Todo Sobre Baterias de Plomo

8/8/2019 Todo Sobre Baterias de Plomo

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INTRODUCCION La importancia de este componente dentro del sistema FV hace necesario el

conocimiento a fondo de las limitaciones intrnsecas del mismo. Slo as podr lograrse

la correcta instalacin y uso del sistema, prolongando su vida til y grado de fiabilidad.

Es por ello que decid incorporar dos captulos relacionados con el tema. Este captulo

est dedicado a las bateras de plomo cido en general; el captulo subsiguiente

proporciona detalles propios de las bateras usadas en los sistemas FVs.

Comenzaremos con una pregunta bsica: cul es el mecanismo que permite la

utilizacin de una batera como una fuente porttil de energa elctrica ? La respuesta

es: una doble conversin de energa, llevada a cabo mediante el uso de un proceso

electro-qumico. La primera conversin, energa elctrica en energa qumica, toma

lugar durante el proceso de carga. La segunda, energa qumica en elctrica, ocurre

cuando la batera es descargada. Para que estas conversiones puedan llevarse a cabo

se necesitan dos electrodos metlicos inmersos en un medio que los vincule, llamado

electrolito.

Este conjunto forma una celda de acumulacin, cuyo voltaje, en una batera de plomo-cido, excede levemente los 2V, dependiendo de su estado de carga. En el proceso

electroltico cada uno de los electrodos toma una polaridad diferente. La batera tiene

entonces un terminal negativo y otro positivo, los que estn claramente identificados

en la caja de plstico con los smbolos correspondientes (- y +).

La batera comercial, para poder ofrecer un voltaje de salida prctico, posee varias de

estas celdas conectadas en serie. La Figura 5.6 muestra muestra la estructura interna

y externa de una batera de Pb-cido para automotor, donde se observa el coneccionado

serie de las celdas, las que estn fsicamente separadas por particiones dentro de la

caja que las contiene. Cada celda est compuesta de varias placas positivas y negativas,

las que tienen separadores intermedios. Todas las placas de igual polaridad, dentro deuna celda, estn conectadas en paralelo. El uso de varias placas de igual polaridad

permite aumentar la superficie activa de una celda.

El voltaje proporcionado por una batera de acumulacin es de CC. Para cargarla se

necesita un generador de CC, el que deber ser conectado con la polaridad correcta:

positivo del generador al positivo de batera y negativo del generador al negativo de

batera. Para poder forzar una corriente de carga el voltaje deber ser algo superior al

de la batera.

DOBLE

CONVERSION

DE ENERGIA

BATERIA

COMERCIAL

PROCESO

DE

CARGA

POLARIDAD

LA BATERIA DE

PLOMO-ACIDO

CAPITULO 5


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CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO

CICLO

CARGA-

DESCARGA

PERDIDAS DE

CONVERSION

BATERIA

Pb-ACIDO

La corriente de carga provoca reacciones qumicas en los electrodos, las que continan

mientras el generador sea capaz de mantener esa corriente, o el electrolito sea incapaz

de mantener esas reacciones.El proceso es reversible. Si desconectamos el generador

y conectamos una carga elctrica a la batera, circular una corriente a travs de sta,

en direccin opuesta a la de carga, provocando reacciones qumicas en los electrodos

que vuelven el sistema a su condicin inicial.

En principio el ciclo de carga-descarga puede ser repetido indefinidamente. En la

prctica existen limitaciones para el mximo nmero de ellos, ya que los electrodos

pierden parte del material con cada descarga. La diferencia funcional entre diferentes

tipos de bateras obedece al uso de diferentes electrolitos y electrodos metlicos.

Dentro de un mismo tipo de batera, la diferencia funcional es el resultado del mtodo

de fabricacin.

Cuando un tipo de energa es convertido en otro la eficiencia del proceso nunca alcanza

el 100%, ya que siempre existen prdidas (calor). La doble conversin energtica que

toma lugar dentro de una batera obedece esta ley fsica. Habr, por lo tanto, prdidasde energa durante el proceso de carga y el de descarga.

