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J. César Rosas Porcayo Aarón Sánchez-Juárez Centro de Investigación en Energía-UNAM Priv. de Xochicalco s/n, Col. Centro Temixco, Mor.

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1 J. César Rosas Porcayo Aarón Sánchez-Juárez Centro de Investigación en Energía-UNAM Priv. de Xochicalco s/n, Col. Centro Temixco, Mor. UNAM TECNOLOGÍAS DE ACUMULADORES PLOMO - ACIDO

2 Baterias Secundarias Una bateria es un conjunto de celdas electroquímicas conectadas en serie, cuya función es la de almacenar energía eléctirca en forma químca (carga), cederla a un punto en forma de electricidad (descarga) y volverla a recuperar (carga). A un proceso de carga descarga a cierta capacidad se la llama CICLO.

3 Tipos de Celdas Electroquímicas PLOMO- ACIDO NIQUEL- CADMIO NIQUEL- FIERRO NIQUEL- ZINC Ag-ZnNi-H 2 ANODOPbCdFeZn H2H2 CATODOPbO 2 NiO 2 H AgONiO 2 H ELECTRODOH 2 SO 4 sol.KOH sol. Vn volts Vop volts V f volts – – – – – 1.15 DENSIDAD DE POTENCIA 35 W-h / kg

4 Baterias de Plomo - Acido Las baterias usadas comúnmente en aplicaciones fotovoltaicas son las de plomo-ácido debido a que: Se pueden recargar Son relativamente baratas Estan disponibles en una variedad de tamaño y posiciones Pueden ser sometidas a procesos de descarga (pequeña razón) por tiempos prolongados.

5 Un ánodo de plomo: es el electodo negativo y está formado por una rejilla de plomo recubierta por plomo esponjoso. Un cátodo de PbO 2 : es el electrodo positivo y está formado por una rejilla de plomo recubierta por PbO 2. Un medio electrolítico: es el camino a través del cual se lleva a cabo una reacción química. El electrolito es ácido sulfúrico al 37% o con una densisdad especifica de 1.28 al 100% de carga. Una jarra o vaso que contiene a la celda. LA CELDA ELECTROQUÍMICA DE PLOMO-ÁCIDO ESTÁ FORMADO POR:

6 Las rejillas son elaboradas con plomo puro o aleaciones de plomo. Las rejillas de plomo puro tienen poca rigidéz y son normalmente usadas para baterías estacionarias. Estas baterías presentan una razón de descarga muy baja estando an stand-by, pero no pueden ser descargadas profundamente y recargadas rapidamente.

7 Principio de Operación DESCARGA. Al conectar una carga eléctrica en las terminales de la batería se establece un flujo de electrones de la placa negativa al exterior, quedándose ionizado el plomo Pb ++ de esa placa. Este reacciona con el H 2 SO 4 formando sulfato de plomo PbSO 4. Al mismo tiempo, la placa positiva recibe los electrones (cedidos por la placa negativa) disociando al PbO 2 en iones de plomo, que al reaccionar con el H 2 SO 4 forma en la placa Pb SO 4 y trans forma al electrolito en agua

8 PLACA NEGATIVA ELECTROLITOPLACA POSITIVA MATERIALPb2H 2 SO 4 + H 2 OPbO 2 PRCESO DE IONIZACIÓN SO 4 --, SO 4 --, 4H OH -, Pb ++ PROCESO DE PRODUCCIÓN DE CORRIENTE 2e + Pb ++ Pb ++ 2e PRODUCTO FINAL PbSO 4 4H 2 O 2H 2 OPbSO 4

9 CARGA. Al suministrar electrones en la placa (-), el PbSO 4 se disocio en Pb y en SO Este se conbina con el H 2 O y forman el forma el H 2 SO 4. Simultaneamente, de la placa (+) salenn 2e con lo que el PbSO 4 se disocia en Pb ++++ y SO Las primeras reaccionan con el H 2 O para formar PBO 2 y los segundos con el H 2 O para formar H 2 SO 4. PLACA NEGATIVA ELECTROLITOPLACA POSITIVA PROCESO FINAL DE LA DESCARGA PbSO 4 4H 2 OPbSO 4 PROCESO DE LA IONIZACIÓN Pb ++, SO H +, 4OH -, 2H + SO 4 --, Pb ++ PROCESO PRODUCIDO POR LA CORRIENTE 2e Pb ++++ MATERIALES RESTAURADOS Pb 2H 2 O H 2 SO 4 PbO 2

10 Resultado Neto: El PbSO 4 en la placa (-) se convierte en Pb. El PbSO 4 en la placa (-) se convierte en PbO 2 El H 2 O del electrolito se convierte en H 2 SO 4

11 El resultado neto de la DESCARGA es: El Pb (placa negativa) y el PbO 2 (placa positiva) son convertidos en SULFATO DE PLOMO debido a la reacción con el electrolito. El H 2 SO 4 ácido sulfúrico se convierte en agua al ceder el radical sulfato a las placas (+) y (-). Ya que el H 2 SO 4 H 2 O, la densidad del electrolito disminuye en el proceso, por lo cual, LA DENSIDAD DEL ELECTROLITO ES UNA MEDIDA DIRECTA DEL ESTADO DE CARGA DE LA BATERÍA.

