Banco de Baterías o Acumuladores

El banco de baterías o acumuladores, es un componente esencial en muchas instalaciones fotovoltaicas, especialmente en aquellas que operan de manera aislada de la red eléctrica o que requieren un respaldo energético.

Su función principal es almacenar la energía generada por los paneles solares para su uso posterior, permitiendo así un suministro constante de electricidad incluso cuando no hay producción solar, como durante la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.

Además, proporcionan una corriente superior a la que los paneles fotovoltaicos pueden entregar. Esto puede ser útil para el caso de un motor, que en el momento del arranque puede demandar una gran corriente.

Existen varios tipos de baterías que se pueden utilizar en un banco de acumuladores, cada una con características específicas en términos de capacidad, durabilidad, rendimiento y coste. Los tipos más comunes son: baterías de Plomo-Ácido y baterías de Litio-Ion.

El correcto diseño de un banco de baterías es fundamental en el cálculo de instalaciones fotovoltaicas, lo que implica considerar varios parámetros críticos de las baterías seleccionadas.

Además, el banco de baterías debe ser configurado adecuadamente para cumplir con las necesidades energéticas de la instalación. Esto incluye determinar la combinación correcta de baterías en serie y paralelo para alcanzar la tensión y capacidad requeridas.

El mantenimiento adecuado del banco de baterías es fundamental para garantizar su rendimiento y prolongar su vida útil. En todos los tipos de baterías, es importante evitar sobrecargas, descargas profundas excesivas y mantener las baterías a temperaturas óptimas para evitar la degradación prematura.

Aunque la implementación del banco de baterías representa un coste adicional, las ventajas en términos de independencia energética y seguridad lo hacen una opción atractiva para muchos sistemas solares.

Tipos de Baterías

La elección de la batería adecuada para un sistema fotovoltaico es importante para garantizar su eficiencia y durabilidad. Las baterías solares se clasifican principalmente en dos categorías: baterías de plomo-ácido y baterías de litio.

Baterías de Plomo-Acido

Las baterías de plomo-ácido son las más tradicionales y se dividen en 2 tipos principales: plomo-ácido abiertas (OPzS) y plomo-ácido selladas (VRLA).

● Baterías de plomo-ácido abiertas (OPzS): disponen de células individuales rellenables con agua destilada, requieren mantenimiento regular y son susceptibles a la sulfatación.

Tienen como ventajas su alta capacidad y un bajo coste inicial. Como principales desventajas, requieren mantenimiento, tienen vida útil limitada y una alta tasa de autodescarga.

Se suelen usar en sistemas estacionarios de gran capacidad, como telecomunicaciones y sistemas de respaldo de energía. Las instalaciones estacionarias hacen referencia a instalaciones que no se mueven de su ubicación.

● Baterías de plomo-ácido selladas (VRLA): no es necesario rellenarlas con agua destilada, no requiriendo mantenimiento regular. Son de larga vida útil y alta eficiencia.

Hay 2 tipos principales:

– AGM (Absorbent Glass Mat): utilizan un separador de fibra de vidrio que absorbe el electrolito. Son las más comunes y económicas.

– Gel: el electrolito se encuentra en estado de gel, lo que proporciona mayor seguridad y rendimiento.

Tienen como ventajas una menor tasa de autodescarga y mayor seguridad. Como principales desventajas, tienen un precio más elevado que las baterías abiertas.

Se suelen usar en sistemas residenciales, comerciales y de pequeña escala.

Baterías de Litio

Utilizan compuestos de litio como material activo, lo que les confiere una alta densidad energética, larga vida útil y baja tasa de autodescarga. Las baterías de litio son una opción relativamente nueva en el mercado de baterías solares.

A diferencia de las baterías de plomo-ácido, ofrece una tasa de autodescarga mucho más baja y una mayor eficiencia energética, disponiendo de un electrolito no líquido. Son las que pueden soportar mejor las vibraciones y movimientos.

Tienen como ventajas una alta eficiencia, larga vida útil, alta densidad energética y un bajo peso. Como principales desventajas, tienen un precio muy elevado.

Se suelen usar en sistemas residenciales, comerciales, eléctricos y aplicaciones móviles donde el peso y el espacio son limitados.

Características Técnicas de las Baterías Solares

Los parámetros más importantes de una batería solar son:

Capacidad de una Batería

La capacidad C de una batería es la cantidad de electricidad que puede almacenar y suministrar. Se mide en amperios-hora (Ah). La capacidad de una batería es:

donde:

C = capacidad (Ah)

I = corriente de descarga (A)

t = duración de la descarga (s)

Ejemplo: Si una batería tiene una capacidad de C = 300 Ah, ¿Cuánto tiempo tardaríamos en descargarla si la descargamos con una corriente de 3 A? ¿Y si la descargamos con 30 A?

Teóricamente, si la descargamos con una corriente de 3 A, tardaríamos 100 horas en descargarla.

Si la descargamos con 30 A tardaríamos 10 horas. En ambos casos, con el producto de la corriente I por el tiempo t, se obtiene el valor de la capacidad C = 300 Ah.

