04 septiembre 2012

El proceso de carga y descarga de las baterías visto en detalle (4ª PARTE)


Ver 3ª PARTE

Método del rectificador

Cuando se requiere que una batería se cargue de una alimentación de corriente continua, se usa el método del rectificador. El rectificador convierte energía en corriente alterna en corriente continua. Generalmente se usa un puente rectificador para este propósito. La siguiente figura muestra el circuito usado para el método del rectificador.

Agrupamiento de células

La célula simple no es suficiente para proporcionar en muchos casos el voltaje necesario. Prácticamente varias células se agrupan para obtener la batería que proporciona el voltaje o corriente necesarios. Las células se agrupan de tres formas:
  1. Agrupamiento en serie.
  2.  Agrupamiento en paralelo.
  3. Agrupamiento serie – paralelo.

Agrupamiento serie

En la figura con la que iniciamos este artículo se muestra el agrupamiento de células para obtener la batería. Hay n células conectadas en serie.
Donde:
  • E= F.E.M. de cada célula.
  • R = Resistencia interna de cada célula.
  • V = Voltaje total disponible = n x E voltios
  • RT = Resistencia del circuito total = Carga + células = RL + n x R


Agrupamiento paralelo

En este método, los terminales de las células se conectan juntos y los terminales negativos se conectan juntos como se muestra en la siguiente figura.

Agrupamiento paralelo de células

La fuerza electromotriz de cada batería debe ser la misma como E.
  • V = Voltaje de la batería = E = fuerza electromotriz de cada celda
  • R = Resistencia interna de cada célula
  • In = Corriente a través de la rama n
  • I = Corriente total



Agrupamiento serie paralelo

En la práctica varios grupos pueden conectarse en paralelo donde cada grupo es una combinación serie de células.
 
Esto se usa para satisfacer tanto los requerimientos de voltaje como de corriente de la carga.

Células alcalinas

Las células secundarias pueden ser células alcalinas. Estas son de dos tipos.
  1. Célula ferro - níquel o célula de Edison.
  2. Níquel  - cadmio o célula Nife o de Junger.

Célula ferro-níquel

En esta célula,

El electrolito es un álcali de solución al 21 % de solución de hidróxido de potasio (KOH). Las  barras aisladas se usan para separar las placas positivas y negativas.

Reacción química

En una condición cargada, el material de una placa positiva es Ni(OH)3 y la placa negativa es hierro. Cuando se conecta a la carga y comienza la descarga, el hidróxido de níquel se convierte en un hidróxido de níquel más bajo como Ni(OH)2 mientras que el hierro en la placa negativa se convierte en hidróxido ferroso Fe(OH)2. Cuando se carga de nuevo, tiene lugar una reacción reversible, reganando material en cada placa.

Características eléctricas

Las características eléctricas indican las variaciones en el voltaje del terminal de la célula contra las horas de carga y descarga. La siguiente figura muestra las características eléctricas de la célula de hierro níquel durante la carga y la descarga.

Características eléctricas de la célula ferro-níquel

Cuando está completamente cargada su voltaje es aproximadamente 1,4 V y durante la descarga se reduce a alrededor de 1,1 – 1 V. Durante la carga, el voltaje de la carga promedio es 1,7 – 1,75 V.
Para las células ferro-níquel no hay un voltaje mínimo específico por debajo del que la celda no debe descargarse para evitar daño en la célula.

Capacidad

Se ha mencionado que el electrolito no sufre ningún cambio químico en la celda. Así la gravedad específica del electrolito queda constante durante largos periodos. Por ello la tasa de descarga no afecta la capacidad amperios-hora de esta célula significativamente. Así la capacidad Ah de la celda de ferro-níquel queda casi constante. Pero se encuentra afectada por la temperatura. La siguiente figura muestra la capacidad Ah contra la curva de tiempo de descarga para la celda de ferro-níquel.

Capacidad Ah contra la curva de tiempo de descarga

Eficiencia

La resistencia interna de la celda de hierro níquel es más alta que la de la célula de plomo por ello tanto las eficiencias en amperios hora como en vatio hora son menores que en las de plomo ácido. La eficiencia en amperio hora es alrededor del 80 % mientras que la eficiencia en vario hora es alrededor del 60 %.