12 Estado de CargaBatería para SLI Batería para Tracción 100 % % % % DESCARGADA1.160

13 Eficiencia en una Batería Una batería NO entrega toda la energía que recibe durante el proceso de carga debido a: No todos los electrones que se inyectan contribuyen a las reacciones anteriores. Estos, los que No contribuyen se desperdician en reacciones parásitas. Del total de elestrones inyectados solo el 92-98% contribuyen en la reacción. A dicho porcentaje se le llama eficiencia Coulómbica. Se requiere de un voltaje mayor para forzar a que los electrones entren a la celda. El voltaje de carga es de 2.33 volts. El voltaje a la descarga es de 2.05 volts, dando una razón del 88%. Si se consideran los dos factores ( corriente y voltaje ) la eficiencia como unidad de almacenamiento es de 0.86.

14 La aleación plomo antimonio forma una celda resistente a temperaturas altas y tolerante a las descargas profundas. El inconveniente es que presenta una mayor autodescarga y un incremento en la p´rdida de agua por electrólisis, por lo que no pueden ser selladas. La aleación plomo-ácido reduce el degasamieno y la pérdida de agua. Con éste tipo de rejilla se construyen las bateías libres de mantenimiento (la pérdida de agua en todo el ciclo de vida de la batería, 3-5 años, es muy poca y no se requiere adicionarle agua). Se recomienda que sean ventiladas. Se usan normalmente antimonio, calcio y cadmio, en bajas proporciones para darle rigidéz a la rejilla de plomo, y formar una aleación con éste.

15 Plomo-antimonio aceptan una razón de carga rápia y proporcionan razones de descarga rápidas. Se pueden fabricar para usos pesados con descargas de hasta un % de su capacidad. El ejemplo típico de éstas baterías son la sautomotrices. Las baterías plomo-ácido pueden ser descargadas del % de su capacidad. No aceptan ciclos de descarga profunda repetidos. Degradación: Pb-Sb 20 % por cada 10°C arriba de 25°C Pb-Ca 50 % por cada 10°C arriba de 25°C

16 Las baterías de plomo-ácido almacenan carga eléctrica en la forma de energía química. Cuando una carga eléctrica es conectada a una batería, se lleva a cabo una reacción química entre el Pb, el PbO 2 y el H 2 SO 4 y se produce una coriente eléctrica que circula por la carga y la batería. Se llama CAPACIDAD DE CARGA a la cantidad de carga almacenada en una batería, la que es proporcional a La cantidad de material activo.

17 La capacidad se mide en AMPERE-HORAS (A-h). Una capacidad de 100 A-h significa que se puede descargar ampere durante 10 hrs. ó 2 amperesdurante 50 hrs., o bien, 100 amperes durante 1 hora. La capacidad de un banco de baterías depende de la cantidad de baterías conectadas en paralelo a un voltaje dado. La capacidad de una batería depende de: la razón de la descarga la temperatura la auto-descarga la edad la profundidad de la descarga (DOD)

18 Curva de Estado de Carga vs Voltaje Es importante conocer el voltaje para un estado de carga dado, ya que los controles de carga en un sistea solar se basan en lecturas de voltaje para decidir si una batería está cargada totalmente y también para protegerla cuando está muy descargada. La figura muestra el voltaje en función del estado de carga para una batería estacionaria plomo-ácido con aleación de antimonio, que está siendo cargada. Este es el tipo de batería más usado en la actualidad en los sistemas solares. Curva de Voltaje a la Carga

19 Observar que se muestran varias curvas, correspondientes a diferentes velocidades o razones de carga. La velocidad está expresada en el número de horas (C/20, C/8, etc.) que tomaría recargar la batería con la corriente dada, donde el cociente es precisamente el numero de horas. CAPACIDAD NUMERO DE HORAS DE CARGA = CORRIENTE INYECTADA VOLTAJES DE CARGA DE UNA CELDA PLOMO- ACIDO EN FUNCIÓN DE SU ESTA DO DE CARGA

20 Para obtener la razón de carga a la que está recargando una batería, simplemente divida s capacidad nominal (ampers- horas) entre la corriente inyectada (ampers). Las razones de carga típicas para baterías en sistemas fotovoltaicos, cuando se tiene la insolación máxima, se sitúa entre C/10 hasta C/30, siendo éstas últimas las más usuales. Estas razones de carga resultan de la relación que guarda el número dem modulos solares con eltamaño del banco de baterías. Observar que una batería de éste tipo (plomo/antimonio-ácido) está 100% cargada a 25°C, para una razón de cargade C/20, cuando se alcanza un voltaje de 2.35 volts por celda. Para una batería tipo plomo/calcio-ácido el voltaje debe incrementarse a 2.55 volts. Siempre es conveniente exceder ligeramente éste voltaje, para tener gasificación en el electrolito y evitar que éste se estratifique, es decir, que el ácido más denso se vaya al fondo y el agua con menos ácido que de arriba permanentemente.

