j. césar rosas porcayo aarón sánchez-juárez centro de investigación en energía-unam priv. de...

J. César Rosas PorcayoAarón Sánchez-Juárez

Centro de Investigación en Energía-UNAMPriv. de Xochicalco s/n, Col. Centro

Temixco, Mor.e-mail: asj@mazatl.cie.unam.mx

UNAM

TECNOLOGÍAS DE ACUMULADORES PLOMO - ACIDO

Baterias SecundariasBaterias 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 ElectroquímicasTipos de Celdas Electroquímicas

PLOMO- ACIDO

NIQUEL-CADMIO

NIQUEL-FIERRO

NIQUEL-ZINC

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.

Vn volts 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

POTENCIA35 W-h / kg

20 27 60 90 55

Baterias de Plomo - AcidoBaterias 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.

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.

LA CELDA ELECTROQUÍMICA DE PLOMO-ÁCIDO LA CELDA ELECTROQUÍMICA DE PLOMO-ÁCIDO ESTÁ FORMADO POR:ESTÁ FORMADO POR:

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 OperaciónPrincipio 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

PLACA NEGATIVA

ELECTROLITO PLACA POSITIVA

MATERIAL Pb 2H2SO4 + H2O PbO2

PRCESO DE IONIZACIÓN SO4

--, SO4-- , 4H+

++

4OH- , Pb++

PROCESO DE PRODUCCIÓN

DE CORRIENTE2e + Pb++ Pb++ — 2e

PRODUCTO FINAL PbSO4

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+ SO4

--, Pb++

PROCESO PRODUCIDO POR LA CORRIENTE

2e

2e

Pb++++

MATERIALES RESTAURADOS Pb

2H2O

H2SO4 H2SO4PbO2

Resultado Neto: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 BateríaEficiencia en una BateríaUna 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.

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.

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 50-80 % de su capacidad. El ejemplo típico de éstas baterías son la sautomotrices.

Las baterías plomo-ácido pueden ser descargadas del 15-25% 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 VoltajeCurva 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 CargaCurva de Voltaje a la 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

VOLTAJES DE CARGA DE UNA CELDA PLOMO-ACIDO EN FUNCIÓN DE SU ESTA DO DE CARGA

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.

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 DescargaCurva 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.

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 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE BATERÍASTIPOS 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 DESVENTAJAS

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)

TIPO VENTAJAS DESVENTAJAS

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

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:

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 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).

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 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.

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

V Voltaje

I Corriente

R Resistencia (carga)

C Capacidad en A-HrUna Batería

12v @ 100 A-Hr

+

+

Baterías conectadas en ParaleloSE INCREMENTA LA CAPACIDAD

12V

12V

12V

12V

_+

_+

_

+

+

-

12V 12V 12V

36V

-R

I

12V

Aumentando la CapacidadAumentando la Capacidad

+ -

Baterías conectadas en SerieSE INCREMENTA EL VOLTAJE

+

-CAPACIDAD TOTAL

300 A-Hr

Vt= 36 V

Dimensionamiento de un Banco de Dimensionamiento de un Banco de BateríasBaterías

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.

Ec x Au CB =

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

factor de incremento de la capacidad debido a una razón de descarga más lenta

Fi

Fi = 1.05 placa delgada Fi = 1.35 placa gruesa

Baterías RecomendadasBaterías RecomendadasTROJAN 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 Construcción y Química de BateríasBaterías

• Plomo-Acido Típico

• Tipos de Celdas Típicas

• Ciclo Poco Profundo

• Ciclo Profundo

• Química Plomo-Acido

Construcción de Construcción de Baterías Plomo-AcidoBaterías Plomo-Acido

• Relillas

• Separadores

• Elementos

• Concentradores de celda

• Contenedores

• Tapas ventiladas

Construcción de la celda de Construcción de la celda de la Bateríala Batería

Construcción Típica de una Celda de Placa Plana

Construcción de la celda de Construcción de la celda de la Bateríala Batería

(Continuación)

Construcción Típica de una Celda de Placa Tubular

Construcción de BateríasConstrucción de Baterías

Construcción de BateríasConstrucción de Baterías

Ciclo Poco Profundo Configuración de la Ciclo Poco Profundo Configuración de la Placa InundadaPlaca Inundada

• Gran Número de Placas Delgadas

• Menos Plomo

• Peso Ligero

• Altas Corrientes por Periodos Cortos

• Demanda por Ciclo Profundo

Ciclo Poco Profundo Construcción de Ciclo Poco Profundo Construcción de Placas InundadasPlacas 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-AcidoQuímica de Baterías de Plomo-Acido

Placa Negativa (Plomo Esponja Pb) Cargado

Pb + SO42 PB SO + 2e

Descargando

Cargando

Placa Positiva (Dioxido de Plomo PbO2)

PbO2 + SO42 + 4H+ + 2e

Descargando

CargandoPbSO4 + 2H2O

Reacción Neto (con elestrolito de Acido Sulfúrico H2SO4)

