10 septiembre 2013

Diseño y desarrollo de baterías para aplicaciones fotovoltaicas (1ª PARTE)



El almacenamiento en baterías es el componente más crítico de un sistema fotovoltaico por la disponibilidad del sol en un dominio de 24 horas y la naturaleza intermitente de la radiación disponible.
En este artículo artículos los objetivos específicos son:
  • Análisis de fallos de baterías usadas en aplicaciones fotovoltaicas existentes.
  • El diseño y desarrollo de baterías de plomo ácido para aplicaciones fotovoltaicas.
  • Desarrollo de protocolos de ensayo para aplicaciones fotovoltaicas de baterías.
  • Exploración de las químicas de baterías distintas a las baterías de plomo ácido.
  • Estudio de los diseños de circuitos existentes para controladores de carga y optimización de su rendimiento.

En aplicaciones de energía solar llevadas a cabo con baterías VRLAB, AGM-VRLAB, VRLAB de electrolito gelificado y baterías de plomo ácido de electrolito inundado se sugiere que las baterías VRLA exhiben tanto ventana operacional baja, como mínima pérdida de agua y buen estado de salud comparado con baterías de plomo ácido. Esto se muestra en la figura con la que abrimos este artículo. En esa figura se muestran histogramas mostrando ventana operacional, pérdida de agua y estado de salud para VRLA híbrido, AGM VRLA, VRLA gelificada y baterías de plomo ácido inundadas.
En la siguiente figura se muestran los datos de carga en a) Día claro y b) Día nublado para varios tipos de baterías de plomo ácido empleadas durante la aplicación de iluminación solar. Esto afecta a las características de descarga del sistema de almacenamiento ya que el final del voltaje de descarga se alcanza tan rápidamente como se muestra en la figura.

                                                
Ilustración 1. Datos de descarga típica en (a) días claros y (b) días nublados para varios tipos de baterías de plomo ácido
Controlador de carga
En los sistemas fotovoltaicos aislados, los controladores de carga regulan la corriente de la disposición fotovoltaica en orden de proteger la batería de sobrecargas y descargas profundas. El controlador de carga es por lo tanto el gestor de energía en un sistema fotovoltaico estacionario. La mayoría de los controladores inicialmente permitirán que toda la salida de corriente desde la disposición fotovoltaica pase a la batería, luego, cuando la carga está cerca de completarse, se amortiguará o interrumpirá la corriente de acuerdo con la capacidad de la batería para aceptar carga. Es un circuito electrónico que supervisa la entrada y salida de la carga de la batería y, basándose en una serie de umbrales de voltaje, regula el flujo de corriente en orden de limitar la sobrecarga y sobre descarga. Aunque el controlador es uno de los componentes menos costosos de los sistemas fotovoltaicos estacionarios, fuertemente influye en la fiabilidad a largo plazo y los costes de mantenimiento del sistema fotovoltaico estacionario. Eligiendo el mejor controlador para un sistema y aplicación particular, y configurarlos correctamente es fundamental. Los controladores generalmente se construyen en configuraciones de tipo serie o paralelo. Para evitar el envejecimiento acelerado, las baterías VRLA en los sistemas fotovoltaicos no se descargarán por debajo del 40 % del estado de carga {SOC} en relación a la capacidad nominal a I20.
Estudios del efecto de los controladores de carga en el rendimiento de AGM VRLAB 12V/50 Ah
Varios estudios han encontrado diferencias significativas en el comportamiento de los reguladores de carga de distintos fabricantes. Algunos resultados pueden verse en las siguientes figuras:
Ilustración 2. Curvas de carga en un día claro

Se ha averiguado que la corriente de carga varía entre diferentes fabricantes. Esto afecta a la vida de la batería. Para cualquier controlador de carga debe dimensionarse de forma que regule hasta un 130 % de la corriente de cortocircuito nominal. El tamaño del controlador puede calcularse multiplicando la corriente de cortocircuito del módulo por el número de módulos en paralelo y el factor de seguridad 1,3. La corriente estacionaria que se consume por el controlador varía usualmente de 1 a 20 mA.

Controlador de carga de modulación de anchura de pulso

En el controlador de carga PWM, la descarga comienza cuando el voltaje de la batería es mayor o igual a 12,5 V. Esto evitará la descarga profunda de la batería y extendería la descarga de la batería.

Ilustración 3. Curvas de carga en un día nublado

Como puede verse las corrientes de carga varían con diferentes fabricantes. Esto afecta la vida de la batería. Para cualquier controlador de carga su tamaño debe estar dimensionado para regular hasta un 130 % de la corriente de cortocircuito nominal del módulo. El tamaño del controlador puede calcularse multiplicando la corriente ISD de un módulo por el número de módulos en paralelo y el factor de seguridad 1,3. La corriente en standby que se consume por el controlador varía usualmente en un rango que va de 1 a 20 mA.
En orden de superar algunos de los problemas anteriormente descritos se llevaron a cabo estudios con controladores de carga de modulación ancha de pulso. Tal tipo de pulsos mantienen las baterías en un estado completamente cargado. También se descompone irreversiblemente el sulfato de plomo y se forma una capa de pasivación.


Ilustración 4. Diagrama de bloque de PIC basado en controlador de carga PWM


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