21 La figura muestra el voltaje en función del estado de carga para una batería que está siendo descargada a diferentes velocidades o razones de carga. Se muestran varias curvas desde 10 horas hasta 10 minutos (0.17 horas). Observar que para la descarga más lenta, el voltaje se mantiene relativamente constante por un largo periodo. En un sistema fotovoltaico es usual que las baterías tengan varios días de autonomía, es decir, pueden respaldar el suministro al consumo en ausencia total del sol durante ese periodo. Curva de Voltajes a la Descarga Esto significa que las razones de descarga son muy lentas, mayores a 24 horas (1 días). Por tanto, el voltaje es reltivamente constante.

22 Voltaje a la descaga de un celda plo-ácido en funcion del estado de carga a diferentes razones de descarga. Por ejemplo, una celda que está iniciando su descarga a 10 horas (C/10), tiene un voltaje de 2.03 volts y cuando alcanza el 80 % de descarga su voltaje baja únicamente a 1. Volts. En un sistema fotovoltaico, identificar la curva de descarga de las baterías es importante, pues de ella se deriva el voltaje al cual se debe deconctr el suministro cuando la descarga ha alcanzado una cierta profundidad, para proteger a la batería de sulfatación irreversible.

23 Como comentario, los fabricantes generalmente suministran curvas de descarga de sus baterías, pero es poco frecuente que den las curvas de carga que son indispensables en determinar la operación correcta de un sistema fotovoltaico. En la práctica se ha encontrado que los voltajes de carga completa de una batería plomo-hacido se deben incremetar conforme envejezcan pues su resistencia interna aumenta y debe compensarse con mayor voltaje. Por otro lado, las baterías requieren menor voltaje de carga completa cuando la temperatura se incrementa, pues las reacciones químicas se aceleran. En especial la gasificación debida a la electrólisis del agua se incrementa con la temperatura y la pérdida de agua se acelera. Por ello, se recomienda disminuir los voltajes de caga comleta como se indica: Celdas inundadas Plomo-Antimonio: 5 mV/°C/celda Celdas inundadas Plomo-Calcio : 3 mV/°C/celda

24 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE BATERÍAS Existen diversas tecnologías de fabricación de la celda plomo-ácido, para diferentes aplicaciones, con diferentes compromisos entre su costo y su operación y su vida útil. Las baterías en sistemas fotovoltaicos están sujetas a ciertas odiciones de operació que deben revisarse para determinar lo que se espera de un modelo o tipo específico de batería. Cualquier batería plomo-ácido puede servir pero se requiere saber lo que se puede esperar de ella. Por ejemplo, una batería de bajo costo como es la automotriz puede tener una vida muy corta en un sistema fotovoltaico cuando la batería se descargue profundamente aún cuando solo se haga esto algunas veces. A continuación resumimos brevemente las características de los diferentes tipos de baterías cuando son empleados en un sistema fotovoltaico:

25 TIPOVENTAJASDESVENTAJAS Automotriz abierta Bajo costo Buena tolerancia a altas temperaturas Disponible localmente Vida corta (menos de 2 años) Poca tolerancia a descargas profundas Requiere añadir agua Autodescarga importante conforme envejece Automotriz libre mantenimiento Bajo costo No requiere añadir agua Vida corta (menos de 2 años) Nula tolerancia a descargas profundas Poca tolerancia a altas temperaturas Disponibilidad limitada Industrial de tracción (Montacargas) Costo medio Buena tolerancia a descargas profundas Buena tolerancia a temperaturas altas Vida media (5-8 años) Disponible solo bajo pedido Requiere añadir agua (cada 3-6 meses) Estacionaria abierta Buena tolerancia a descargas profundas Vida media-alta (6-10 años) Vaso transparente permie conocer su estado interno Buena tolerancia a temperaturs altas Costo alto Disponible solo bajo pedido Requiere añadir agua (3-6 meses)