PbO2 + Pb + 2H2SO4

Descargando

Cargando2PbSO4 + 2H2O

Operación de Baterías de Plomo-AcidoOperación de Baterías de Plomo-Acido

Oxido de Plomo

PbO2

Esponja de Plomo

Pb

Concentrado H2SO4

+

I

–Vc

e

Cargado

Sulfato de Plomo

PbO4

Sulfato de Plomo

PbO4

I – e

Diluída H2SO4

Descargado

+

Baterías Plomo - AcidoBaterías 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 - CalcioAtributos 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 InundadaAtributos 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 Atributos de Plomo – Calcio, Electrilito CautivoCautivo

• 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 – AntimonioAtributos 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 Baterías de Plomo – Antimonio Ciclo ProfunoProfuno

• 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 BateríasComparación 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 ComúnesOtros Tipos de Baterías Comúnes

Costo Indicial en dólares/kWh

Ciclo de vida al 80 % de la PdD

• Nife –Níquel-Fierro 500 2,000

• NiMH – Níquel-Metal Hidratado 3,300 2,000

• NiCd – Níquel-Cadmio en Bolsas 750 1,500

• NiCd – Níquel-Cadmio Depositado 1,800 1,000

• La – Gel 120 500

• La – Tracción 70 – 80 1,000

• La – SLI 60 - 70 200

Sumario de Carácterísticas de BateríasSumario 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 - CadmioBaterías 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 - HierroBaterías 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 BateríasTemas de Operación de Baterías

• Capacidad de la batería

• Consideraciones de la temperatura

• Estado de carga

• Gravedad específica

Capacidad de la BateríaCapacidad 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 Valores de Descarga de Corriente Constante Amperios Corriente Constante Amperios

a 25 °C (77 °F)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

Proporción de Capacidad Proporción de Capacidad Batería Plomo – Acido Batería Plomo – Acido

Tasa de Descarga Amperio - HoraTasa 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 Características del Ciclo de Vida para una tasa Baja de Descarga C/100para una tasa Baja de Descarga C/100

DOD

%

C/

100

Gravedad Específica de Baterías Gravedad Específica de Baterías Nuevas Plomo - AcidoNuevas 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 La Gravedad Específica Bajo la Carga y la DescargaCarga y la Descarga

Efectos de la TemperaturaEfectos 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 Consideraciones en el Diseño de Sistemas de BateríasSistemas 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 BateríaNúmero 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

+ +

+ +

• 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 BateríaNúmero Total de Celdas de la Batería(Paralelo)

Densidad de Almacenamiento de Densidad de Almacenamiento de EnergíaEnergía

• Tamaño

• Peso

• Área

• Densidad

- PlomoAcido 0.50 – 1.1 1.1 – 2.4

- Ni-Cad 0.75 – 0.8 1.7 – 1.8

A-h

lb

A-h

lb

A-h

kg

A-h

kg

Métrico

Tipos de TerminalesTipos de Terminales

• Bandera (flag)

• “L”

• Remache (Stud)

• Poste

Información de Terminales

Especificaciones del CableEspecificaciones 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 - AcidoIgualación 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 CalendarioVida 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 AguaPérdida 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

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 DescargaTasa de Auto Descarga

Rejilla de plomo-Acido

Efecto de la Tasa de DescargaEfecto de la Tasa de Descarga

Protección de la BateríasProtección 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 Congelamiento del Acido - SulfúricoAcido - Sulfúrico

Gravedad Específica 15°C

Punto de Congelamiento °C

1.000 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 Consideraciones de Campo para sistemas de Bateríapara sistemas de Batería

• Areas problemáticas

• Mantenimiento

• Localización de fallas

• Seguridad

SobrecargandoSobrecargando

• 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

SubcargaSubcarga

• 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 EfectosOtros Efectos

• Cortos circuitos

— Sedimento excesivo

— Formación de “árboles”

— Formación de “musgo”

Mantenimiento de BateríasMantenimiento 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 CargaVoltaje de Batería vs. Estado de CargaTasas de baja carga y descarga a 78 °C

Notas:

Corriente Constante Carga y Descarga

Operacion a 25oC

Porcentaje del estado de Carga de Baterías (%)

Vol

taje

de

Bat

ería

en

V.D

.C.

BCS-56

Localización de fallas en Localización de fallas en BateríasBaterías

• 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 EspecíficaGravedad Específica

Prueba Real de un Sistema de CargaPrueba Real de un Sistema de CargaDescarga durante trabajo igual al sistema a comprobarse en el campo

Seguridad con las BateríasSeguridad 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 Estimación del Hidrógeno producido al Cargar Baterías Plomo - Acidoal 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 RequeridaVentilación Requerida

Mínimos requerimientos por ventilación

(Q) = (H) (100) = 0.027 (I) (N) pies cúbicos/minutoC C

C = Máxima concentración de Hidrógeno deseada

(por seguridad, C debe ser 0.02)

Adquisición de BateríasAdquisición de Baterías

• Consideraciones

• Especificaciones

Criterio para Elegir BateríasCriterio para Elegir BateríasPreguntas 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 BateríasCriterio 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 BateríasCriterio 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 Especificaciones para la Aduisición de BateríasAduisición 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 Especificaciones para la Adquisición de BateríasAdquisición 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 Especificaciones Adicionales del Fabricante de Bateríasdel 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 AsuntoSeguridad es un Asunto