El tipo de acumulador ms usado en el presente, dado su bajo costo, es la batera de

plomo y cido sulfrico con electrolito lquido. En ella, los dos electrodos estn hechos

de plomo y el electrolito es una solucin de agua destilada y cido sulfrico. En este

libro abreviaremos algo su nombre, llamndola bateraPb-cido, usando el smbolo

qumico para el plomo (Pb). Cuando la batera est cargada, el electrodo positivo

tiene un depsito de dixido de plomo y el negativo es plomo. Al descargarse, la

reaccin qumica que toma lugar hace que, tanto la placa positiva como la negativa,

tengan un depsito de sulfato de plomo. La Figuras 5.1 y 5.2 ilustran estos dos estados.

Anodo Anodo

Nivel del

Electrolito

Pb

Alta

Densidad

Baja

Densidad

Dixido

de Pb

Sulfato

de Pb

Sulfato

de Pb

Ventilacin

Tapn de

Ventilacin

Tapn de

Ctodo Ctodo

Fig. 5.1- Batera Cargada Fig. 5.2- Batera Descargada

Como el proceso qumico libera gases (hidrgeno y oxgeno) se necesita que el conjunto

tenga ventilacin al exterior. El diseo de las tapas de ventilacin permite la evacuacin

de estos gases, restringiendo al mximo la posibilidad de un derrame del electrolito.

NOTA


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En una batera de Pb-cido el electrolito interviene en forma activa en el proceso

electroqumico, variando la proporcin de cido en la solucin con el estado de carga

del acumulador. Cuando la batera estdescargada, la cantidad de cido en la solucin

disminuye. Si la batera estcargada, la cantidad de cido en la solucinaumenta.

Este mecanismo tiene una derivacin prctica: monitoreando la concentracin del

cido se puede determinar el estado de carga de la batera. Este monitoreo se haceusando un densmetro, como veremos en detalle al hablar del mantenimiento de los

sistemas FVs (Captulo 13).

Tres caractersticas definen una batera de acumulacin: la cantidad de energa que

puede almacenar, la mxima corriente que puede entregar (descarga) y la profundidad

de descarga que puede sostener. La cantidad de energa que puede ser acumulada por

una batera est dada por el nmero de watt.horas (Wh) de la misma. La capacidad

(C) de una batera de sostener un rgimen de descarga est dada por el nmero de

amperes.horas (Ah).

Para una dada batera, el nmero de Wh puede calcularse multiplicando el valor delvoltaje nominal por el nmero de Ah, es decir:

Wh = Voltaje nominal x Ah

El nmero de Ah de una batera es un valor que se deriva de un rgimen de descarga

especificado por el fabricante. Para un tipo especial de bateras, llamadas solares

(captulo 6), el procedimiento de prueba ha sido estandarizado por la industria. Una

batera, inicialmente cargada al 100%, es descargada, a corriente constante, hasta que

la energa en la misma se reduce al 20% de su valor inicial. El valor de esa corriente de

descarga, multiplicado por la duracin de la prueba (20 horas es un valor tpico), es elvalor en Ah de esa batera. Un ejemplo prctico servir para reforzar este concepto. Si

una batera solar tiene una capacidad (C) de 200 Ah para un tiempo de descarga de

20hrs, el valor de la corriente durante la prueba es de 10A.

Existe la tentacin de extender este concepto para corrientes de descarga en exceso

del mximo determinado por el mtodo de prueba (10A en nuestro ejemplo). La batera

de nuestro ejemplo no puede entregar 200A durante una hora. El proceso

electroqumico no puede ser acelerado sin que la batera incremente su resistencia

interna en forma substancial (Apndice I). Este incremento disminuye el voltaje de

salida, autolimitando la capacidad de sostener corrientes elevadas en la carga. Si la

corriente de descarga es menor que la especificada, digamos 5A, la relacin Ah esvlida. La batera de 200Ah de nuestro ejemplo puede sostener este valor de corriente

por 40 horas.