26 TIPOVENTAJASDESVENTAJAS Estacionaria sellada, electrolito inmovilizado Transporte y manejo simplificado (vía aérea inclusive) Pueden apilarse verticalmente: menos espacio de instalación No requieren mantenimiento ni adición de agua Costo alto Disponible solo bajo pedido Baja tolerancia a descargas profundas, excepto para algunos modelos Baja tolerancia a altas temperaturas excepto en algunos modelos Niquel-Cadmio Tolera descargas profundas, altas y bajas temperatuas, vida útil hasta 20 años, casi no requiere mantenimiento Costo de masiado alto Disponible solo bajo padido

27 En resumen cada tipo de batería tiene sus oportunidades y sus limitaciones. Lo importante es conocer lo que se puede esperar en la vida real. Actualmente, se tiene una mejor idea de lo que puede resultar de un tipo de batería en un sistema fotovoltaico pero todávía se desconoce con precisión muchos detalles. Por ello, la experiencia práctica es importante. Como ejemplos daremos algunos parámetros de operación típicos a los que se sujetan los banco de baterías en un sistema fotovoltaico:

28 Los usuarios se olvidan de ellas hasta que el agua se ha agotado debajo del nivel de las rejillas. La corroción en las terinales de conexión no es eliminada hasta que falla el sistema completo. El voltaje de carga es insuficiente y la batería nunca alcanza su carga total. El voltaje de carga es exesivo y la batería pierde agua excesivamente. El usuario descarga la batería totalmente a pesar de que el tipo utilizado no sea apropiado para ello. Etc., etc. Diariamente experimentan ciclos de descarga (noche) – carga (día) equivalentes al % de la capacidad nominal. Con la frecuencia que ocurran nublados prolongados pueden decargarse profundamente y tardar hasta semanas en recuperar 100 % la carga nuevamente. Operan a temperaturas tan bajas como 0°C (invierno) y tan altas como 45°C (verano).

29 Evaluación: Estado de carga La mejor indicación es la lectura de la densidad si la batería es tipo inundada. Ver la grafica. Voltaje y gravedad (densidad) a la descarga ycarga de batería

30 ESTADO DE CARGA GRAVEDAD ESP. VOLTAJE 100 % % % Si la batería es sellada se debe correlacionar el voltaje en sus terminales con el estado de carga. En este caso, lo mejor es medir el voltaje cuando se está descargando la batería y compararlo con las curvas que da el fabricante. Existen probadores de baterías automotrices que producen una corta pero fuerte descarga en la batería y miden su voltaje simultáneamente indicando su estado.

31 La única forma práctica de determinar la capacidad que tiene una batería es cargarla totalmente y luego sujetarla a una descarga completa a una corriente dada. La capacidad será el producto de la corriente (ampers) por el periodo en que se descargó (horas). En general se considera que una batería está descargada cuando llega a 1.75 volts por cada celda. Si una batería entrega menos del 80% de su capacidad original, es conveniente reemplazarla a menos que en su dimensionamiento se haya considerado una pérdida de capacidad mayor con el envejecimiento. Si una batería no alcanza la densidad nominal de electrolito después de una recarga prolongada, está sulfatada en forma irreversible. Reemplazarla.

32 Ésta es válida sólo para aquellas celdas con vasos transparentes ( de ahí su ventaja). Si hay sedimentos en el fondo del vaso que estén a punto de alcanzar la parte inferior de las placas, se requiere reemplazar la celda antes e que ésta sea cortocircuitada internamente. Si las placas presentan depósitos blanquesinos aislados, la carga de la batería está siendo incompleta. Si las placas positivas están inchadas (se esponjan), la carga ha sido defectuosa. La celda debe reemplazarse. Si las placas positivas se observan brillantes y quebradizas, se ha formado sulfato duro que ya no es posible reincorporar al electrolito durantte la recarga. Se debe practicar una prueba de capacidad y decidir si se continúa usando la celda.

33 El mantenimiento es sencillo y tiene efectividad si se sigue con cuidado, de acuerdo a las recomendaciones del fabricante para el tipo de batería empleado. En general el mantenimiento consiste en : Limpieza de las terminales de la celda para eliminar depósitos (usualmente sulfatos) y aplicación de grasa anticorrosiva. Existen compuestos en el mercdo específicamente para ello que permiten extender los periodos entre cada limpieza. Adición de agua en el caso de celdas inindadas. Nunca se debe añadir ácido porque éste no se pierde en los pocesos de carga y descarga de la batería. El agua de be estar libre de minerales (destilada o desmineralizada). Si se añade agua común, las pérdidas por electrólisis y la autodescarga se incrementa. Nunca de be permitirse que el nivel de electrolito baje tanto que deje al decubierto las placas.