Ventajas

Las ventajas de las celdas de ferro-níquel son:
  1. Ligera en peso comparada con la celda de plomo ácido.
  2. Construcción compacta.
  3. Mecánicamente fuerte y puede soportar vibraciones considerables.
  4. Libre de sulfatación y corrosión.
  5. Se requiere menos mantenimiento.
  6. No desarrollan humos agresivos peligrosos.
  7. Proporcionan vida en servicio más prolongadas.

Desventajas

Las desventajas de las celdas de ferro-níquel son:
  1. Altos costes iniciales.
  2. Voltaje bajo por celda de alrededor de 1,2 V.
  3. Alta resistencia inicial.
  4. Eficiencia de operación más baja.

Aplicación

Las baterías de ferro-níquel se usan en:
  1. Locomotoras de minas y lámparas de seguridad de minas.
  2. Naves espaciales.
  3. Estaciones inalámbricas de repetidores.
  4.  Abastecimiento de energía en tractores, submarinos, aeroplanos, etc.

Celdas de níquel – cadmio

La construcción de esta celda es similar a la celda de ferro-níquel excepto el material activo usado para la placa negativa.
Se usa electrolito con una solución del 21 % de hidróxido potásico (KOH) en agua destilada. La gravedad específica del electrolito es alrededor de 1,2.
Poco hierro se añade al cadmio para conseguir la placa negativa. El hierro previene el apelmazamiento del material activo y pérdida de su porosidad.

Reacción química

En esta celda también, en condiciones de trabajo Ni(OH)3 se convierte en hidróxido de níquel más bajo como Ni(OH)2 mientras que el hidróxido de cadmio Cd(OH)2 se forma en la placa negativa. Durante la carga tiene lugar una reacción inversa. El electrolito no se sufre ningún cambio químico.

Características

  1. Las características eléctricas son similares a la celda de ferro-níquel.
  2. Debido al uso del cadmio, la resistencia interna es baja.
  3. Las eficiencias son un poco mayores que las de las celdas de ferro-níquel.
  4. Las ventajas y desventajas son las mismas que las de las celdas de ferro-níquel.
  5. Pueden usarse varios métodos de carga tales como corriente constante, voltaje constante y trickel.

Aplicaciones

Varias aplicaciones de las baterías de níquel-cadmio son:
  1. En ferrocarril para sistemas de iluminación y aire acondicionado.
  2. En aeroplanos militares, helicópteros y aerolíneas comerciales para motores de arranque y proporcionar energía a los motores de arranque.
  3. En equipos fotográficos, cámaras de cine y fotoflash.
  4. En afeitadoras eléctricas.
  5. Debido a su pequeño tamaño en una gran variedad de dispositivos electrónicos sin cable.

Comparación entre varias baterías


Particular
Celda de plomo ácido
Celda de ferro-níquel
Celda de níquel cadmio
1
Placa positiva
Peróxido de plomo (PbO2)
Hidróxido de níquel Ni(OH)3
Hidróxido de níquel Ni(OH)3
2
Placa negativa
Plomo (Pb)
Hierro (Fe)
Cadmio (Cd)
3
Electrolito
Ácido sulfúrico H2SO4
Hidróxido de potasio KOH
Hidróxido de potasio KOH
4
Fuerza electromotriz promedio
2,0 Vicell
1,2 Vicell
1,2 Vicell
5
Resistencia interna
Baja
Alta
Baja
6
Eficiencia Ah
90 a 95 %
70 – 80 %
70 – 80 %
7
Eficiencia Wh
72 a 80 %
55 – 60 %
55 – 60 %
8
Capacidad Ah
Depende de la tasa de descarga y la temperatura
Depende sólo de la temperatura
Depende sólo de la temperatura
9
Coste
Menos caro
Casi dos veces la celda de plomo ácido
Casi dos veces la celda de plomo ácido
10
Vida útil
1250 cargas y descargas
Alrededor de 8 o 10 años
Vida útil muy alta
11
Peso
Moderado
Ligero
Más pesado
12
Resistencia mecánica
Pobre
Buena
Buena



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