07 abril 2012

El control de precisión de las baterías en instalaciones fotovoltaicas aisladas





Las instalaciones fotovoltaicas aisladas son sistemas con cierta complejidad donde el conocimiento de su funcionamiento es una cuestión vital. Nos referimos obviamente a las aplicaciones de la fotovoltaica que van más allá de los sistemas básicos convencionales.  En este nuevo artículo sobre las aplicaciones de la tecnología fotovoltaica vamos a hablar de las aplicaciones del control de precisión del voltaje de baterías en este tipo de instalaciones. Tomamos como ejemplo de funcionamiento el controlador de precisión de baterías BMV-600 de Victron.

¿Por qué controlar la batería?

Las baterías se usan en un amplio rango de aplicaciones, la mayor parte de ellas para almacenar energía en un uso posterior.  ¿Pero sabemos la cantidad de energía que hay almacenada en una batería? Nadie puede decírnoslo exactamente.

La tecnología de baterías a menudo se sobresimplifica, pero algunos conocimientos básicos son esenciales si deseamos disfrutar de la máxima vida en unas baterías caras. El tiempo de vida de las baterías depende de muchos factores. La vida de las baterías se reduce con bajas cargas, sobrecargas, excesiva profundidad de descarga, descargas demasiado rápidas y temperatura ambiente demasiado alta. Un control de la batería nos ayuda emplear medidas paliativas ante cualquier problema que pueda surgir.

¿Cómo funciona el controlador de precisión?

La capacidad de una batería se mide en Amperioshora (Ah). Por ejemplo, una batería que puede transmitir una corriente de 5 A durante un periodo de 20 horas se clasifica como de 100 Ah (5 x 20 = 100). El controlador mide continuamente el flujo de corriente neta hacia adentro y afuera de la batería y de esa forma se calcula la cantidad de energía que se extrae o añade a la batería. Pero cuando pasa el tiempo, la corriente de descarga y la temperatura todas influyen en al capacidad de la batería, así que no podemos depender simplemente de una lectura de Amperios hora. Cuando la misma batería de 100 Ah se descarga completamente en dos horas, dará solamente 56 Ah (debido a la alta tasa de descarga).

Como podemos ver la capacidad de la batería es casi la mitad. Este fenómeno es denominado eficiencia de Peukert). También, cuando la temperatura de la batería es baja, su capacidad decrece incluso más. Esto es porque los contadores de Amphora o voltímetros dan indicaciones alejadas del estado de carga real.

El BMV-600 puede mostrar tanto los Ah que se extraen (no compensados) y el estado de carga actual (compensado por la eficiencia de Peukert y eficiencia de carga). Leyendo el estado de carga es la mejor forma de leer la batería. Este parámetro se da en porcentaje, donde 100,0 % representa una batería completamente cargada y 0,0 % una batería completamente plana.

También hace una estimación del tiempo que la batería puede soportar la carga presente. Es el tiempo que queda hasta que la batería necesita ser cargada nuevamente. Ese es el tiempo que queda hasta que la batería necesita ser cargada nuevamente. Si la carga de la batería está fluctuando profundamente no será mejor depender demasiado de esta lectura ya que son lecturas momentáneas y solamente se usarán como guía.
Además de la función principal el BMV-600 ofrece muchas otras características. La lectura del voltaje y corriente actual del banco de baterías, la capacidad para almacenar datos históricos, la conexión a un PC y el voltaje de arranque de la batería son algunas características.

Factor de eficiencia de carga (CEF)

No toda la energía transferida a la batería durante el proceso de carga está disponible durante la descarga de la batería. La eficiencia de carga de una batería nueva es aproximadamente del 90 %, lo cual significa que 10 Ah deben transferirse a la batería para conseguir 9 Ah almacenados en la batería. Esta cifra de eficiencia se llama Factor de Eficiencia de Carga y decrecerá con la edad de la batería. El BMV-600 puede calcular automáticamente el CEF de la batería.

Exponente de Peukert

La eficiencia de Peukert describe cómo, cuando se descarga una batería más rápido que en 20 horas, su capacidad den Ah decrece. La cantidad de reducción de la capacidad de batería se llama “Exponente de Peukert” y puede ajustarse de 1 a 1,50. Cuanto mayor es el exponente de Peukert, más rápido mengua el tamaño de la batería con el incremento de la tasa de descarga. Una batería ideal tiene un Exponente de Peukert de 1, y el valor por defecto de 1,25 es aceptable para la mayoría de las baterías de plomo ácido. Sin embargo para un control preciso de las baterías, entrar el exponente de Peukert correcto es esencial.  Si el exponente de Peukert no es proporcionado en la batería, podemos calcularlo usando otras especificaciones que si se proporcionan a partir de la siguiente ecuación:

Las especificaciones de la bacteria necesarias para calcular el exponent de Peukert, son la capacidad de la batería (usualmente en descargas de 20 hr) y por ejemplo la capacidad de descarga de 5 horas. Vemos a continuación un ejemplo indicando cómo se define el exponente de Peukert usando estas dos especificaciones:

Capacidad de descarga en 5 horas

·         C5 = 75Ah
·         t1 = 5 hr
·         I1 = 75 Ah/5 hr = 15A

Capacidad de descarga en 20 horas:

·         C20 = 100 Ah (Capacidad nominal)
·         t2 = 20 hr
·         I2 = 100 Ah/20 hr = 5A
C20 = 100 Ah (Capacidad nominal)

Parámetros cargado

Basado en el incremento del voltaje de carga y la disminución de la corriente de carga, puede tomarse la decisión de si cargar o no la batería. Cuando el voltaje de la batería está por encima de un cierto nivel durante un periodo predefinido mientras la corriente de carga está por debajo de un cierto nivel para el mismo periodo, la batería puede considerarse completamente cargada. Estos niveles de corriente y voltaje, así como el periodo predefinido se denomina “parámetros cargados”. En general para una batería de plomo ácido de 12 voltios, el parámetro de voltaje cargado es 13,2 V y el parámetro de corriente cargado es 2 % de la capacidad de la batería total (ej. 4 A con una batería de 200 Ah).

Bibliografía: Precision Battery Monitor BMV-600. Victron
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