Baterias v2 Modo de Compatibilidad

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Alberto Pila AlonsoFNB

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Alberto Pila AlonsoFNB BATERIAS

ACUMULAN energa en forma qumica, puede disponerse de ella para generar electricidad en cualquier momento.En caso de falta de suministro elctrico principal de un sistema tanto en dc o en ac (necesita de un inversor), la batera aportar cierta cantidad de energa hasta su agotamiento.

Las pilas o bateras primarias son dispositivos no reversibles. Las bateras secundarias el proceso de descarga es reversible.

El acumulador provee de energa a una carga conectada a el. En bornes se dispone de un cierto valor de tensin, que a medida que se descarga (hay una transformacin fsica en su interior), la tensin disponible va decreciendo.

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Tenemos dos placas de Pb insertadas en una disolucin de H2SO4 (70%) y agua destilada. Aplicando una fuente de tensin a las placas se consigue que circule una corriente (bombilla se enciende). Se comprueba que si se desconecta la fuente de tensin y se mantiene el circuito cerrado acusa un paso de corriente, encontrando una diferencia de potencial entre las placas de Pb de 2,1 V, que decrece poco a poco hasta desaparecer la circulacin de corriente (la bombilla se apaga poco a poco).

Este es el la muestra de haber podido acumular energa dado que cuando desaparece la fuente externa, se mantiene la circulacin de corriente.

Principio de funcionamiento

Pila electroqumica

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En el citado experimento, durante la carga de la pila se observar que una placa tiene en su superficie una sustancia parduzca (ctodo) mientras que la otra ha adoptado una aspecto esponjoso (nodo). Este aspecto es debido a que a desaparecido material, debido a la reaccin electroqumica ocurrida.Se ha observado que se produce durante el proceso una burbujas de hidrogeno. La sustancia parduzca es oxido de plomo (Pb O2).Cuando se descarga se observa que el (Pb O2) se transforma en PbSO4.

Pila electroqumica

Descarga: el electrodo de plomo cede electrones y acepta iones sulfato formndose en su superficie sulfato de plomo.

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Una batera en concreto dispone de una capacidad de acumulacin de energa intrnseca a su fabricacin.No es posible que acumule mas energa, pero un sntoma de envejecimiento es la de perder capacidad de acumulacin.La qumica aporta la capacidad de acumulacin de energa que es proporcional a la cantidad de materia que contiene. La densidad energtica es la propiedad de la materia para acumular energa por unidad de pesos. Los electroltos con mayor densidad ser de menor tamao.La tensin en bornes, es un parmetro que indica cuando la descarga comienza a ser profunda o cuando la recarga est llegando a su fin. Es decir, una batera en el proceso de descarga se ir reduciendo la tensin hasta el punto que no sea suficiente para los equipos elctricos conectados a ella. Durante al recarga cuando alcanza la tensin nominal, la capacidad de la batera est casi al completo.

Pila electroqumica

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Dos bateras distintas pueden tener la misma capacidad de acumulacin, y la misma tensin pero sin embargo no dar la misma corriente. Esto es causado por su construccin, principalmente la de sus electrodos internos. Ello implica que sus potencias (energa en un tiempo) sean diferentes, y por tanto no puedan alimentar a los mismos equipos.

Parmetro de proyecto bsicos que permitirn seleccionar la batera a utilizar:I. Load rating. La potencia (media) o corriente demandada por los equipos conectados a la

bateraII. Tensin en bornes de batera. Estar relacionada con la tensin mnima de operacin de

los equipos a los que alimentar. La tensin en bornes no tiene porqu ser la de uso final en los receptores (load), puede haber reguladores o inversores que adecuen la tensin. Autonoma.

III. Temperatura de operacin.

Dimensionamiento bsico

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La tensin minima se suele denominar como EOD voltaje (end of discharge) indicando la cada la reduccin de tensin. Pejm para elementos de 21 V suele ser 1,75 V.

La temperatura es un factor importante dado que la energa almacenada es debida a reacciones electroqumicas y la temperatura de los componentes pueden afectar a dichas reacciones y por tanto a su eficiencia.Los fabricantes suelen aportar tablas de factores correctores sobre la corriente nominal de descarga, para incluir el efecto de esa temperatura. Por tanto la corriente a demandar a la batera ha de ser diferente para conseguir la autonoma nominal.

El exceso de temperatura tambin reduce el tiempo de vida de la batera.


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Alberto Pila AlonsoFNBTenemos una instalacin que tiene conectados una serie de equipos que sumando sus potencias y utilizando el factor de simultaneidad correspondiente as como el de utilizacin de cada equipo, se obtiene una necesidad de 3 kW. Se necesita una autonoma de 4 horas, y tenemos que la red es de 110 V dc.

Con estas necesidades debemos instalar una batera que:Acumule al menos 109 Ah.Se capaz de dar una corriente de 27,27 amperios a 110 Vdc durante 3 horas.

Puede ocurrir que tengamos una batera con esa capacidad de acumulacin, pero que no sea capaz de aportar la potencia pedida, es decir, dar una menor corriente (P=V x I).

Habr bateras con esa capacidad de acumulacin, pero que no puedan dar esa corriente.


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Alberto Pila AlonsoFNBPor tanto los parmetros de diseo son: conocer la intensidad a partir de la potencia, y la autonoma. Con ellos se calcula la capacidad de la batera.La eleccin debe pasar por encontrar una batera capaz de dar al menos la intensidad y luego que cumpla la autonoma.

EL fabricante B para consumos de 27,27 A, ofrece bateras de 83,1 Ah C3. Esto es, pueden aportar 27,7 A durante 3 horas. Es lo que mas se acerca a nuestra necesidad.El fabricante A tiene bateras de 105 Ah que pueden dar 35 amperios durante 3 horas, luego podr dar 105/27,27=3,8 horas de autonoma.


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Alberto Pila AlonsoFNBLos fabricantes dn las caractersticas de sus bateras mediante la capacidad en Ah referenciado a un determinado tiempo de descarga indicado delante de la letra C.

AhAhI 5

20100

==

Si a esa batera se le conectan mas cargas que hagan que consuman mas corriente de 5 amperios, lo que ocurrir es que la batera durar menos tiempo. Entregar esa energa de 100Ah en menos de 20 horas. No conviene demandar mas corriente de la nominal.Para consumos menores la autonoma ser mayor, p ejm: 100/2=50 horas. Pero no se debe disear bajo esta premisa, dado que las bateras estn diseadas para trabajar correctamente a sus valores nominales, el desvo de parmetros no asegura que el comportamiento sea lineal.