34 Medición de Densidad,en el caso de celdas inundadas. Debe asegurarse que la densidad máxima nominal se alcance cuando el control de carga fotovoltaica haya llegado a su voltaje de carga completa (desconexión de módulos solares). La densidad máxima está entre 1.20 y (consultar al fabricante). Si la densidad máxima no se alcanza y el control de carga ya limitó la corriente solar, entónces deben reajustarse los niveles de operación

35 V Voltaje I Corriente R Resistencia (carga) C Capacidad en A-Hr Una Batería 100 A-Hr + + Baterías conectadas en Paralelo SE INCREMENTA LA CAPACIDAD 12V _ + _ + _ V - R I 12V Aumentando la Capacidad + - Baterías conectadas en Serie SE INCREMENTA EL VOLTAJE + - CAPACIDAD TOTAL 300 A-Hr Vt= 36 V

36 Dimensionamiento de un Banco de Baterías La capacidad de un banco de baterías se dimensiona en función de la energía consumida diariamente por las cargas eléctricas y la autonomía requerida en el sistema. En un S. F. la autonomía del banco de baterías es el número de días que funcionarían las cargas eléctricas con cero insolación. E c x A u C B = V B x f u x F i x bat C B es la capacidad del banco de baterías (amp-hr). E c energía consumida diariamente por las cargas eléctricas. V B voltaje de operación del banco de baterías. A u autonomía del banco de baterías. f u factor de uso para evitar que las baterías se descarguen totalmente. f u = 0.5 placa delgada f u = 0.8 placa gruesa factor de incremento de la capacidad debido a una razón de descarga más lenta FiFi F i = 1.05 placa delgada F i = 1.35 placa gruesa

37 Baterías Recomendadas TROJAN Mod T-105 Especificaciones Peso = 64 lb ( 30 kg.) V n = 6 volts Terminal = (sin barra expuesta) Capacidad = 217 amp-hr a C/20 Ciclos de descarga = 630 al 80% DOD TROJAN Mod L-16 Especificaciones Peso = 130 lb ( 60 kg.) V n = 6 volts Terminal = barras expuestas Capacidad = 350 amp-hr a C/20 Ciclos de descarga = 900 al 80% DOD NOTA : Costo 35% más por amp-hr que las T105

38 Construcción y Química de Baterías Plomo-Acido Típico Tipos de Celdas Típicas Ciclo Poco Profundo Ciclo Profundo Química Plomo-Acido

39 Construcción de Baterías Plomo-Acido Relillas Separadores Elementos Concentradores de celda Contenedores Tapas ventiladas

40 Construcción de la celda de la Batería Construcción Típica de una Celda de Placa Plana

41 Construcción de la celda de la Batería (Continuación) Construcción Típica de una Celda de Placa Tubular

42 Construcción de Baterías

43

44 Ciclo Poco Profundo Configuración de la Placa Inundada Gran Número de Placas Delgadas Menos Plomo Peso Ligero Altas Corrientes por Periodos Cortos Demanda por Ciclo Profundo

45 Ciclo Poco Profundo Construcción de Placas Inundadas Menos placas Placas más Gruesas Más Plomo Típicamente Contenedores más Grandes Más Electrolito Modelos Opcionales para Niveles Altos de Agua

46 Química de Baterías de Plomo-Acido Placa Negativa (Plomo Esponja Pb) Cargado Pb + SO 4 2 PB SO + 2e Descargando Cargando Placa Positiva (Dioxido de Plomo PbO 2 ) PbO 2 + SO H + + 2e Descargando Cargando PbSO 4 + 2H 2 O Reacción Neto (con elestrolito de Acido Sulfúrico H 2 SO 4 ) PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 Descargando Cargando 2PbSO 4 + 2H 2 O

47 Operación de Baterías de Plomo-Acido Oxido de Plomo PbO 2 Esponja de Plomo Pb Concentrado H 2 SO 4 + I –VcVc e Cargado Sulfato de Plomo PbO 4 Sulfato de Plomo PbO 4 I –e Diluída H 2 SO 4 Descargado +

48 Baterías Plomo - Acido Ciclo Poco Profundo - Electrolito Inundado Plomo-Calcio, Ventila Abierta Plomo-Calcio, Ventila - Electrolito Cautivo Plomo-Calcio, Electrolito Gelatinoso Plomo-Calcio (Filtro de Vidrio Absorto) Ciclo Profundo - Plomo-Antimonio Inundada - Híbrida de plomo-Antimonio/Calcio

49 Atributos de Baterías de Plomo - Calcio Ventajas - El Calcio Añade Fortaleza al Plomo - Reduce el Gaseo y Pérdidas de Agua - Bajo Mantenimiento - Baja Tasa de Autodescarga Desventajas - No es Capaz de una Gran Profundidad de Descarga - La vida se acorta si el Recipiente se Descarga Profundamente (>10 % más de 4 veces/año)

