Baterías de plomo-ácido. En las instalaciones de energía solar fotovoltaica el acumulador adapta los diferentes ritmos de producción y de demanda de energía. En los sistemas de bombeo solar directo el almacenamiento de energía se realiza directamente en forma de energía potencial del agua (en depósitos en altura), no obstante en la mayoría de los sistemas el acumulador está constituido por una batería de plomo-ácido. Con menor frecuencia se utilizan baterías de níquel-cadmio (con un precio muy superior a las de plomo-ácido). Un generador de f.e.m. de plomo-ácido está constituido por un ánodo de bióxido de plomo (electrodo positivo), un cátodo de plomo (polo negativo) y un electrolito de ácido sulfúrico diluido en agua. Cuando el generador se conecta a un circuito que consume potencia eléctrica, en ambos electrodos se produce PbSO4, disminuyendo la concentración del electrolito. En el cátodo se liberan electrones que circulan por el circuito externo hasta el ánodo. Ánodo:

OHPbSOeHSOPbO 24242 224 +↔+++

−+− (� descarga; carga �) Cátodo:

−−+↔+ ePbSOSOPb 24

24 (� descarga; carga �)

Reacción global:

OHPbSOSOHPbOPb 24422 222 +↔++ (� descarga; carga �) Desde un punto de vista eléctrico, un elemento generador de plomo-ácido puede representarse por un generador de f.e.m. E con una resistencia eléctrica interna r. En la mayoría de las instalaciones los elementos tienen E=2 V. Una batería de 12 V se construye con la asociación en serie de 6 elementos de 2V (y de igual forma para cualquier otra configuración de voltaje).

Cuando el generador suministra una intensidad de corriente (corriente de descarga, Id), la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es: Vab= E –Id r Cuando en el generador entra una intensidad de carga Ic, la diferencia de potencial entre sus bornes es:

Vab= E +Ic r Tanto E como r dependen de la temperatura y de la concentración del electrolito (que está relacionado con el estado de carga de la batería). Cuando crece la concentración del electrolíto crece ligeramente la f.e.m. y disminuye la resistencia interna. Para un elemento de 2V típico:

E = ρe + 0.94 (V)

r

E V ab

r

E V ab

donde ρe es la densidad del electrolito (en g cm-3). Para un elemento completamente

cargado 1.2 < ρe < 1.28 y 2.04 < E < 2.12 V. Relación intensidad de descarga frente a voltaje en los bornes:

Rr

RVV

r

VVI

ca

cad

+=

−=

Vca= E (tensión en circuito abierto).

En la constitución típica de los electrodos, éstos constan de una rejilla de plomo macizo sobre la que se “empasta” la materia activa (PbO2 en el ánodo y plomo en el cátodo) en forma esponjosa, de manera que se facilita el contacto con el electrolito. Entre los electrodos se intercalan los separadores, formados por materiales plásticos porosos. La descarga de la batería supone la sulfatación de los electrodos. Éstos aumentan de volumen (engorde). Las tensiones mecánicas asociadas a la carga y descarga terminan por producir desprendimientos de materia activa. Con el engorde se obstruyen los poros y se dificulta la difusión del electrolito hasta el material activo. Para que el material desprendido no cortocircuite los electrodos, éstos están separados del fondo. Otros modelos de baterías (las tubulares) incorporan unas fundas en los electrodos que evitan el desprendimiento de material al fondo. Si la descarga de la batería es muy profunda la sulfatación de los electrodos se hace irreversible y la batería ya no puede ser cargada. Para evitar esto, la batería no se descarga más allá de un voltaje límite de seguridad. Para elementos típicos de 2V nominales se establece un voltaje mínimo de 1.85 V (a 25 ºC). Más adelante veremos que éste voltaje corresponde, aproximadamente, a una profundidad de descarga del 70-80%. La densidad del electrolito no es uniforme. Tiende a aumentar con la profundidad (estratificación), lo que supone un mayor riesgo de corrosión de la parte inferior de los electrodos. Cuando se está completando el proceso de carga, escasea el material activo y la energía que aporta la corriente eléctrica produce la hidrólisis (ruptura de las moléculas del agua, liberando oxígeno e hidrógeno, en un proceso que se conoce como gaseo). El gaseo supone una pérdida de agua (que ha de ser repuesta con el mantenimiento de la batería), provoca la corrosión por oxidación del ánodo, con la consiguiente pérdida de materia activa. Algo de gaseo es beneficioso para romper la estratificación del electrolito.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

12.25 12.3 12.35 12.4 12.45 12.5

Id (A)

Vab (V)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

12.25 12.3 12.35 12.4 12.45 12.5

Id (A)

Vab (V)

Cuando comienza el gaseo la resistencia interna crece fuertemente, por lo que ha de incrementarse la tensión en los bornes para continuar el proceso de carga. Para elementos típicos de 2V nominales se establece una tensión máxima de carga de 2.4 V, lo que permite algo de gaseo (datos para temperatura de referencia: 25ºC). La capacidad nominal, CB, de una batería es la cantidad de corriente (Q = I t, en Ah) que es posible extraer de una batería totalmente cargada hasta alcanzar una tensión final VB,f preestablecida (tensión mínima de seguridad, aprox. 1.85 V por elemento). La capacidad de una batería depende de la temperatura y de la intensidad de descarga (como Vab= E –Id r, cuanto mayor es Id, antes se aproxima Vab a VBf). El estado de carga (S.O.C.) es la relación entre la capacidad de una batería, en general parcialmente cargada, y su capacidad nominal ( 0 ≤ SOC ≤1). La profundidad de descarga, PD= 1-SOC. Se define el régimen de carga o de descarga de una batería como el cociente CB/I (medido en horas). Por ejemplo, una batería de CB = 300 Ah de la que se extrae una intensidad de descarga de 5 A está en un régimen de descarga de 300/5= 60 horas, mientras que si se extrae una corriente de 10 A el régimen de descarga será de 30 horas. Se define el rendimiento farádico como el cociente entre la carga extraída de una batería y la carga que hay que devolverle para su restitución. Igualmente puede definirse el rendimiento energético. Debido a la disipación de energía eléctrica en la resistencia interna, el rendimiento de la batería es siempre menor que la unidad. Los fabricantes indican la capacidad de la batería para un régimen de descarga determinado (generalmente 100 h , 50h o 10h). E. Lorenzo propone la siguiente relación entre capacidades en distintos regímenes de descarga:

TC

CC

C

T

T

1067.01

67.1

10

10 +

=

Con el tiempo la capacidad de una batería disminuye por la sulfatación irreversible, la corrosión por oxidación y los desprendimientos de material activo. La vida útil de una batería se extiende hasta que pierde el 20% de su capacidad inicial. Efecto de la temperatura Un incremento de temperatura supone una disminución de la resistencia interna y, por tanto, un aumento de la capacidad. La capacidad aumenta un 1% por cada ºC que se incrementa la temperatura. A temperaturas bajas el electrolito puede congelarse. El punto de congelación será más bajo cuanto más concentrado esté el electrolito (batería cargada). Una batería descargada se congela más fácilmente. Voltaje a aplicar para conseguir una carga completa: Vab= E +Ic r Al aumentar la temperatura disminuye r , de modo que la carga completa se consigue con menor Vab. Por el contrario, a bajas temperaturas r es mayor y se requiere un mayor voltaje. Los reguladores de carga de las instalaciones fotovoltaicas deben incluir la compensación por temperatura.