La mayora de fabricantes aportan la capacidad para una descarga estndar de 20 horas. Pejm una batera 100 Ah (C20) significa que es capaz de aportar 5 amperios durante una descarga continua de 20 horas (5 x 20=100).

Un ciclo en una descarga y una carga, sin importar el nivel de descarga a la que se llega. La cantidad de descarga de la batera se mide en porcentaje sobre su capacidad nominal. Esto se conoce como profundidad de descarga de la batera (DOD). Por ejemplo un 40% de DOD indica que la batera ha sido descargada por un 40% de su capacidad total y por tanto le queda una carga energtica remante del 60%.


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Alberto Pila AlonsoFNBTENSIN por cada elemento: cada vaso/elemento cuando est cargado adquiere una ddp caracterstica, causado por la naturaleza del potencial elctrico de los elementos constituyentes.TENSIN total del banco: es la tensin a la que se conectarn las cargas exteriores que consumirn la energa acumulada. Este valor de tensin depende de cmo se conecten entre si los vasos constituyentes, en serie o paralelo.CAPACIDAD: es la corriente que puede dar bajo las especificaciones de tiempo indicadas. Se mide en Coulombs ( C ) o en Amperios-hora (Ah). Es el producto de la corriente (media) que proporciona durante un cierto tiempo. La capacidad nominal es medida hasta que la descarga hace que la tensin en bornes sea inferior la establecida como indicador de que ya no es til para las cargas (load) conectadas.No todos los fabricantes usan el mismo periodo de tiempo para especificar la corriente. Este parmetro Cxx, puede ser variado: C3,C5, C10, C20 son los mas usados. Para comparar fabricantes se ha de usar el mismo valor de AH para el mismo tiempo de descarga C.POTENCIA: es el producto de la tensin por la intensidad de descarga. Se mide en W. Normalmente se mide para tiempos cortos de descarga. Si es capaz de suministrar esa potencia durante ese tiempo de descarga, habr cedido una determinada cantidad de energa. Una vez hecho el cargador volver a cargar la batera en espera del siguiente ciclo.

La energa suministrada durante una hora con una cadencia de 1 A, es 1 Ah. Son cantidades iguales de energa y por tanto proporcin de descarga igual:1 Amperio durante 1 h.0,5 A durante 2 h1 Ah= 3600 Coulomb


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Alberto Pila AlonsoFNB Funcionalidades

Los bancos de bateras deben aportar al usuario:1.Un nivel de tensin en bornes adecuada a las cargas que alimentar. Normalmente algo superior a la nominal de los equipos conectados para contrarrestar las cadas de tensin en el cableado.2.Debe aportar una cantidad de energa (Wh) tal que satisfaga el tiempo de autonoma requerida, es decir que a las cargas les llegue una tensin adecuada durante el periodo que se considere.

Los usos de bateras habitualmente se clasifican en:1.Bateras de arranque (cranking), las cuales estn diseadas para aportar un elevado valor de corriente en un corto espacio de tiempo, el necesario para mover motores trmicos mediante los motores de arranque. Una vez arrancado el motor la demanda cesa, dado que los sistemas elctricos pudieran estar alimentados desde alternadores de los propios motores trmicos o a travs de grupos electrgenos. Requieren de electrodos de amplia seccin para reducir las perdidas ohmicas debido a las grandes corrientes, pero ello perjudica su vida util al favorecer la formacin de sulfatos que merman la capacidad resultante de la siguiente recarga.2.Bateras de ciclo profundo (deep cycle). Son las destinadas a alimentar cargas durante un tiempo prolongado, por lo que se entregando su capacidad de forma pausada.

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Alberto Pila AlonsoFNBLa qumica interna de las bateras es la que les d sus caractersticas. Las siguientes son las mas habituales:Nickel-cadmium (NiCd) (vented & semi.sealed). Son de tecnologa antigua pero tienen una densidad de acumulacin interesante, por lo que suelen usarse cuando se necesitan autonomas importantes. Pueden dar una ratio de descarga importante por lo que su eficiencia es grande. Tambin pueden funcionar a temperaturas elevadas. Contienen metales toxicos.

Nickel-metal-hydride (NiMH). Tienen mayor densidad energtica que las NiCd,pero menor tiempo de vida (ciclos de carga-descarga). No contiene metales txicos.Lithium-ion (Li-ion). Tienen una gran densidad energtica por lo que son usadas en aplicaciones donde el peso sea un parmetro importante del diseo. Necesitan un control preciso de la tensin y la corriente por necesidades se seguridad.Lead-acid (vented & valve regulated). Son las usadas en aplicaciones comunes por su precio reducido.

El coste y el peso son dos parmetros importantes en el diseo, pero no se han de olvidar otros como son: coste de instalacin (incurrido cada vez que se cambien), vida til, coste de mantenimiento, coste de desecho.

BATERIAS

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El polo o borne que se comporta como nodo en la descarga, se le denomina polo negativo.El polo o borne que se comporta como ctodo en la descarga, se le denomina polo positivo.

Polos: son los bornes de la batera, y estn nombrados como positivo y negativo. Su designacin es segn como funcionan en la descarga.nodo es el elemento qumico que cede electrones. En la descarga es un polo y en la descarga es el contrario.Ctodo es elemento qumico que acepta los electrones emitidos por el nodo. Es el polo contrario al nodo.Electrolito son los compuestos qumicos que rodean a los electrodos (nodo y ctodo) cuya misin es la de facilitar el movimiento de electrones entre nodo y ctodo.Separadores son los elementos que aslan entre s los nodos y ctodos para evitar su contacto y por tanto la generacin de cortocircuitos.

BATERIAS

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ANODO: electrodo que durante la descarga cede electrones de su estructura atmica. Estos generan la corriente elctrica que se aprovecha en el exterior de la batera.CATODO: electrodo positivo que durante la descarga se reduce aceptando electrones emitidos por el nodo.