Los fabricantes de bateras expresan el valor de la corriente de carga (o descarga)

como un valor fractional de su capacidad en Ah. En nuestro ejemplo, C/20 representa

10A y C/40 representa un valor de 5A. Esta forma de dar el valor de la corriente de

descarga (o carga) parece arbitraria, pero no lo es si recordamos que la capacidad en

Ah de una batera, por definicin, requiere un nmero especfico de horas de descarga.

DENSIDAD

DEL

ELECTROLITO

WATT.HORA

AMP.HORA

PROFUNDIDAD

DE DESCARGA

VALOR EN Wh

VALOR EN Ah

DE UNA

BATERIA

VALOR EN Ah:

SIGNIFICADO

CORRIENTE

COMO VALOR

FRACCIONAL


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Si la batera solar de nuestro ejemplo tiene un voltaje nominal de 6V, la cantidad de

energa que puede ser acumulada es de:

6V x 200 Ah = 1.200 Wh (1,2 KWh)

La profundidad de descarga (PD) representa la cantidad de energa que puede extraersede una batera. Este valor est dado en forma porcentual. Si la batera del ejemplo

entrega 600 Wh, la PD es del 50%. Cuando se efecta la prueba para determinar la

capacidad en Ah de una batera solar la PD alcanza el 80%.

El voltaje de salida de una batera de Pb-cido no permanece constante durante la

carga o descarga. Dos variables determinan su valor: el estado de carga y la temperatura

del electrolito. Las curvas de la Figuras 5.3 y 5.4 muestran estas variaciones de voltaje,

tanto para el proceso de carga como para el de descarga. Los valores estn dados

usando diferentes valores de corriente, para dos temperaturas de trabajo: 25C y 1C,

respectivamente. Las curvas a 25C reflejan el comportamiento de una batera

trabajando en un ambiente con temperatura benigna. Las curvas a 1C reflejan elcomportamiento de la misma batera cuando la temperatura del electrolito es cercana

al punto de congelacin del agua. Los valores dados por las curvas corresponden a

una batera de 12V nominales. Si la batera es de 6V, estos valores debern ser divididos

por dos. Si el banco de bateras tiene un valor que es un mltiplo de 12V, los valores

ledos debern multiplicarse por el valor del mltiplo. Para comprender el efecto que

tiene la temperatura en el comportamiento de la batera es til recordar que cualquier

reaccin qumica esacelerada cuando la temperatura se incrementa y esretardada

cuando stadisminuye.

Las curvas de descarga muestran que a baja temperatura la cada de voltaje es muchoms severa que la que se observa, para la misma corriente, a 25C. La baja temperatura

retarda la reaccin qumica, lo que se traduce en un brusco aumento de la resistencia

interna (Apndice I) de la batera, lo que provoca una mayor cada del voltaje. Estas

curvas confirman la experiencia que el lector tiene con bateras para automotor durante

el invierno. Se observa, asimismo, que si se mantiene constante la temperatura del

electrolito, la cada de voltaje es siempre mayor (aumento de la resistencia interna)

cuando la corriente de descarga aumenta. Este es el mecanismo autolimitante al que

nos referimos con anterioridad.

Para la carga, se observa que el voltaje correspondiente a un dado estado y corriente

de carga, es siempre menor cuando la temperatura disminuye. Es conveniente cargaruna batera con un nivel de corriente que no exceda el mximo dado por el fabricante

(C/20 10A en nuestro ejemplo). El tiempo de carga, multiplicado por la corriente de

carga debe ser un 15% mayor al nmero de Ah de la batera, para compensar por las

prdidas durante el proceso de carga.

PROFUNDIDADDE

DESCARGA

VOLTAJE

DE

SALIDA

CURVAS

DE

DESCARGA

CURVAS

DECARGA


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VARIACION EN EL VOLTAJE

DE UNA BATERIA DE Pb-ACIDO DE 12VTemperatura del Electrolito: 25C

ESTADO DE CARGA (%)

VO

LTAJEDEBATERIA(V

)

Fig. 5.3- Variaciones de Voltaje en una Batera Pb-cido

(Cortesa de la Revista HOME POWER)


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VARIACION EN EL VOLTAJE

DE UNA BATERIA DE Pb-ACIDO DE 12VTemperatura del Electrolito: 1C

VO

LTAJEDEBATERIA(V

)

