterías con 1440Wh de capacidad, pero el sistema solo está diseñado para llegar a una profundidad de descarga del 40%. ¿Cuánta energía utilizable hay?
- Energía utilizable = 1440 Wh × ,4
- Energía utilizable = 576 Wh
Cargando correctamente
Todas las baterías de plomo-ácido tienen una corriente de carga máxima y un voltaje de carga máximo basado en la temperatura de la batería. Baterías de litio son menos afectados por la temperatura. El PV source debe estar diseñado para suministrar una corriente de carga que no esté por debajo de la tasa de carga mínima recomendada por el fabricante y que no esté por encima de la tasa de carga máxima recomendada por el fabricante. Una batería debe estar emparejada con un controlador de carga que está diseñado para ser usado con ese tipo de batería. Cada marca y modelo de batería individual tiene sus propias características específicas que deben programarse en el controlador de carga.
Exceder la tasa de carga máxima de una batería puede provocar daños irreparables o, en el peor de los casos, un evento de fuga térmica que podría provocar un incendio. Deben respetarse los límites máximos de carga.
Descargando correctamente
Todos los tipos de baterías tienen una clasificación de corriente de descarga continua máxima que debe respetarse. El inversor en un sistema FV fuera de la red, el inversor debe ser tamaño apropiado para que este valor no se exceda. Las sobretensiones y las cargas pesadas que operan solo brevemente (varios minutos) pueden exceder este valor sin ningún problema.
Temperatura de celda
El calor afecta en gran medida el rendimiento y acorta el ciclo de vida de las baterías de acido-plomo. Se estima que por cada 10°C de aumento en la temperatura promedio por encima de los 25°C, la vida útil de las baterías se acorta a la mitad. Esto significa que operar una batería de plomo-ácido durante un mes a 35°C es equivalente en términos de vida útil de la batería a operar la batería durante dos meses a 25°C [1].
Mantenimiento
Cada tipo de batería tiene requisitos de mantenimiento específicos, y esto se convierte en un factor importante al seleccionar las baterías. Si un banco de baterías no se mantiene adecuadamente, puede destruirse rápidamente, pero las baterías que no requieren mantenimiento suelen costar mucho más y pueden tener una vida útil más corta.
Seguridad
Las baterías suelen contener materiales muy peligrosos. Es importante conocer las precauciones adecuadas que se deben tomar cuando se trabaja con cualquier batería y usar equipo de protección personal cuando sea necesario. Esta información debe estar disponible en el manual del usuario y la hoja de especificaciones de la batería.
Para leer sobre seguridad eléctrica con baterías - consulte Seguridad eléctrica con baterías
Reciclaje
Dado que las baterías contienen materiales peligrosos, deben desecharse correctamente. Las baterías de plomo-ácido se pueden reciclar en casi cualquier parte del mundo y, a menudo, hay un depósito para su devolución, ya que contienen materiales valiosos. Otros tipos de baterías como baterías de litio son más difíciles de reciclar en lugares remotas; consulte al fabricante de la batería para obtener más información.
Notas/referencias
- ↑ 1.0 1.1 Trojan AGM product line sheet https://energypedia.info/images/7/78/Fundamentals_of_the_Recycling_of_Lead-Acid_Batteries.pdf
Hydrowires - Energy Storage Technology and Cost Characterization Report
Isidor Buchman - Batteries in a Portable World
Thomas Reddy - Linden's Handbook of Batteries, 4th Edition