En la recarga la fuente externa fuerza a los electrones del nodo (que en este caso es el polo positivo), a fluir hasta el ctodo (polo negativo en este caso), gracias a que eleva externamente el potencial elctrico de los electrones del polo positivo y por tanto estos como tiende a estados de baja energa se mueven hacia el polo negativo, recuperando as el estado inicial, donde la batera contiene electrones de alto potencial en el polo negativo.

BATERIAS

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I. DESCARGA: cuando se conecta una carga externa que demanda parte de la energa acumulada. Esta energa se mueve en forma de flujo de electrones o intensidad electrnica (sentido contrario al convencional) El flujo va desde el polo negativo al polo positivo. A travs del circuito exterior.

II. CARGA: Proceso para acumular energa, a travs de la accin regenerar los materiales activos transformados durante la descarga. Se une el polo positivo de la fuente externa al polo positivo de la batera. Se produce un flujo de electrones hacia el interior de la batera desde el equipo cargador.

BATERIAS

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Alberto Pila AlonsoFNBCELDA electroqumica es el conjunto de dos placas, un polo negativo y un polo positivo de ciertos materiales, los cuales estn rodeados de otra sustancia qumica denominado electrolto.

El polo sobre el que se produce una reaccin de oxidacin pierde electrones de su estructura, los cuales sern utilizados en el circuito externo en caso de descarga o en el caso de recarga ser los necesarios para recuperar el polo contrario.

Cuando un polo se oxida el otro se reduce. El polo que se oxida se llama nodo y el que se reduce es el ctodo.

Las celdas se las designa el carcter de sus polos por como actan en la descarga. Por ello el polo negativo en la descarga es el nodo de la celda (en la carga ser el ctodo de la celda).

Cuando una celda suministra una corriente se produce una cada de tensin en sus terminales que se denomina polarizacin, cuando se recarga aparece una sobretensin.

Celdas electroqumicas

Conforme se va alcanzando el final de la descarga, la cantidad de productos de la reaccin aumenta a costa de los reaccionantes, por ello al final de la descarga, la tensin de la celda ser inferior a la inicial.

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La tensin de una celda depende de la actividad electroqumica de las sustancias que intervienen en la reaccin y viene expresada por la Ley de Nernst.

[C] y [D] son las presiones parciales y/o concentraciones molares en caso de gases o de iones disueltos, respectivamente, de los productos de la reaccin; [A] y [B] dem para los reactivos. Los exponentes son la cantidad de moles de cada sustancia implicada en la reaccin (coeficientes estequiomtricos). A las sustancias en estado slido se les asigna concentracin unitaria, por lo que no aparecen en Q


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Alberto Pila AlonsoFNB Celdas electroqumicasLa polarizacin es una medida de la dificultad para que tenga lugar una reaccin qumica en los electrodos, las cuales son complejas y tienen diferentes fases:

Las especies electroactivas deben ser transportadas a la superficie del electrodo.Se transfieren electrones en la intercara metal y electrolito.

La cantidad de material til en los electrodos es el que determinar la capacidad de acumulacin de energa. En la practica no toda la sustancia reaccionante puede ser utilizada en la produccin de electrones.

La tensin de la celda se debe al potencial del par pero la tensin final es menor pues tenemos la polarizacin de activacin, la de concentracin y la de resistencia. Por tanto podemos decir que la potencia (E*I) de la celda se v reducida por las perdidas de transferencia de carga, las causadas por la difusin y las de resistencia.

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Alberto Pila AlonsoFNB Celdas electroqumicas

Polarizacin de activacin. Para que la transferencia de carga pueda producirse se necesita superar una barrera de energa que se refleja en la cada de tensin en la intercara. En el proceso andico se produce la disolucin del metal por rotura de su enlace metlico, solvatacin de los iones, formacin de uniones electrostticas entre los nuevos iones y el electrolito, transferencia de iones a travs de la intercara.

La polarizacin de concentracin es un consecuencia de la acumulacin de materiales electroactivos cerca de la superficie del electrodo en el proceso de disolucin andica del metal o el agotamiento de los mismos en el proceso catdico de depsito de cationes sobre el electrodo. Los cationes disueltos se alejan de la superficie del electrodo hacia el seno del electrolito gracias a la difusin. Al aumentar la corriente andica aumenta el numero de cationes disueltos pero no su velocidad de difusin por tanto aumenta la concentracin de los productos andicos cerca la superficie lo que se traduce en un aumento de la fuerza electromotriz y por tanto de un incremento de la polarizacin. El movimiento de iones en el seno del electrlito se puede realizar gracias a la difusin causada por el gradiente de concentracin o por la accin del campo elctrico.

Polarizacin por resistencia hmica en el electrolito, y otros elementos presentes

La polarizacin es una causa de perdida de eficiencia dado que es una energa no aprovechada en el movimiento de cargas al exterior.

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En la zona de bajas intensidades se produce una cada de tensin debido pricipalmente a la polarizacin de activacin.En la de intensidades intermedias, zona lineal, predominan los efectos de polarizacin de resistencia.A intensidades altas se produce una cada de tensin rpida debido a la polarizacin de concentracin que contempla el agotamiento de los materiales activos.


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Alberto Pila AlonsoFNB Tecnologas

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Alberto Pila AlonsoFNBCELDA electroqumica es el conjunto de dos placas, un polo negativo (plomo esponjoso) y un polo positivo (oxido de plomo). Los dos tipos de placa estn separados por una membrana permeable al liquido dielctrico (evita cortocircuitos entre ellas). Con ello se consigue aumentar la superficie de intercambio elctrico.Cada par de placas son capaces de dar una tensin debida a su naturaleza qumica. Para aumentar la tensin de la batera se serian pares de placas.Un vaso o elemento es un conjunto de celdas en serie. Un banco lo componen conjuntos de vasos en serie y en paralelo.

Tecnologas: plomo-cido

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Alberto Pila AlonsoFNB Tecnologas: plomo-acido

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Descarga: en ambos electrodos se forma PbSO4.Se pierde acido y se genera agua, la densidad de la disolucin disminuye.Carga: nodo(-) se deshace el sulfato formado en la descarga y se forma Pb y se desprende iones sulfato que generar acido. En el ctodo (+) se pierde sulfato y se genera oxido de plomo y acido.