Realmente esto no es así: la capacidad no es fija y varía según la corriente de la descarga. En general, si descargamos una batería lentamente (a baja corriente), la capacidad será superior a si la descargamos rápidamente (a una corriente más elevada).

Tasas de Descarga de una Batería

Por lo que hemos visto, es necesario definir varias capacidades para una misma batería. Generalmente los fabricantes proporcionan la capacidad de una misma batería para diferentes regímenes de descarga o tasas de descarga, usualmente para 100 h, 20 h o 10 h. Estos valores se indican como C100, C20 o C10, respectivamente.

Ejemplo: A continuación se muestra un ejemplo de un fabricante de baterías:

Se observa claramente que al descargarla más rápido (al aumentar la corriente de descarga), la capacidad disminuye. Por ejemplo, para la primera batería de la tabla:

– Para una descarga lenta de 100 horas, la capacidad es C₁₀₀ = 290 Ah, correspondiéndole una corriente baja de descarga de I = 2,9 A.

– Si la descarga es más rápida de 20 horas, la capacidad ha disminuido a C₂₀ = 225 Ah, pues se está descargando a mayor corriente de I = 11,25 A.

– Y para una descarga rápida de 10 horas, la capacidad baja hasta C₁₀ = 210 Ah, ya que se está descargando a una corriente grande de I = 21 A.

En las instalaciones solares fotovoltaicas la descarga no suele ser brusca, por ello, en los cálculos se utilizará como norma general la capacidad de 100 horas C₁₀₀ (Ah). No obstante, será el proyectista el que decida la capacidad más conveniente.

En el caso de las baterías solares, cuando se indica el valor de su capacidad nominal C_N, se suele referir a un régimen de descarga de 100 h y a una temperatura ambiente de 25˚C.

Voltaje Nominal de una Batería

El voltaje nominal es el valor normal o de referencia de la tensión en bornes de la batería. Es un valor establecido por el fabricante que representa la tensión eléctrica que la batería puede suministrar en condiciones normales de funcionamiento.

El voltaje de una batería no es siempre constante. Varía principalmente con el porcentaje de carga y con la temperatura. Cuando una batería está totalmente cargada, si no está suministrando corriente, su tensión es superior ala tensión nominal. En cambio, cuando está descargada, su tensión es inferior a la nominal.

Por ello, el voltaje nominal es un valor teórico fijo que se utiliza para el diseño y la comparación de baterías. La mayoría de las baterías solares tienen un voltaje nominal de 12V, 24V o 48V.

Ciclos de Vida de una Batería

Es el número de ciclos de carga y descarga que una batería puede soportar antes de que su capacidad de almacenamiento se degrade significativamente. Este valor puede variar según la profundidad de descarga y otros factores, como la temperatura y la tasa de carga y descarga.

Profundidad de Descarga de una Batería

La profundidad de descarga es el porcentaje de la capacidad total de la batería que es utilizada durante un ciclo de carga/descarga. Por ejemplo, si una batería de 100Ah se descarga hasta bajar a una capacidad de 30Ah, la profundidad de descarga sería del 70% (se ha descargado 70 Ah). El fabricante nos da el valor máximo aconsejado.

En general, cuanto mayor sea la profundidad a la que se descargue la batería, menor será el número de ciclos de carga/descarga que la batería podrá tener a lo largo de su vida útil.

Con los ciclos de carga/descarga, la batería va perdiendo propiedades y, en consecuencia, la capacidad máxima que puede alcanzar será menor. Generalmente, si la batería se descarga a un ritmo más lento, su capacidad aumentará ligeramente, así como su vida útil.

Rendimiento de una Batería

El rendimiento determina su capacidad de almacenar y liberar energía solar de manera eficiente, lo que influye en su aprovechamiento de la energía generada. Puede dividirse en 2 categorías:

– Rendimiento de carga: indica cuánta energía solar puede almacenar la batería de manera eficiente. Por ejemplo, un rendimiento del 90% significa que el 90% de la energía solar se convierte y almacena correctamente.

– Rendimiento de descarga: se refiere a cuánta energía puede liberar la batería de manera eficiente cuando se necesita. Por ejemplo, un rendimiento del 95% indica que el 95% de la energía almacenada se puede utilizar eficazmente.

Estos porcentajes pueden variar según la tecnología de la batería y otros factores. El rendimiento puede ser mayor al 95%, pero disminuye con el uso de la batería, con las descargas fuertes o con las bajas temperaturas, en cuyo caso el rendimiento podría bajar del 90%.

Temperatura de Funcionamiento de una Batería

Es la temperatura en la que la batería funciona de manera óptima. La capacidad de la batería se da a temperatura ambiente de 25°C, pero se ve muy influenciada por la temperatura.

Cada batería solar tiene un rango de temperatura de funcionamiento recomendado por el fabricante, que puede variar según el tipo de batería y la tecnología utilizada.

Las temperaturas extremas pueden tener un impacto negativo en la capacidad de la batería para almacenar y liberar energía de manera eficiente.

