Almacenamiento de energía en baterías para el sistema fotovoltaico
Las baterías almacenan y producen energía según sea necesario. En los sistemas fotovoltaicos, capturan el excedente de energía generado por su sistema fotovoltaico para permitirle almacenar energía para usarla más tarde durante el día. Al igual que tecnologías como las pilas de combustible, una batería convierte la energía química en energía eléctrica. Las baterías recargables también convierten la energía eléctrica en energía química. Dependiendo de su sistema fotovoltaico en particular, las baterías pueden ayudarle a utilizar más energía recolectada por su sistema fotovoltaico. Las baterías pueden proporcionar energía cuando las cargas eléctricas requieren más energía de la que generan los paneles fotovoltaicos. Esto puede deberse a la generación de menos electricidad debido a condiciones climáticas adversas, un uso de energía mayor de lo normal u otras anomalías en la recolección de energía fotovoltaica. Las baterías también ayudan a establecer el voltaje de funcionamiento de CC para los componentes auxiliares necesarios en el sistema fotovoltaico. Sin embargo, pueden ser costosos y cada sistema debe diseñarse extremadamente bien para que valga la pena el gasto adicional.
Durante el día:
• El sistema fotovoltaico genera energía solar.
• El sistema comprobará si toda la generación de energía se puede utilizar para alimentar su hogar.
• Cualquier excedente de energía se utilizará para cargar la batería.
• Si la batería ya está cargada, el exceso de energía se exportará a la red.
Por la noche o cuando haya baja generación de energía:
• El sistema fotovoltaico genera poca o ninguna energía solar.
• La energía se obtiene del sistema de baterías.
• Una vez descargada la batería, se puede obtener electricidad de la red.
Los sistemas solares fotovoltaicos que no tienen un método de almacenamiento de energía transportarán el excedente de energía a la red eléctrica local, y cuando los paneles fotovoltaicos no generan suficiente energía para sus necesidades, la red debe suministrar electricidad
Los sistemas fotovoltaicos que tienen respaldo de batería cuestan mucho más de instalar porque se requieren muchos otros equipos, como inversores, baterías y controladores de carga. El diseño e instalación de estos sistemas implica la realización de un análisis de carga y cableado específico en subpaneles específicos. El tamaño de la batería se basa en la carga eléctrica diaria promedio y la cantidad de días de almacenamiento de la batería.
Tipos de batería
Hay muchos tipos de baterías que se pueden utilizar en sistemas fotovoltaicos. El tipo de plomo-ácido es el más común, pero las baterías de iones de litio son cada vez más populares. La Tabla 1 compara estos dos tipos de baterías más comunes. Una fuerza motriz (batería de tracción) es una batería de plomo-ácido diseñada para usarse en aplicaciones de descarga profunda, como vehículos eléctricos. Las baterías de tracción se utilizan en sistemas fotovoltaicos independientes y se diferencian de las baterías de descarga profunda porque utilizan placas más pesadas y gruesas y fuertes conexiones entre celdas para soportar las tensiones mecánicas de las descargas profundas.
Tabla 1: Dos tipos más comunes de baterías para almacenamiento de sistemas fotovoltaicos
Las baterías líquidas tienen una solución electrolítica líquida. Las baterías de plomo-ácido ventiladas liberan gases de hidrógeno y oxígeno; por lo tanto, se debe proporcionar una ventilación adecuada tanto para los sistemas de baterías ventilados como para los sellados. Generalmente es aconsejable proporcionar requisitos de ventilación adecuados similares a los de un calentador de agua de combustión. No existen requisitos de ventilación específicos, las celdas ventiladas deben incorporar un parallamas para ayudar a prevenir explosiones provenientes de fuentes de ignición externas y las baterías selladas deben tener respiraderos de alivio de presión.
Las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA) tienen un electrolito a base de gel y no tienen los mismos requisitos de mantenimiento que las baterías de plomo-ácido ventiladas. Sin embargo, son menos tolerantes a la sobrecarga y a las temperaturas más altas, además de ser más caros.
Capacidad de la batería
Los sistemas de almacenamiento de baterías suelen tener potencias nominales en kilovatios (kW) y suelen oscilar entre 1 y 7 kW. La potencia nominal es la capacidad de la batería para proporcionar energía. La medida de la capacidad de almacenamiento de la batería se realiza en amperios-hora (Ah) o kilovatios-hora (kWh). Una batería de 12 voltios con una potencia de 480 Ah almacena 2,25 kWh de energía. Suele ser mayor que la capacidad real de las baterías porque:
• Las baterías pierden algo de energía durante la carga y descarga.
• Las baterías no se pueden descargar completamente
La producción de energía de la batería se ve afectada por el diseño y la química de la batería, por lo que la cantidad de placas, las dimensiones de las placas y la gravedad específica del electrolito afectan la producción de energía. La capacidad real de la batería siempre es menor que la capacidad nominal de la batería. La capacidad de la batería con el tiempo afecta la capacidad utilizable de la batería, es decir, la antigüedad de la batería, la temperatura de funcionamiento y la tasa de descarga. La “profundidad de descarga” para los sistemas típicos de baterías de plomo-ácido es de aproximadamente el 50% y es del 75% para las baterías de iones de litio.
La tasa de carga o descarga se expresa como una relación entre la capacidad de la batería (C) y el período de tiempo de carga o descarga en horas. Una batería de 50 amperios-hora descargada a 5 amperios durante 10 horas tiene una clasificación C/10 o una tasa de descarga de 10 horas. Alternativamente, la capacidad eléctrica se puede indicar en amperios-hora (Ah); donde Ah x Voltaje = kWh. El porcentaje de capacidad disponible de la batería se denomina estado de carga. La profundidad de descarga es el porcentaje de capacidad que se ha eliminado. Estos dos están relacionados por lo siguiente:
estado de carga + profundidad de descarga = 100%
La profundidad de descarga permitida es aproximadamente del 75 al 80 % para baterías de ciclo profundo. En climas muy fríos, las baterías deben protegerse contra la congelación porque la densidad del electrolito disminuye al aumentar la temperatura.