Tecnologas: plomo-acido

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Alberto Pila AlonsoFNBB

A

T

E

R

I

A

S

D

E

P

L

O

M

O

-

A

C

I

D

O

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Este tipo de bateras son las mas comunes, usadas en coches, embarcaciones, sistemas UPS, energas renovables, traccin, etc.Las VLRA se denominan a veces estancas por ello son de uso preferente en buques dado que pueden instalarse inclusive tumbadas sin peligro de derramar el electrolito.

Tecnologas: plomo-acido

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Alberto Pila AlonsoFNBBatera de Nquel Cadmio.

KOH= agente altamente custico

1,2 V/celda

Tecnologas: Nquel-Cadmio

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Alberto Pila AlonsoFNB Tecnologas: Ion Litio (Li-ion)

El electrlito que usa es una sal de Litio que aporta los iones necesarios para la reaccin electroqumica.Son bateras ligeras debido a que lo son sus componentes. Tienen poco efecto memoria.Son de uso comn en dispositivos electrnicos.Se ven afectadas por la temperatura, pudiendo llegar a inflamarse dado que los materiales quel aforman son inflamablesEn 2011 el 66% de todas las baterias recargables en Japn son de Li-ion.Tienen una vida util de 3 aos o mas si al menos se almacena con un40% de carga.Soportan entre 300 y 1000 ciclos de descarga menos que las de Ni-CdPoseen mayor densidad que las de plomo o Ni-Cd, por lo que su peso es menor.Tiene mas voltaje por celda que las de Ni.Cd.Densidad energtica de 324-648 kJ/kg (Plomo acido 100-180 kJ/kg, Ni-Cd 162-288 kJ/kg)

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Alberto Pila AlonsoFNB Tecnologas: Niquel metal hidruro

El nodo es dede (NiOOH), como en la batera Ni-Cd, pero el ctodo es de una aleacin de hidruro metlico. Asimismo, posee una mayor capacidad de carga (entre dos y tres veces ms que la de una pila de NiCd del mismo tamao y peso) y un menor efecto memoria.Cada pila de Ni-MH puede proporcionar un voltaje de 1,2 voltios y una capacidad entre 0,8 y 2,9 Ah. Su densidad de energa llega hasta los 100 Wh/kg, y los ciclos de carga de estas pilas oscilan entre las 500 y 2000

Es usada en la electrnica de consumo y tambin en aplicaciones industriales.

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Alberto Pila AlonsoFNBNo es posible utilizar el 100% de los materiales activos para la produccin electrnica, debido a que:Reacciones qumicas que tienen lugar simultneamente con las reacciones electroqumicas de produccin electrnica

( perdidas y rendimiento).

Los parmetros que definen la capacidad generada en una descarga son:I. Tiempo que se requiere para la descarga correspondiente a un valor de corriente determinado (constante en

ese tiempo). Se trata de la demanda energtica que se pida a la bateria. Si se consume una determinada cantidad de energa en un tiempo menor, la demanda es mas exigente.

II. TemperaturaIII. Tensin mnima aceptable por las cargas.IV. El tiempo que la batera ha permanecido en circuito abierto.V. Los ciclos de carga-descarga previos (edad)VI. La profundidad de las anteriores descargas.VII. La calidad de la fabricacin tambin influye en la capacidad de la batera (dimensionado correcto de placas,

cantidades de material activo depositados, tamao de las partculas, etc)ACEPTACION DE CARGA: se refiere a la aptitud del acumulador para convertir esa energa que se le inyecta en energa acumulada. Haya diferentes modos de carga: tensin constante, intensidad constante.Hay una mejor aceptacin: a regimenes de corriente bajos, temperaturas de electrolito adecuadas, estado de carga.

SOBRECARGA: se produce cuando los amperios suministrados al acumulador alcanzan un valor del 90% de la capacidad. El tiempo que se prolonga la carga es la sobrecarga. Esta produce corrosin de electrodos, generacin de gases.DESCARGA PROFUNDA: cuando se continua la descarga mas all del momento en que la tensin en bornes cae por debajo de un valor mnimo aceptable para las cargas externas.

DESCARGA Y RECARGA

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A lo largo del proceso de descarga la tensin en bornes se reduce, reflejando as indirectamente el estado de carga de la batera.

La tensin es la externalizacin de la capacidad remante de la batera.Cut-off voltage es la tensin mnima aceptable para los receptores elctricos (loads) conectados a la batera.Cuando la batera alcanza una tensin menor no ser capaz de alimentar a las cargas (loads) y el sistema dejar de funcionar correctamente.

DESCARGA Y RECARGA: descarga

Evolucin de la tensin de vaco en una batera de Ni-Cd, a lo largo del proceso de descarga.

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Segn la intensidad media de descarga calculada segn el valor de una fraccin de la capacidad para 10h en Ah segn catalogo, tenemos una curva, que indica que segn pasa el tiempo la tensin en bornes decrece. Si la corriente demandada es baja, la curva tensin tiempo es mas plana.

Capacidad del vaso= 100 Ah (C10)


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La corriente en amperios, expresada usando el valor de una fraccin de la capacidad en Ah, graficada segn la tensin en cada elemento y el porcentaje de capacidad de almacenaje de energa extrada, muestra que una descarga de mayor valor, hace que para un determinado nivel de descarga, la tensin por elemento sea menor comparada para un mismo nivel realizado a una corriente de descarga menor (valor medio).Las descargas de mayor amperaje generan mayores reducciones de tensin para un nivel de capacidad entregada idntico.


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Alberto Pila AlonsoFNBInfluencia de la corriente de descarga en la capacidad de la batera.

Capacidad descargada=energa cedida a la carga (load). Media del valor de la corriente (valor medio) drenada al exterior multiplicado por la duracin del tiempo de descarga.


El motivo de la disminucin de la capacidad con la intensidad de descarga se debe a la mayor influencia que tiene los diferentes tipos de polarizacin sobre todo la de concentracin ya que a altas intensidades la difusin adquiere una mayor importancia, producindose una fuerte cada de tensin cuando la demanda de materiales electroactivos es mayor que el aporte de los mismos desde el seno del electrlito hacia la superficie del electrodo.

Si en lugar de realizar la descarga continua se hace intermitente, dejando ciertos periodos de reposo, los materiales electroactivos alcanzan con mayor facilidad la superficie del electrodo y la polarizacin de concentracin es menor. Por ello la duracin de la descarga es mayor.