50 Atributos de Plomo – Acido Inundada Ventila abierta - Baterías estacionarias - Típicamente 2 voltios por celda > 1000 A-h - Baja autodescarga - Placas gruesas Uso contínuo 10 – 20 años Ventila sellada - Adaptada de la industria automotríz - No ciclo profundo - Baja autodescarga - Típicamente de Plomo-Calcio, algunas son de Plomo-Calcio/Antimonio

51 Atributos de Plomo – Calcio, Electrilito Cautivo Electrolito gelatinoso cautivo - Reguladas por válvulas - El fabricante recomienda una regulación constante.. de voltaje de carga con temperatura de compención... para controlar la tasa de gaseo - Mejor en ambientes fríos Sellada [Filtro de vidrio absorto tapíz] - El fabricante recomienda una regulación constante.. del voltaja de carga con temperatura de compención... para controlar al tasa de gaseo - Daños catastróficos si la temperatura excede de los °C (35 °F)

52 Atributos de Plomo – Antimonio Ventajas - El Antiminio Añade Fortaleza - Rápidas tasas de carga/descarga - Múltiples descargas hasta el % de su capacidad - Menor desprendimiento del material activo Desventajas - Alta tasas de auto descarga - Las altas tasa de gaseose incrementan con la edad Se puede minimizar usando tapas especiales que recolectan el O 2 y H para combinarlos en H 2 O para su retorno al electrolito - Requiere frecuentemente que se le agregue agua

53 Baterías de Plomo – Antimonio Ciclo Profuno Plomo – Antimonio Inundada - Altas tasas de A-h - Capacidad de descarga profunda - Robusta - Tolerante a las altas temperaturas - La batería más adecuada para la mayoría de las aplicaciones FV Híbrida, Plomo – Antimonio/Calcio Inundada - Altas tasas de A-h - Combina las ventajas del Plomo y del Calcio - Menos pérdida de electrolito - Grandes profundidades de descarga - Mayor tiempo de vida que las de Plomo - Calcio

54 Comparación de Baterías VidaCicladoGaseoCosto inicial Plomo-Antimonio RegularBuenoModeradoBajo Plomo-Calcio RegularPobreBajo Plomo Bajo Antimonio/Cadmio BuenaExcelenteModeradoAlto Niquel-Cadmio Excelente Alto

55 Otros Tipos de Baterías Comúnes Costo Indicial en dólares/kWh Ciclo de vida al 80 % de la PdD Nife –Níquel-Fierro5002,000 NiMH – Níquel-Metal Hidratado3,3002,000 NiCd – Níquel-Cadmio en Bolsas7501,500 NiCd – Níquel-Cadmio Depositado1,8001,000 La – Gel La – Tracción70 – 801,000 La – SLI

56 Sumario de Carácterísticas de Baterías Plomo-Acido, no sellada inundada (ciclo profundo) Plomo-Acido, no sellada inundaa (ciclo poco profundo) Electrolito cautivo(celda gelatinosa ó AGM) Ni Cad Profundidad de descarga15-25 %15 – 25 % 100 % Tasa de autodescarga5 %1 – 4 %2 – 3 %3 – 6 % Capacidad Típica, Amp-hora/pie Rango de Capacidades Amp-hora/pie a a a a 990 Capacidad Típica, Amp-hora/libra Rango de Capacidades Amp-hora/libra 1.9 a a a a 9.5 Minima Temperatura ambiente (°F) +20 0– 50

57 Baterías Níquel - Cadmio Ventajas - Larga vida - Bajo Mantenimiento - Baja Tasa de Autodescarga - Pueden decargarse profundamente sin daños - Mejor rendimiento operando en temperaturas bajas...que Plomo-Acido - Retención de caga es excelente Desventajas - Costo por A – h es alto - Algunos tipos (sinterizado) muestra una Memoria...del historial de descarga de la batería

58 Baterías Níquel - Hierro Ventajas - Gran fortaleza mecánica - Se puede durar inactivo durante largos periodos sin...perder su carga - No se puede dañar con sobrecarga - Vida larga (> 8 años) Desventajas - Alta proporción del peso a capacidad A-h - Pobre retención de carga y baja capacidad para...tempraturas bajas - Poca información disponible - Eficiencia de carga (coulombica) es muy mala

59 Temas de Operación de Baterías Capacidad de la batería Consideraciones de la temperatura Estado de carga Gravedad específica

60 Capacidad de la Batería Capacidad de la Batería (Amp – hr) Valores de placa - Dadas en valores de Horas - Cambia con la tasa de descarga Ciclo de vida - (afectado por DOD) Autonomía Restricciones de la profundidad - Depende de la química - Afecta la vida de la batería Tasa de descarga

61 Valores de Descarga de Corriente Constante Amperios a 25 °C (77 °F) Ejemplo # 1: 0.9 A X 100 Horas = 90 A-h Ejemplo # 2: 3.6 A X 24 Horas = 90 A-h Ejemplo # 3: 6.4 A X 12 Horas = 90 A-h

62 Proporción de Capacidad Batería Plomo – Acido Tasa de Descarga Amperio - Hora Tiempo de descarga% of 20 - Horas 20+=104 % 20=100 % 12=93 % 8=88 % 6=84 % De Trojan Battery Company, Julio, 1993.

