Transcript LAS BATERIAS - Proyecto de Energía Renovable

TECNOLOGÍAS DE ACUMULADORES
PLOMO - ACIDO
UNAM
J. César Rosas Porcayo
Aarón Sánchez-Juárez
Centro de Investigación en Energía-UNAM
Priv. de Xochicalco s/n, Col. Centro
Temixco, Mor.
e-mail: [email protected]
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.
Tipos de Celdas Electroquímicas
PLOMOACIDO
NIQUELCADMIO
NIQUELFIERRO
NIQUELZINC
Ag-Zn
Ni-H2
ANODO
Pb
Cd
Fe
Zn
Zn
H2
CATODO
PbO2
NiO2H
NiO2H
NiO2H
AgO
NiO2H
ELECTRODO
H2SO4 sol.
KOH sol.
KOH sol.
KOH sol.
KOH sol.
KOH sol.
2
1.2
1.2
1.6
1.5
1.4
Vop volts
2.13
1.29
1.37
1.73
1.85
1.42
Vf volts
1.8 - 2.1
1.10 – 1.25
1.05 – 1.25
1.4 – 1.6
1.3 – 1.7
1.05 – 1.15
DENSIDAD DE
POTENCIA
35
W-h / kg
20
27
60
90
55
Vn
volts
Baterias de Plomo - Acido
Las baterias usadas comúnmente en aplicaciones
fotovoltaicas son las de plomo-ácido debido a que:


Se pueden recargar

Estan disponibles en una variedad de tamaño y
posiciones

Pueden ser sometidas a procesos de descarga
(pequeña razón) por tiempos prolongados.
Son relativamente baratas
LA CELDA ELECTROQUÍMICA DE PLOMO-ÁCIDO
ESTÁ FORMADO POR:
 Un ánodo de plomo: es el electodo negativo y
está formado por una rejilla de plomo recubierta
por plomo esponjoso.
 Un cátodo de PbO2: es el electrodo positivo y
está formado por una rejilla de plomo recubierta
por PbO2.
 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.
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.
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 H2SO4 formando sulfato de
plomo PbSO4. Al mismo tiempo, la placa positiva
recibe los electrones (cedidos por la placa
negativa) disociando al PbO2 en iones de plomo,
que al reaccionar con el H2SO4 forma en la placa
Pb SO4 y trans forma al electrolito en agua
MATERIAL
PLACA
NEGATIVA
ELECTROLITO
PLACA
POSITIVA
Pb
2H2SO4 + H2O
PbO2
PRCESO DE
IONIZACIÓN
PROCESO DE
PRODUCCIÓN
DE CORRIENTE
PRODUCTO
FINAL
SO4--, SO4-- , 4H+
2e + Pb++
PbSO4
4OH- ,
++
Pb++
Pb++ — 2e
4H2O
2H2O PbSO4
CARGA . Al suministrar electrones en la placa (-), el PbSO4 se disocio
en Pb y en SO4--. Este se conbina con el H2O y forman el forma el
H2SO4. Simultaneamente , de la placa (+) salenn 2e con lo que el
PbSO4 se disocia en Pb++++ y SO4--. Las primeras reaccionan con el
H2O para formar PBO2 y los segundos con el H2O para formar H2SO4.
PLACA
NEGATIVA
ELECTROLITO
PLACA
POSITIVA
PROCESO FINAL
DE LA
DESCARGA
PbSO4
4H2O
PbSO4
PROCESO DE LA
IONIZACIÓN
Pb++, SO4--
2H+, 4OH- , 2H+
PROCESO
PRODUCIDO POR 2e
LA CORRIENTE
MATERIALES
RESTAURADOS
SO4--, Pb++
2e
Pb++++
Pb
2H2O
H2SO4 H2SO4
PbO2
Resultado Neto:
•
•
•
El PbSO4 en la placa (-) se convierte en Pb.
El PbSO4 en la placa (-) se convierte en PbO2
El H2O del electrolito se convierte en H2SO4
El resultado neto de la DESCARGA es:


El Pb (placa negativa) y el PbO2 (placa positiva) son
convertidos en SULFATO DE PLOMO debido a la reacción
con el electrolito.
El H2SO4 ácido sulfúrico se convierte en agua al ceder el
radical sulfato a las placas (+) y (-).
 Ya que el H2SO4 H2O, 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.
Estado de Carga
Batería para
SLI
Batería para
Tracción
100 %
1.265
1.280
75 %
1.225
1.250
50 %
1.190
1.20
25 %
1.155
1.190
DESCARGADA
1.160
1.160
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.
Se usan normalmente antimonio, calcio y cadmio, en bajas
proporciones para darle rigidéz a la rejilla de plomo, y formar
una aleación con éste.
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.
 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 5080 % de su capacidad. El ejemplo típico de éstas baterías
son la sautomotrices.
 Las baterías plomo-ácido pueden ser descargadas del 1525% 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
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 PbO2 y el
H2SO4 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.
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)
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.
Curva de Voltaje a la Carga
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.
VOLTAJES DE CARGA DE
UNA CELDA PLOMOACIDO EN FUNCIÓN DE
SU ESTA DO DE CARGA
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
Para obtener la razón de carga a la que está recargando una
batería, simplemente divida s capacidad nominal (ampershoras) 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.
Curva de Voltajes a la Descarga
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.
Esto significa que las razones de descarga son muy
lentas, mayores a 24 horas (1 días). Por tanto, el
voltaje es reltivamente constante.
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.
 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
:
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:
TIPO
VENTAJAS
• Bajo costo
• Buena tolerancia a altas
Automotriz abierta
Automotriz libre
mantenimiento
Industrial de
tracción
(Montacargas)
temperaturas
Disponible localmente
•
• Bajo costo
• No requiere añadir agua
DESVENTAJAS
• Vida corta (menos de 2 años)
• Poca tolerancia a descargas profundas
• Requiere añadir agua
• Autodescarga importante conforme envejece
• Vida corta (menos de 2 años)
• Nula tolerancia a descargas profundas
• Poca tolerancia a altas temperaturas
• Disponibilidad limitada
• Costo medio
• Buena tolerancia a descargas • Disponible solo bajo pedido
profundas
• Requiere añadir agua (cada 3-6 meses)
• Buena tolerancia a
temperaturas altas
Vida media (5-8 años)
•
• Buena tolerancia a descargas
Estacionaria
abierta
•
•
•
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)
TIPO
VENTAJAS
• Transporte y manejo
Estacionaria
sellada, electrolito
inmovilizado
•
•
Niquel-Cadmio
simplificado (vía aérea
inclusive)
Pueden apilarse
verticalmente: menos espacio
de instalación
No requieren mantenimiento
ni adición de agua
• Tolera descargas profundas,
altas y bajas temperatuas,
vida útil hasta 20 años, casi
no requiere mantenimiento
DESVENTAJAS
• Costo alto
• Disponible solo bajo pedido
• Baja tolerancia a descargas profundas,
•
excepto para algunos modelos
Baja tolerancia a altas temperaturas excepto
en algunos modelos
• Costo de masiado alto
• Disponible solo bajo padido
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:
 Diariamente experimentan ciclos de descarga (noche) – carga (día) equivalentes
al 10-20 % 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).
 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.
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
ESTADO DE
CARGA
GRAVEDAD
ESP.
VOLTAJE
100 %
1.26- 1.28
12.75
50 %
1.19
12.2
0%
1.12
11.5
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.

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.
Ésta es válida sólo para aquellas
transparentes ( de ahí su ventaja).
celdas
con
vasos

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.
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.