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La energa que puede entregar una batera depende de la corriente que entregue. A mas corriente demandada mayores perdidas internas y la energa que entregue finalmente es menor que una descarga a menor corriente, es decir menor capacidad. A mas tiempo de descarga la capacidad que podr entregar ser mayor.

Efecto de la descarga sobre la capacidad

Capacidad (C)= parte de la energa acumulada que la batera cede a la carga (load). Se mide en Ah.Rgimen de descarga= demanda de intensidad de la carga (load) conectada a la batera.Tiempo de descarga (discharge) = tiempo que dura la demanda a un valor de corriente constante (valor medio).Razn de descarga= intensidad de descarga expresada en un tanto por uno sobre el valor de la capacidad, p.ejm 0,2C amperios.

Hasta que punto de descarga se lleve a la batera influir en la capacidad que se llegue en la carga (charge) posterior. Para descargas profundas (descargas que continan despus de haberse llegado a la tensin minima), se empeora el rendimiento de la batera, de tal forma que en la siguiente descarga (despus de haberla cargado), la capacidad que dar ser menor.

El perfil de la curva de descarga y el valor de la capacidad suministrada durante la descargas son funcin fundamental de la razn de descarga (magnitud de la corriente drenada de la batera), de la temperatura de funcionamiento y del grado de envejecimiento (numero de ciclos realizados).


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La influencia que tiene la corriente de descarga y el tiempo sobre la capacidad es muy importante. Pero no todos los fabricantes aportan suficiente informacin. Aqu podemos ver como uno solamente aporta datos para descargas de 5 y 20 horas y como otro aporta un gran rango de tiempos, lo que nos permitir realizar clculos con mayor precisin.


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Alberto Pila AlonsoFNBRecordemos que para un determinado valor de corriente de descarga, la capacidad que entrega la batera ser una determinada.Para descargas suaves la capacidad resultante final ser mayor que para descargas de gran amperaje o reducido tiempo de descarga.


El uso de bateras en regmenes de trabajo diferentes a los nominales resulta en una reduccin de prestaciones y tiempo de vida (numero de ciclos de carga/descarga posibles)

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La primera grafica indica que cuando has llegado a un nivel de descarga concreto, la batera con descargas parciales tendr una tensin menor que lo normal, lo cual es malo pues esta dejar de ser util antes que otra (por haber llegado a la tensin minima antes). Realizar descarga completas recupera la batera

Si a una batera se le descarga menos que a otra esta durar mas tiempo ya que ser capaz de retener un determinado nivel de energa durante mas ciclos de carga/descarga.


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Alberto Pila AlonsoFNB DESCARGA Y RECARGA: descarga

Otros factores que afectan a la descarga son:El tiempo de permanencia en circuito abierto.El tiempo de reposo despus de la carga.Los ciclos de carga-descarga previos.

Largos tiempos de permanencia en circuito abierto pueden envejecer al acumulador, especialmente el almacenamiento a temperaturas elevadas, donde la autodescarga puede producir daos irreversibles.

Algunas tecnologas las descargas previas influyen en mayor grado sobre el valor real de capacidad, se habla en estos casos de efecto memoria.

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Los tipos de recarga son: a tensin cte, a corriente cte o mixta.

Cada tecnologa de batera tiene un tipo de recarga mas adecuado para evitar envejecimiento prematuro (reducir su capacidad de acumulacin). Por ello los cargadores deben programarse adecuadamente. La recarga debe realizarse en CC. El modo de realizarla influye mucho en la vida til de la batera.

DESCARGA Y RECARGA: recarga

La carga a V cte, puede generar un aumento de temperatura que causa una reduccin de la resistencia interna, lo que genera un aumento de corriente que produce un nuevo aumento de temperatura que de nuevo reduce la resistencia interna. Se conoce como embalamiento trmico y puede llegar a generar explosiones.Carga a I cte, la tensin es un indicativo del estado de recarga.

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Alberto Pila AlonsoFNB DESCARGA Y RECARGA: recarga

Este sistema la corriente se mantiene constante hasta que la tensin alcanza un valor correspondiente a de gasificacin (electrolisis), en ese momento la tensin se deja cte y la corriente se comienza a reducir. Permite acortar la duracin de la carga respecto a los anteriores mtodos.

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Carga rpida: ayuda a reducir el tiempo de recarga a coste de disminuir la capacidad de almacenamiento.Carga lenta o convencional: asegura un mejor envejecimiento respecto a la rpida.Carga de flotacin: en los sistemas de este tipo el cargador est proporcionando energa a las cargas (loads9 de forma permanente y a su vez est recargando la batera debido a su gasto por autodescarga. Se realiza a tensin constante.Carga de compensacin: el mismo objetivo pero se realiza a corriente cte.


Los modos de recarga pueden diferenciarse entre ellos:

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Los fabricantes suelen informar de cmo se debe realizar la recarga, indicando la tensin del cargador, la intensidad (aportada a la batera por el cargador) y el tiempo de duracin del proceso de recarga.Segn sea el grado de la descarga (expresado en % del valor de capacidad), el proceso de recarga debe ser el correspondiente.El grado de descarga seran los Ah que la batera a aportado a las cargas conectadas.


Si la recarga se inicia cuando la batera ha llegado al 50% de descarga, la recuperacin se hace mas rpido y se consigue mejorar la perdida de capacidad de acumulacin.

Conocer el estado de carga de un acumulador, no es una tarea fcil.

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Alberto Pila AlonsoFNB TECNOLOGAS

La decisin del tipo de batera a usar est relacionada con:Tensiones de descarga.Espacio disponible: densidad energtica.Capacidad necesariaCoste: compra, instalacin, mantenimiento y renovacin.

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Alberto Pila AlonsoFNB TECNOLOGASLa densidad puede ser energtica o de potencia.Energtica (Wh/kg): evalua la cantidad de materia necesaria para acumular cierta cantidad de energa.De potencia (W/kg): evala la capacidad de descarga, a mayor potencia mas corriente ser capaz de vehiculizar.

Pejm: el Ni-Cd, frente al Pb-cido, permite mayores intensidades de descarga (potencia) para la misma energa acumulada (Ah), la de Ni-Cd podr descargarse pidindola mayor intensidad, es decir, menor tiempo de descarga dado que para una misma capacidad se descarga a mayor corriente se vaciar primero.