63 Características del Ciclo de Vida para una tasa Baja de Descarga C/100 DOD % C/100DOD % C/100

64 Gravedad Específica de Baterías Nuevas Plomo - Acido Gravedad Específica Estado de CargaABCD 100 % (Plena Carga) % % % Descargada A – Batería de vehículo Eléctrico B – Batería de Tracción C – Batería Automotríz D – Batería Estacionaria

65 La Gravedad Específica Bajo la Carga y la Descarga

66 Efectos de la Temperatura Vida - Por cada 10 °C de incremento de la temperatura, la.vida de la batería se reduce a la mitad Funcionamiento - Por cada 10 °C que se reduce la temperatura, la.capacidad de la batería se reduce 10 % Gravedad Específica - Ajustada por temperaturas extremas Caliente Reducción en la concentración del electrolito Frío

67 Consideraciones en el Diseño de Sistemas de Baterías Celdas de la batería Densidad de almacenamiento de energía Tipos de terminales Especificaciones de los cables Igualación Ciclo de vida Pérdida de agua Auto Descarga Protección de la batería Congelamiento

68 Número Total de Celdas de la Batería (Serie) Celdas en Serie La capacidad se determina por el tamaño de una sola celda Posibles altos voltajes peligrosos Configuración preferida

69 Celdas en Paralelo La capacidad se determina por el número de celdas en paralelo Requiere una buena técnica de instalación Número Total de Celdas de la Batería (Paralelo)

70 Densidad de Almacenamiento de Energía Tamaño Peso Área Densidad -PlomoAcido 0.50 – – 2.4 -Ni-Cad 0.75 – – 1.8 A-h lb A-h lb A-h kg A-h kg Métrico

71 Tipos de Terminales Bandera (flag) L Remache (Stud) Poste Información de Terminales

72 Especificaciones del Cable Celdas de tensión - Series - Paralelo Resistente al ácido Cable flexible - Sólido - Tejido Conectores - Prensado de mano - Prensado de máquina - Soldado

73 Igualación de Tipo Plomo - Acido Propósito - Previene la Estratificación y Sulfatación de la placas Frecuencia - Una vez al mes Puntos de fijación - Plomo-Acido 2.55 V/Celda durante 3 horas a voltaje...constante Puede dañar las tapas de recombinación catalítica No recomendada en baterías de válvulas reguladas de Plomo-Acido (VRLA) de electrolito cautivo

74 Vida Cíclica ó Vida de Calendario Depende de la profundidad de descarga Plomo-Acido (40-50% ciclo de descarga) - 1,000 – 1,500 ciclos - 20 años sin ciclado

75 Pérdida de Agua Plomo-Antimonio-Alto - Se puede reducirse al cargarse, pero solamente al costo de sulfatación Plomo-Acido-Moderada - Gasea en menor medida, requiere un potencial más alto el gaseoso Ventila abierta, la pérdida de agua puede reducirse usandorecombinadores catalíticos VRLA- de baja a nada - Las ventilas son sensibles a la presión, 0.5 a 9 PSI - No requieren voltajes en la región de gaseo

76 Plomo-Antimonio Nuevo – 1 % al día a 25 °C Viejo – 5 % al día a 25 °C Plomo-Calcio Nuevo – <0.5 % al día a 25 °C Viejo – <0.5 % al día a 25 °C Tasa de Auto Descarga Rejilla de plomo-Acido

77 Efecto de la Tasa de Descarga

78 Protección de la Baterías 1 Kw Hr Batería (12 V 100 A-h) > 8,000 Watts/Segundo Desconexiones (switch con rangos de desconexión adecuados) - Mostradas para CD Fusibles - NEC requiere protección de los cables - Mostradas para CD con adecuados rangos de interrupción

79 Congelamiento del Acido - Sulfúrico Gravedad Específica 15°C Punto de Congelamiento °C

80 Consideraciones de Campo para sistemas de Batería Areas problemáticas Mantenimiento Localización de fallas Seguridad

81 Sobrecargando Gaseo excesivo y producción de hidrógeno (< 4% sin riesgo) - Riesgo entre el nivel del electrolito y la cubierta Pérdida de agua La temperatura excesiva causa daño alas placas (Torceduras) Acumulación de sedimentos Corrosión de la placa positiva Para tipos Inundadas ó VR Reversibles