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 1.275 (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
Aumentando la Capacidad
V Voltaje
I Corriente
R Resistencia (carga)
C Capacidad en A-Hr
+
R
-
12V
36V
+
+
12V
12V
_
+
12V
12V
Vt= 36 V
Baterías conectadas en Serie
SE INCREMENTA EL VOLTAJE
Una Batería
12v @ 100 A-Hr
12V
-
_
-
+
+
_
I
+
-
CAPACIDAD TOTAL
300 A-Hr
12V
+
12V
Baterías conectadas en Paralelo
SE INCREMENTA LA CAPACIDAD
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.
CB =
Ec x Au
VB x fu x Fi x bat
CB es la capacidad del banco de baterías (amp-hr).
Ec energía consumida diariamente por las cargas eléctricas.
VB voltaje de operación del banco de baterías.
Au autonomía del banco de baterías.
fu factor de uso para evitar que las baterías se descarguen
totalmente.
fu = 0.5 placa delgada
fu = 0.8 placa gruesa
Fi
factor de incremento
de la capacidad debido
a una razón de
descarga más lenta
Fi = 1.05 placa delgada
Fi = 1.35 placa gruesa
Baterías Recomendadas
TROJAN
Mod T-105
Especificaciones
Peso = 64 lb ( 30 kg.)
Vn
= 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.)
Vn
= 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
Construcción y Química de
Baterías
• Plomo-Acido Típico
• Tipos de Celdas Típicas
• Ciclo Poco Profundo
• Ciclo Profundo
• Química Plomo-Acido
Construcción de
Baterías Plomo-Acido
•
•
•
•
•
•
Relillas
Separadores
Elementos
Concentradores de celda
Contenedores
Tapas ventiladas
Construcción de la celda
de la Batería
Construcción Típica de una Celda de Placa Plana
Construcción de la celda
de la Batería
(Continuación)
Construcción Típica de
una Celda de Placa
Tubular
Construcción de Baterías
Construcción de Baterías
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
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
Química de Baterías de Plomo-Acido
Placa Negativa (Plomo Esponja Pb)
Cargado
Descargando
Pb + SO42
PB SO + 2e
Cargando
Placa Positiva (Dioxido de Plomo PbO2)
Descargando
PbO2 + SO42  + 4H+ + 2e
Cargando
PbSO4 + 2H2O
Reacción Neto (con elestrolito de Acido Sulfúrico H2SO4)
Descargando
PbO2 + Pb + 2H2SO4
2PbSO4 + 2H2O
Cargando
Operación de Baterías de Plomo-Acido
I
+
Cargado
–
Vc
Oxido de
Plomo
Esponja
de Plomo
PbO2
Pb
e
Concentrado H2SO4
I
Descargado
–
+
Sulfato de
Plomo
Sulfato de
Plomo
PbO4
PbO4
Diluída H2SO4
e
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
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)
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
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
... 57 °C (35 °F)
Atributos de Plomo – Antimonio
• Ventajas
- El Antiminio Añade Fortaleza
- Rápidas tasas de carga/descarga
- Múltiples descargas hasta el 50 - 80% 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 O2 y H2
.......para combinarlos en H2O para su retorno al electrolito
- Requiere frecuentemente que se le agregue agua
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
Comparación de Baterías
Vida
Ciclado
Gaseo
Costo inicial
Plomo-Antimonio
Regular
Bueno
Moderado
Bajo
Plomo-Calcio
Regular
Pobre
Bajo
Bajo
Plomo Bajo
Antimonio/Cadmio
Buena
Excelente
Moderado
Alto
Niquel-Cadmio
Excelente
Excelente
Alto
Alto
Otros Tipos de Baterías Comúnes
Costo Indicial en Ciclo de vida al 80 %
dólares/kWh
de la PdD
• Nife –Níquel-Fierro
500
2,000
• NiMH – Níquel-Metal Hidratado
• NiCd – Níquel-Cadmio en Bolsas
3,300
2,000
750
1,500
• NiCd – Níquel-Cadmio Depositado
1,800
1,000
120
500
• La – Tracción
70 – 80
1,000
• La – SLI
60 - 70
200
• La – Gel
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 descarga
15-25 %
15 – 25 %
15 – 25 %
100 %
Tasa de autodescarga
5%
1–4%
2–3%
3–6 %
Capacidad Típica,
Amp-hora/pie3
1000
700
250
500
Rango de Capacidades
Amp-hora/pie3
200 a 1425
164 a 1389
104 a 464
103 a 990
Capacidad Típica,
Amp-hora/libra
5.5
4.6
2.2
5.0
Rango de Capacidades
Amp-hora/libra
1.9 a 12.1
1.1 a 9.2
1.0 a 6.3
1.2 a 9.5
Minima Temperatura
ambiente (°F)
+20
+20
0
– 50
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
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
Temas de Operación de Baterías
•
•
•
•
Capacidad de la batería
Consideraciones de la temperatura
Estado de carga
Gravedad específica
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
Valores de Descarga de
Corriente Constante
Amperios a 25 °C (77 °F)
Ejemplo # 1:
Ejemplo # 2:
Ejemplo # 3:
0.9 A X 100 Horas = 90 A-h
3.6 A X 24 Horas = 90 A-h
6.4 A X 12 Horas = 90 A-h
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.
Características del Ciclo de Vida
para una tasa Baja de Descarga C/100
D
O
D
%
C
/
1
0
0
Gravedad Específica de
Baterías Nuevas Plomo - Acido
Gravedad Específica
Estado de Carga
A
B
C
D
100 % (Plena
Carga)
1.330
1.280
1.265
1.225
75 %
1.300
1.250
1.225
1.185
50 %
1.270
1.220
1.190
1.150
25 %
1.240
1.190
1.155
1.115
Descargada
1.210
1.160
1.120
1.080
A – Batería de vehículo Eléctrico
B – Batería de Tracción
C – Batería Automotríz
D – Batería Estacionaria
La Gravedad Específica
Bajo la Carga y la Descarga
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
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
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
Número Total de Celdas de la
Batería
(Paralelo)
•
Celdas en Paralelo
+