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Las bateras de arranque (de coche) representan un alto porcentaje del mercado. En un automvil adems de suministrar una corriente importante a ser usada en el motor de arranque, tambin alimenta a los equipos elctricos del coche cuando el motor no est moviendo el alternador.En usos marinos es habitual tener bateras diferentes para el arranque del motor trmico de propulsin y la batera de habilitacin o hotel.

Las principales causas de fallo son la corrosin de las rejillas positivas y la perdida de material activo. La disminucin de la seccin de la rejilla produce un aumento de la resistencia interna y por tanto una mayor cada de tensin

Las bateras para traccin son las utilizadas en maquinas de transporte y movimiento de carga o para usos en vehculos para moverlos. Se deben disear para poder soportar descargas profundas de hasta el 80%.

Se conocen como bateras estacionarias aquellas que se utilizan para suministrar energa elctrica a circuitos elctricos cuando la fuente de alimentacin principal falla.

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Los SAI/UPS trabajan en flotacin, es decir que el cargador aporta corriente para cargar la batera y a las cargas del sistema alimentado. Cuando se pierde la alimentacin principal la batera suministra la energa demandada por esas cargas. Durante la operacin normal la batera no se descarga prcticamente ya que no alimenta cargas. Cuando se pierde la alimentacin principal, un equipo lo detecta y conecta la batera a las cargas que cuelgan de ella (no son todas si no unas determinadas, seleccionadas por su criticidad)

USOS: soporte energtico

Las bateras se usan principalmente cmo equipo que proporciona energa para el funcionamiento de instalaciones elctricas/electrnicas en caso de que la fuente principal energtica quede fuera de servicio. Estos usos suelen llamarse estticos.Pueden alimentar a circuitos tanto en corriente continua como en corriente alterna, para lo cual necesitar de inversores que generen alterna a partir de continua. Estos ltimos son conocidos como UPS o SAI.

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Alberto Pila AlonsoFNB USOS: subestaciones elctricas Los bancos de bateras son las fuentes de energa que alimentan a los equipos que se encuentran en la subestacin en caso de falta de suministro energtico principal.

Las necesidades energticas en una subestacin pueden ser de 2 tipos:1.Receptores no esenciales: pueden estar fuera de servicio por falta de suministro elctrico sin afectar a funcionalidades principales.2.Receptores esenciales: deben tener suministro elctrico en todo momento debido a que han sido calificados como esenciales para que la subestacin pueda realizar las funciones principales.

Para satisfacer estas necesidades energticas se adoptan distintas fuentes de alimentacin:Corriente alterna de la red publica en baja tensin.Corriente alterna de la red publica a travs de un transformador de servicios auxiliares.Corriente aportada por un banco de bateras alimentadas en flotacin. Si aportan corriente alterna a sus cargas se conocen como UPS.Corriente alterna generada en grupos electrgenos.

Los circuitos que alimentan a los receptores pueden ser en alterna o en continua, para lo que se necesitaran elementos que adecuen las tensiones y naturaleza de la tensin de las redes de alimentacin, estos son reguladores, rectificadores e inversores.

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Alberto Pila AlonsoFNB USOS: subestaciones elctricas

Cuando haya en la instalacin de Alta Tensin equipos de proteccin sin autoalimentacin, sistemas de control, de sealizacin, mando local, mando remoto, en general estos tendrn una fuente de alimentacin segura.Esta fuente segura se dispone a partir de bancos de bateras acumuladoras, asociados a un cargador que las alimenta en flotacin. Este est alimentado por corriente alterna.En condiciones normales el equipo cargador debe suministrar energa a los receptores conectados al circuito y adems mantener la batera en condiciones optimas para su uso de emergencia.

En caso de falta de suministro principal la batera de acumuladores ser la encargada de efectuar el suministro de corriente continua a los sistemas conectados a ella. La tensin mnima que deber mantenerse al final de la descarga de la batera deber coincidir con la tolerancia de los equipos de alimentacin a la misma.

Deber instalarse una medio de alarma que indique que el equipo se encuentra en condiciones de operar correctamente.Las tensiones nominales en dc mas habituales son: 12V, 24V, 48V, 110V. Estas tensiones son las que determinarn el nmero de elementos necesarios en serie. Si la dimensin de la instalacin es grande se recomienda usar tensiones superiores a 48V para reducir el efecto de las cadas de tensin en circuitos de cierta longitud (ida y vuelta).

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Alberto Pila AlonsoFNBRed de suministro principal

Suministro de socorro

Loads no criticas Loads criticas

Suministro de emergencia

Loads esenciales

USOS: subestaciones elctricas

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Alberto Pila AlonsoFNB USOS: subestaciones elctricas

Los tipos mas habituales son:Plomo-acido en sus versiones selladas o abiertas.Alcalinas de uso estacionario.No se suele admitir bancos con ramas de elementos en paralelo. Por tanto los Ah de cada elemento deben ser los de la capacidad del banco al completo.Cuando los acumuladores elegidos no despidan gases corrosivos o inflamables en cantidades peligrosas como ocurre con las de tipo alcalino, las acidas selladas y las acidad de baja tensin y capacidad, se podrn emplazar en locales designados a otros fines siempre y cuando estn debidamente ventilados. En cualquier caso las bateras deben estar en el interior de un armario identificado que sea la proteccin ambiental.Cuando despidan gases perniciosos en cantidades peligrosas se debe instalar en un local al uso, estar seco, ventilado, facilitar en caso de derrame de electrolito su lavado con agua.

Los equipos rectificadores que alimentan a la batera y a las cargas, debe asegurar una variacin de la tensin de +/- 1% para una variacin de la tensin de alimentacin del cargador de hasta un 10%. Este debe asegurar una corriente igual a la de la autodescarga de la batera y de la solicitada por las cargas que alimenta la fuente segura. El factor de rizado ha de tenerse en cuenta para que est en los limites permitidos.

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En buques de tamao medio o grande:Algunos equipos elctricos reciben energa elctrica producida en los grupos electrgenos solamente.Otros reciben energa desde el cuadro de emergencia, el cual puede ser alimentado o desde los grupos electrgenos o desde la fuente de emergencia (un GE o un banco de bateras).Esa energa puede ser en ac o en dc, simplemente instalando transformadores, rectificadores o inversores.