82 Subcarga Acumulación de sedimentos de Sulfato de Plomo - Causa torcedura de placas - Corto circuito entre placas Sulfatación - Incrementa la resistencia interna - Menor voltaje de descarga - Mayor voltaje de carga - Variaciones de temperatura en la batería (Pérdidas de I 2 R)

83 Otros Efectos Cortos circuitos Sedimento excesivo Formación de árboles Formación de musgo

84 Mantenimiento de Baterías Reemplazo de agua - Se reduce al usar hidrotapas o baterías selladas - Agua destilada - Agua de lluvia como el último recurso Limpieza Igualación - Riesgoso, pero extiende la vida de la batería - Algunos efectos se pueden desatar con..sobrecargas periódicas sin regulador Conexiones - Material y tornillos resistentes a la corrosión

85 Voltaje de Batería vs. Estado de Carga Tasas de baja carga y descarga a 78 °C Notas: Corriente Constante Carga y Descarga Operacion a 25 o C Porcentaje del estado de Carga de Baterías (%) Voltaje de Batería en V.D.C. BCS-56

86 Localización de fallas en Baterías Tensión a circuito abierto Gravedad específica Mediciones de la conductancia Prueba de carga de trabajo Mediciones de la capacidad relativa Registros y pruebas de carga real en el sistema Inspección Post Mortem

87 Gravedad Específica

88 Prueba Real de un Sistema de Carga Descarga durante trabajo igual al sistema a comprobarse en el campo

89 Seguridad con las Baterías Gas hidrógeno - Fácilmente se forma más del 4 % entre la cubierta y el electrolito una chispa y la haría explotar Quemaduras de ácido - Neutralizar con bicarbonato de sodio Electrocución - Un sistema con un gran número de baterías en serie es peligroso Battery enclosure Traumas secundarios - Riesgo de choque eléctrico si V oc > 24 volts

90 Estimación del Hidrógeno producido al Cargar Baterías Plomo - Acido Tasa máxima de producción de hidrógeno (H) = (I) (N) Pies cúbicos/minuto I = Tasa de carga en Amperios N = Número de celdas concentradas en serie

91 Ventilación Requerida Mínimos requerimientos por ventilación (Q) = (H) (100) = (I) (N) pies cúbicos/minuto CC C = Máxima concentración de Hidrógeno deseada (por seguridad, C debe ser 0.02)

92 Adquisición de Baterías Consideraciones Especificaciones

93 Criterio para Elegir Baterías Preguntas que un diseñadaor de sistemas debe fijar Tipo de sistema y modo de operación - Ciclo profundo - Ciclo poco profundo - Uso imtermitente, ciclo profundo y poco profundo Carterísticas de cargamiento; Necesidades específicas Requerimientos de días de almacenamiento (autonomía) Cantidad y variabilidad de la corriente de descarga Máxima profundidad de descarga permisible Requerimientos diarios de profundidad de descarga Accesibilidad de la localidad

94 Criterio para Elegir Baterías (Continuación) Temperatura ambiente y condiciones ambientales Vida cíclica y/o vida de calendario Raquerimientos de mantenimiento - Sellada o NO sellada; determine el nivel de mantenimiento - Necesidades de agua Tasa de auto descarga - Nuevo - Viejo Capacidad máxima de la celda

95 Criterio para Elegir Baterías (Continuación) Densidad de almacenamiento de energía Peso y tamaño Características de gaseo Susceptibilidad al congelamiento Concentración del electrolito Disponibilidad de equipo auxiliar Configuración de la s terminales Prestigio del fabricante Costo y garantía

96 Especificaciones para la Aduisición de Baterías Información suministrada por el diseñador del sistema Tipo de batería (Inundada o sellada) Capacidad útil en ampers-hora a una corriente especificada Temperatura de operación Máxima profundidad de descarga permisible Promedio diario de profundidad de descarga permisible Voltaje nominal del subsistema de baterías Número de celdas / Módulos de baterías en serie Número de filas (Strings) en paralelo Número total de celdas / Módulos de baterías

97 Especificaciones para la Adquisición de Baterías (Continuación) Especificación de terminales y cables de interconexión Requerimientos de tapas de bateías (eg., CRC) Requerimientos y tasas nominales de carga Arreglo de desconexión del subsistema de batérías Requerimientos de envío Reciclabilidad

98 Especificaciones Adicionales del Fabricante de Baterías Dimencionamiento de la celda / Módulo de la batería Peso de celda / Módulo de batería (empacado y desmpacado) Área y volumen del subsistema e baterías Procedimiento recomendado para cargamiento Máximo voltaje de descarga de la celda de la batería Ventana de voltaje del subsistema de baterías Requerimientos de igualación Promedio de eficiencia de energía por ciclo Carga-Descarga Requerimiento de envío Vida cíclica

99 Seguridad es un Asunto

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