+

+

+

— La capacidad se determina por el número de celdas en
paralelo
— Requiere una buena técnica de instalación
Densidad de Almacenamiento
de Energía
• Tamaño
• Peso
• Área
• Densidad
Métrico
- PlomoAcido 0.50 – 1.1
- Ni-Cad
0.75 – 0.8
A-h
1.1 – 2.4
A-h
lb
kg
A-h
A-h
lb
1.7 – 1.8
kg
Tipos de Terminales
• Bandera (flag)
• “L”
• Remache (Stud)
• Poste
Información de Terminales
Especificaciones del Cable
•
Celdas de tensión
- Series
- Paralelo
•
•
Resistente al ácido
Cable flexible
- Sólido
- Tejido
•
Conectores
- Prensado de mano
- Prensado de máquina
- Soldado
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
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
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
Tasa de Auto Descarga
Plomo-Antimonio
Plomo-Calcio
Nuevo – 1 % al día a 25 °C
Nuevo – <0.5 % al día a 25 °C
Viejo – 5 % al día a 25 °C
Viejo – <0.5 % al día a 25 °C
Rejilla de plomo-Acido
Efecto de la Tasa de Descarga
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
Congelamiento del
Acido - Sulfúrico
Gravedad Específica
15°C
1.000
Punto de
Congelamiento °C
0.0
1.050
-3.0
1.100
-7.8
1.150
-15.0
1.200
-27.0
1.250
-52.0
Consideraciones de Campo
para sistemas de Batería
•
•
•
•
Areas problemáticas
Mantenimiento
Localización de fallas
Seguridad
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
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 I2R)
Otros Efectos
•
Cortos circuitos
— Sedimento excesivo
— Formación de “árboles”
— Formación de “musgo”
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
Voltaje de Batería vs. Estado de Carga
Voltaje de Batería en V.D.C.
Tasas de baja carga y descarga a 78 °C
Notas:
Corriente Constante
Carga y Descarga
Operacion a 25oC
Porcentaje del estado de Carga de Baterías (%)
BCS-56
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
Gravedad Específica
Prueba Real de un Sistema de Carga
Descarga durante trabajo igual al
sistema a comprobarse en el campo
•
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 Voc > 24 volts
Estimación del Hidrógeno
producido al Cargar Baterías
Plomo - Acido
Tasa máxima de producción de hidrógeno
(H) = 0.00027 (I) (N) Pies cúbicos/minuto
I = Tasa de carga en Amperios
N = Número de celdas concentradas en serie
Ventilación Requerida
Mínimos requerimientos por ventilación
(Q) = (H) (100) = 0.027 (I) (N)
C
C
pies cúbicos/minuto
C = Máxima concentración de Hidrógeno deseada
(por seguridad, C debe ser 0.02)
Adquisición de Baterías
• Consideraciones
• Especificaciones
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
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
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
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
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
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
Seguridad es un Asunto