En embarcaciones pequeas:Ciertos equipos son alimentados desde una banco de bateras. Habitualmente son en dc, pero si es necesario ac se instala un inversor. Estas suelen denominarse de servicio.Ciertos equipos adems tiene una segunda alimentacin proveniente de un segundo banco de bateras, las de emergencia.Ciertos equipos se alimentan solamente desde una fuente de ac, como es un grupo electrgeno. Cuando este se conecta alimenta a estas cargas , alimentar a las cargas que antes alimentaba la bateras (gracias a un rectificador) y al mismo tiempo recarga la batera. Esta fuente de ac tambin puede ser los alternadores de los motores de combustin interna, cuando estos son movidos por el motor de combustin para la propulsin estos alimentan a todos los equipos del barco adems de recargar las bateras (como en un coche).

USOS: buques

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Alberto Pila AlonsoFNBBateras de uso marinoEn una embarcacin se usan bancos de bateras bsicamente para 3 funciones diferentes:I.Servicio:alimenta a cargas en ac o dc durante los periodos que no est en marcha los grupos electrgenos.II.De emergencia: alimenta a cierto numero de equipos que son necesarios en casos de emergencia y lo debe hacer durante un tiempo prefijado por normas y reglamentos.III.De arranque: que alimenta los motores de arranque de motores de combustin interna. Pudiendo tambin alimentar a parte o a todos los equipos del buque con lo cual la batera de servicio quedara en stand by.

Las bateras de arranque (cranking) debe estar diseadas para que en poco tiempo puedan dar una intensidad elevada, para poder tener fuerza el motor de arranque. Por ello necesitan de grandes electrodos (gran seccin). Ello hace que admitan descargas profundas en poco tiempo.Las bateras de servicio, deben aportar una autonomoma adecuada, por lo tanto su descarga es prolongada en el tiempo. Su diseo para cumplir este requerimiento hace que sea dbiles en casos de profunda descarga (hayan agotado su energa) o que sea muy rpida, ya que ello genera cristales de sales en los electrodos que producen una degradacin fsica que conlleva que no aporten la energa que se esperaba y que adems queden daados, es decir que aunque se recargue no conseguir almacenar la misma cantidad de energa.

USOS: buques

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El equipo Quattro de Victron-energy, contiene:Un transformador para adecuar el nivel de tensin de la toma de puerto.Un rectificador para alimentar las cargas dc mediante el grupo electrgeno.Un inversor para alimentar las cargas en ac cuando se usa como fuente de energa las bateras.

USOS: buques

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Las cargas dc y ac pueden ser alimentadas va grupo electrgeno gracias al rectificador contenido en el equipo, puede ser alimentadas por el alternador del motor de propulsin (como en caso de un coche), o pueden ser alimentadas por la batera de servicio a travs del inversor existente tambin en el equipo.

USOS: buques

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Alberto Pila AlonsoFNB USOS: vehculos elctricosSu funcionamiento consiste en aportar energa para mover el vehiculo, a travs de un motor elctrico. Pudiendo ser un vehculo totalmente elctrico o hbrido.Los hbridos consisten en que un motor de explosin mueve un alternador que alimenta a un motor elctrico que mueve el coche y que recarga las bateras. En ciertos momentos del trayecto, el sistema de control ordenar que el motor elctrico est alimentado por las bateras.La ventaje bsica consiste en poder hacer que el motor trmico trabaje mas tiempo en zonas donde su eficiencia sea mxima, con lo cual la energa obtenida por cada gr de combustible es mayor. En coches, autobuses se aade por ejemplo la ventaja del freno elctrico.Este sistema reduce la contaminacin dado que la eficiencia del uso de combustible es mayor (en USA el 55% del petrleo es usado en transporte)

Las necesidades de mejora en las bateras para estos usos pasan por: Mejorar la densidad de energa para aumentar la autonoma del vehculo. Aumentar la densidad de potencia para conseguir mayores aceleraciones. Incrementar los ciclos de carga/descarga para mejorar los costes de operacin del vehculo.

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Alberto Pila AlonsoFNB USOS: vehculos elctricosLas tecnologas de bateras usadas en VE de forma mas habitual son:Ni/Cd tipo FNC: son un desarrollo de Daimler-Benz y WV con el fabricante HoppecKe que mejora a las tradicionales al emplear material del electrodo de fibras plsticas recubiertas de Niquel, aumentando en 3 o 4 veces el nmero de ciclos.S/Na: desarrollo de ABB y AEG-Siemens, que mejoran la densidad energtica con respecto a las de plomo-cido. Tambin las firmas RWE y Chloride estn trabajando en esta tecnologa.Zn/br: desarrollado por Daimler-Benz, tiene la ventaja de trabajar a temperatura ambiente y tolerar excepcionalmente bien las sobrecargas y sobredescargas.

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Alberto Pila AlonsoFNB USOS: propulsin diesel-elctrica

En usos nuticos de propulsiones diesel-elctricas la inclusin de bateras puede aportar ventajas en las que la demanda de potencia sea mnima como ocurre en los sistemas de posicionamiento dinmico.

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Alberto Pila AlonsoFNBEjemplo de uso de bateras en un sistema de propulsin diesel-elctrica.

USOS: propulsin diesel-elctrica

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Alberto Pila AlonsoFNB USOS: propulsin diesel-elctrica

Grupos electrgenos

Banco de bateras

Propulsin mediante motores elctricos asncronos

Propulsin mediante motores elctricos asncronos

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Alberto Pila AlonsoFNBClculo de la capacidad de una batera:Se calcula la potencia en W de los equipos a alimentar. Se multiplica por el tiempo de autonoma requerido, obteniendo as la energa que ha de acumular en Wh.Los catlogos clasifican las bateras en su tensin en bornes y su capacidad en Ah.Si se divide la capacidad necesaria por la tensin del banco, se obtiene la capacidad en Ah.Esa capacidad y esa tensin ha de conseguirse mediante arreglos de bateras en serie y en paralelo.El nmero de bateras en serie dar la tensin del banco de batera.Las ramas en paralelo darn la capacidad del banco, como producto del numero de ramas por el valor de la capacidad de cada vaso.

