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
Ver 2ª PARTE
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