En condiciones de frío extremo, la capacidad de la batería puede disminuir temporalmente, lo que limita su rendimiento. Por otro lado, las altas temperaturas pueden acelerar el envejecimiento de la batería, reducir su vida útil y disminuir su capacidad de almacenamiento.

En el rango de temperaturas normales, la capacidad de la batería aumenta con la temperatura y disminuye con ella. Por ejemplo, una batería a 30°C podría incrementar su capacidad en aproximadamente un 5%, pero a 4°C podría sólo aprovecharse un 77% de su capacidad.

Resistencia Interna de una Batería

Es una medida de la oposición al flujo de corriente en su interior. Una resistencia interna baja es deseable, ya que permite una transferencia eficiente de energía.

Una resistencia interna alta puede provocar pérdidas de energía y reducir la capacidad de la batería para entregar corriente de manera efectiva.

La resistencia interna puede verse afectada por factores como el estado de carga de la batería, la temperatura y el envejecimiento.

Conexión de las Baterías

El símbolo de la batería se suele representar según la siguiente figura, en la que se indica la polaridad de las conexiones, aunque es opcional, ya que el mismo símbolo ya los diferencia, siendo el trazo más largo el positivo (+) y el trazo más corto el negativo (-).

Junto al símbolo se añade el valor de su fuerza electromotriz E (f.e.m.), en voltios (Ej: E = 12 V) y de su resistencia interna, en ohmios (Ej: r = 1 Ω). La resistencia interna no se tiene en cuenta en el cálculo de las instalaciones fotovoltaicas, por lo que no se suele indicar.

En la mayoría de las instalaciones, dependiendo de la potencia que se requiera, de la capacidad y de la tensión, será necesario asociar varias baterías en serie o en paralelo para poder conseguir los niveles de tensión y de capacidad adecuados.

Al conjunto de baterías interconectadas se le denomina banco de baterías. Para garantizar un funcionamiento óptimo y prolongar la vida útil de las baterías, se recomienda utilizar baterías del mismo fabricante, modelo y con las mismas características (tensión nominal y capacidad nominal).

Cuando hablemos de tensión de la batería, nos referiremos a la tensión nominal V_N (12V, 24V o 48V) y cuando hablemos de capacidad, nos estaremos refiriendo a la capacidad nominal C_N (capacidad C₁₀₀).

Banco de Baterías: Conexión en Paralelo

El objetivo de la asociación en paralelo de baterías es el de aumentar la capacidad del banco de baterías manteniendo el mismo valor de tensión.

Para asociar baterías en paralelo los terminales positivos de todas las baterías se conectan entre sí, y los terminales negativos también.

La capacidad total será la suma de todas las capacidades de cada batería, o bien, la capacidad de una batería multiplicada por el número de baterías. A continuación, se muestra un ejemplo de 2 baterías en paralelo:

Para elegir el número de baterías a conectar en paralelo se realizará el siguiente cociente:

donde:

C_instalación = capacidad necesaria para alimentar la instalación proyectada

C_batería = capacidad nominal de una batería (generalmente C₁₀₀)

Banco de Baterías: Conexión en Serie

El objetivo de la asociación en serie de baterías es el de aumentar la tensión del banco de baterías manteniendo la misma capacidad.

Para asociar baterías en serie el terminal positivo de una batería se conecta al terminal negativo de la siguiente.

La tensión total será la suma de todas las tensiones de cada batería, o bien, la tensión una batería multiplicada por el número de baterías. A continuación, se muestra un ejemplo de 2 baterías en serie:

Para elegir el número de baterías a conectar en serie se realizará el siguiente cociente:

donde:

V_instalación = tensión de CC necesaria para alimentar la instalación proyectada

V_batería = tensión nominal de una batería

Banco de Baterías: Conexión Mixta

Se asocian tanto en serie como en paralelo para obtener la tensión y capacidad deseadas. Con la asociación en paralelo aumentamos la capacidad y con la asociación en serie aumentamos la tensión.

Para proceder al cálculo de la capacidad del banco de baterías de una instalación solar, previamente se debe calcular de la energía máxima diaria que demanda la instalación receptora.

Ejercicios Resueltos de Conexión de las Baterías

A continuación, se presentan 6 ejercicios resueltos sobre la asociación y conexión de las baterías en serie, paralelo y conexión mixta:

Representación de un Banco de Baterías

Para representar un conjunto de baterías, se debe simplificar al máximo posible el esquema. Así, en una rama con varias baterías en serie se representarían los símbolos de la primera batería y de la última, unidas mediante una línea discontinua. Igualmente, para varias ramas en paralelo, se representarían la primera rama y la última unidas por línea discontinua.

Además será necesario llevar una numeración en el esquema de todas las baterías, de forma que se irán numerando de arriba abajo y de izquierda a derecha, mediante las referencias E1, E2, E3, etc.

Ejemplo: Representar un banco de baterías compuesto por 20 baterías y 10 ramas paralelas. A continuación se muestran 10 ramas de 2 baterías en serie (por cada rama) para completar el banco de 20 baterías.

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