Clculo bsico de bancos de bateras

Potencia necesaria para recargar un banco:Es necesario para dimensionar los equipos que se encargarn de esta recarga.La carga de la batera se ha de realizar dentro de unos parmetros de tensin aplicada con un control de la corriente de carga resultante, porque ello repercute en la estructura interna de los electrodos que modifican su vida util as como la capacidad acumulativa que tiene la batera.La corriente de carga viene expresada por los fabricantes indican un % sobre el valor de la capacidad de la batera. Ejm: banco de bateras de 24480 Wh con una carga del 20%. La potencia de carga ser de 24480x0,2=4896 W.

Tiempo de carga:Un generador podr dar una determinada potencia. El cociente entre la energa que puede acumular la batera y la potencia del generador que la carga, resulta el tiempo de carga. En funcin de la potencia que destine el generador a la carga el tiempo variar. t=Wh/W=capacidad/pot de carga. Pero la carga ha de ser controlada en los parmetros de tensin y amperaje que el fabricante requiera.

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Alberto Pila AlonsoFNB Clculo bsico de bancos de bateras

IMPORTANTE La capacidad resultante del banco es la del valor de la capacidad individual de cada vaso multiplicado por el numero de ramas en paralelo.

La tensin del banco es igual a la suma de tensiones individuales de los elementos conectados en serie en una de las ramas del banco.

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Alberto Pila AlonsoFNB-Clculos previos:Energa necesaria en Wh, mediante el clculo de la potencia de los equipos conectados y el tiempo de autonoma que se necesita.Capacidad (Ah) del banco mediante la tensin su tensin y la energa que se necesita dar a las cargas.

-Bsqueda de un elemento de catlogo para formar el banco: Tipo de uso: Deep cycle/ cranking / mix.Tecnologa: electrolito liquido / estancas.Decisin de usar pocos vasos o muchos en ramas en serie o en paralelo, en funcin de cmo se quiere que afecta la perdida de algn vaso durante su vida til.Eleccin del vaso fijndose en la capacidad para un tiempo de descarga menor que el de la autonoma de clculo.

Uso de catlogos

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Alberto Pila AlonsoFNBNecesitamos alimentar a una carga que consume 300 W de forma continuada y con una autonoma de 8 horas. La tensin de uso es de 10 V. Nos sirve el modelo de batera mostrado?

Uso de catlogos

Debemos fijarnos en el tiempo de descarga menor a la autonoma necesaria. Dado que para tiempos cercanos a la necesidad la intensidad que se pedir a la batera ser menor y por tanto tendremos algo mas de capacidad. Con ello aseguramos estar siempre en rango.

En este caso no estaremos seguros de si este modelo cumple con las necesidades, dado que descargas entre 5 y 10 horas la capacidad es de entre 213 y 234 Ah y nosotros necesitamos para 8 horas 245 Ah.

Se observa que:Para una descarga de 42,6 A, durante 5 horas la capacidad es de 213Ah.Para una descarga de 23,4 A, durante 10horas la capacidad es de 234 Ah.Para una descarga de 13 A, durante 20 horas la capacidad es de 260Ah.

La energa que debe acumular la batera es de 800 Wh (1000x8). La capacidad de la batera deber ser de: 8000 Wh/10V= 800 Ah. Y ser capaz de poder dar una corriente de 100 A (1000/10).

Ocurre que el fabricante no nos d datos para descargas de 8 horas.Se ha de observar que un mismo modelo dependiendo el tiempo de descarga su capacidad vara sensiblemente.

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Proceso de carga-descarga bateras plomo-acido

La vida til viene dada por el numero de ciclos carga-descarga y por la profundidad de la descarga.Cada celda cuando se carga suele tener una tensin cercana a los 2 V. Al descargarse la tensin se va reduciendo. En este proceso se degrada parte del material de los electrodos con el efecto de que la acumulacin de energa posterior es menor. Esto es debido a la formacin de cristales groseros de sulfato de plomo que no son muy reactivos. Cuando se descarga una batera por debajo del nivel mnimo, se ha cargado pobremente o permanece descargada largo tiempo esto favorece la sulfatacin de los electrodos que se traduce a una menor superficie reactiva.

La fuente de carga normalmente es una fuente alterna rectificada. Es necesario una resistencia en serie que reduce la corriente de carga.

Proceso de carga-descarga bateras nquel cadmio.Carga completa: corriente a usar de entre 0,2xC amperios. Siendo C la capacidad nominal en Ah. La tensin del cargador debe ser tal que al final se permita que en cada vaso haya entre 1,55 y 1,75 V. el tiempo de carga ser tal que se cumpla: I x t=1,4 x C

Mantenimiento

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Alberto Pila AlonsoFNB Mantenimiento

Recomendacin de SAFT Ibrica para acumuladores estacionarios Ni-Cd

Si los elementos han estado mas de 6 meses almacenados se debe aplicar:Carga de 12 a 15 horas, a un rgimen de 0,2 C5 amperios.Descarga a 0,2 C5 amperios hasta tener o voltios en cada elemento.Repetir ciclo anterior.Carga final de 12 a 15 horas a un rgimen de 0,2 C5 amperios.

Si los elementos han estado menos de 6 meses almacenados se debe aplicar:Carga de 15 a 20 horas, a un rgimen de 0,2 C5 amperios.

Almacenamiento Ni-Cd: (segn SHAFT)Almacenarlos sin electrolito hacindolos previamente descargado totalmente hasta su agotamiento.Almacenarlos con electrolito y cada ao someterlos a un tratamiento elctrico igual que el de puesta en servicio:Almacenado de mas de 6 meses: Hacer 2 ciclos completos de: carga de 12 a 15 hrs a n rgimen de 0,2 veces C5., descarga a rgimen de 2,2 veces C5 hasta alcanzar 0V en cada elemento. Hacer una ultima carga igual que la anteriores.Almacenado de menos de 6 meses: hacer una carga de 15 a 20h, a un rgimen de 0,2C5 amperios.

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El porcentaje de carga de una batera se determina:Para bateras de electrolito liquido mediante una medicin de la densidad de este, dado que cuando la batera se va descargando genera agua que diluye el electrolito.Para bateras estancas tipo VRLA se ha de comprobar con los valores de tensin en bornes.

Se denomina carga superficial cuando la batera alcanza los valores de tensin correctos, pero ante una demanda energtica la tensin caera lo que significara que no es capaz de alimentar a las cargas conectadas.

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Baterias v2 Modo de Compatibilidad

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