La vida útil de una batería depende de la química de la batería y del número de ciclos (ciclos completos de carga y descarga de la batería) a los que se somete. La esperanza de vida de la batería suele expresarse en años o ciclos de carga-descarga. Un ejemplo sería una especificación de 10 años o 10.000 ciclos. A menudo, el rendimiento de la batería se controlará a través del sistema fotovoltaico para que sepa cuándo es necesario reemplazar las baterías.
Al observar las especificaciones de la batería, hay muchos factores a considerar:
• Capacidad
• Voltaje
• Tarifas de carga/descarga
• Ciclo vital
• Tamaño
• Peso
• Inundado o VRLA
• Seguridad
• Condiciones ambientales
• Requisitos de almacenamiento
• Garantía
• Costos
Los sistemas fotovoltaicos requieren un controlador de carga para proteger las baterías contra sobrecargas. Una regla general es que si la tasa de carga máxima de los módulos fotovoltaicos multiplicada por una hora es igual al 3% de la capacidad nominal en amperios-hora de la batería o más, se requiere un controlador de carga. Una batería sobrecargada puede crear una condición peligrosa y reducir en gran medida su vida útil. Por lo tanto, es posible que los controladores de carga tengan protección contra sobrecarga incorporada.
Los requisitos de las instalaciones de baterías limitan el voltaje de las baterías de plomo-ácido a no más de 48 voltios. Esto implica 24 celdas de plomo-ácido de 2 voltios conectadas en serie o 40 celdas de níquel-cadmio de tipo alcalino de 1,2 voltios en serie. Las instalaciones de baterías deben incluir espacios de trabajo, espacios libres y ventilación adecuados. Si las baterías conectadas entre sí producen más de 48 V, entonces las baterías deben separarse o conectarse de manera que solo permitan un máximo de 48 voltios.
¿Qué sistema de batería podría ser el poder?
Un sistema de almacenamiento de baterías doméstico de tamaño mediano puede alimentar su refrigerador, luces, televisor y computadora portátil. Se consumirán unos pocos KWh de electricidad durante 4 a 5 horas. Electrodomésticos como una lavadora y una secadora pueden consumir tanta energía en un solo uso
Montaje del sistema de batería
Los bastidores y bandejas para montar sistemas de baterías suelen estar hechos de metal, fibra de vidrio u otros materiales no conductores. Los bastidores metálicos deben pintarse o cubrirse con aislamiento para brindar protección contra fugas de electrolitos de las baterías. Los bastidores conductores no deben ubicarse a menos de 150 mm de la parte superior de las cajas de baterías. Todos los bastidores conductores deben estar conectados a tierra adecuadamente y se deben instalar dispositivos de sobrecorriente limitadores de corriente.
Al instalar sistemas de baterías, se necesitan precauciones de seguridad especiales. Las baterías presentan peligros como electrolitos cáusticos, altas corrientes de cortocircuito, peligros de arco eléctrico y gases de hidrógeno y oxígeno. Los sistemas de alto voltaje pueden tener riesgos de arco eléctrico. Las baterías también son muy pesadas y, en ocasiones, es posible que sea necesario moverlas utilizando los métodos adecuados respaldados por el fabricante.
Autonomía
La cantidad de días que una batería completamente cargada puede satisfacer la carga del sistema sin recargarse se llama autonomía. La autonomía se puede calcular utilizando la carga diaria promedio, la capacidad nominal de la batería y la profundidad de descarga máxima permitida. Los conceptos básicos para seleccionar la batería del tamaño adecuado son:
• Calcular la carga del sistema
• Seleccione el número de días que la batería necesita para ofrecer autonomía en el sistema
• Utilice la profundidad de descarga adecuada para calcular los amperios-hora utilizables.
Si la carga del sistema es de 75 Ah por día y se selecciona una batería de 300 Ah con una profundidad de descarga permitida del 75%, entonces habría 225 Ah utilizables. El diseño de la batería entregaría entonces 225 Ah/(75 Ah/día) = 3 días. Ciertas cargas pueden necesitar más de 3 días de autonomía, y si hay otra fuente de respaldo como un generador, entonces puede que se requiera menos autonomía.
Costos y beneficios
Se debe comparar el costo del sistema de baterías con los beneficios estimados:
• El costo del sistema, incluidos los costos de funcionamiento del sistema.
• El costo de reemplazar el sistema de almacenamiento de batería al menos una vez durante la vida útil del panel fotovoltaico.
• Cada kWh de la batería es un kWh que no tienes que utilizar de la red. Esto depende del tamaño de su sistema fotovoltaico, del sistema de respaldo de batería y de su perfil de carga durante todo el año.
Si se compara el costo total con los beneficios por año, se puede calcular en cuántos años el sistema se amortizará solo. Si es posible, sería beneficioso tener en cuenta el cambio en el uso, el cambio en el precio de la electricidad y la inflación.
Conclusión
Revisamos los conceptos básicos del sistema de almacenamiento en batería, los tipos de batería más populares, las especificaciones de la batería, la autonomía y los costos. Al comparar sistemas de baterías, tiene sentido obtener varias cotizaciones para sistemas similares, ya sean sistemas de baterías independientes o todo el sistema de almacenamiento de baterías fotovoltaicas.