ESTADO DE CARGA (%)

Fig. 5.4- Variaciones de Voltaje en una Batera Pb-cido

(Cortesa de la Revista HOME POWER)


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El valor del voltaje a circuito abierto para una batera no representa una buena indicacin

del estado de carga o la vida til de la misma. Para que esta medicin tenga alguna

significacin, la lectura debe ser precedida por la carga de la misma, seguida de un

perodo de inactividad de varias horas. El voltmetro a usarse deber ser capaz de leer

dos decimales con precisin. La medicin de la densidad del electrolito constituye una

evaluacinms fiable, pues se mide un grupo de celdas por separado. Diferenciassubstanciales en el valor de la densidad entre un grupo de celdas y los restantes d una

indicacin clara del envejecimiento de la misma (Captulo 13). Un voltaje que es

importante es el de final de descarga para la batera. Este valor est dado por el

fabricante, pero es siempre cercano a los 10,5V, para una batera de Pb-cido de 12V

nominales, trabajando a una temperatura cercana a los 25C.

Un problema que suele presentarse cuando la temperatura del electrolito alcanza los

0C est relacionado con el estado de carga de la batera. Si sta est prcticamente

descargada, la cantidad de agua en la solucin electroltica es mayor, como indicamos

anteriormente. Al bajar la temperatura del electrolito existe la posibilidad de que el

agua se congele. Si esto ocurre, su volumen aumenta. La fuerza de esta expansindistorsiona los electrodos, pudiendo daar las celdas o quebrar la caja. El cido del

electrolito acta como anticongelante, de manera que es extremadamente importante

mantener la carga de las bateras cuando la temperatura de trabajo disminuye. Una

batera solar del tipo Pb-cido, totalmente descargada, se congela alrededor de los

-10C. Si est totalmente cargada, el punto de congelacin se alcanza alrededor de los

-58C (Tabla 5.7, pg. 47).

Si las bajas temperaturas causan tantos problemas, algn lector puede conclur que las

temperaturas ambientes elevadas son las ideales. La conclusin es errnea, pues la

mayor actividad qumica se traduce en unareduccin

en la vida til de una batera dePb-cido, como lo muestra la tabla dada a continuacin.

TEMPERATURA REDUCCION

DEL ELECTROL. DE LA VIDA UTIL

C %

25 0

30 30

35 50

40 65

45 77

50 8755 95

EVALUACION

DEL

ESTADO DE

CARGA

CONGELACION

DEL

ELECTROLITO

TEMPERATURA

ELEVADA

Cuando una batera de plomo-cido est prxima a alcanzar el 100% de su carga, la

cantidad de agua en el electrolito ha sido severamente reducida. Los iones que sta

provee se hacen ms escasos, disminuyendo la posibilidad para el in de hidrgeno

(electrodo negativo) y para el in de oxgeno (electrodo positivo) de reaccionar

qumicamente, formando plomo y dixido de plomo, respectivamente. Si la corriente

de carga contina al mismo nivel, el exceso de gases escapa del electrolito produciendo

un intenso burbujeo, el que se conoce como gasificacin.

GASIFICACION


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Si el proceso de carga no es controlado, el exceso de oxgeno comienza a oxidar los

sostenes de plomo de las celdas, pudiendo causar el derrumbe de los mismos. Este

fenmeno es conocido como la muerte sbita de la batera, ya que ocurre sin dar

aviso previo. Una gasificacin excesiva arrastra parte del electrolito, el que es expulsado

fuera de la batera, a travs de los tapones de respiracin. Este material contiene

cido sulfrico, daando los terminales de salida y disminuyendo la cantidad de cidodentro de la batera. El proceso de carga de una batera de Pb-cido debe minimizar la

gasificacin del electrolito. Algo de gasificacin es til, pues contribuye a homogeneizar

la solucin electroltica. Para una batera solar de Pb-cido de 12V nominales,

trabajando alrededor de los 25C, un voltaje de carga de 14,28V proporciona un nivel

tolerable de gasificacin. Un voltaje ms elevado provoca un nivel de gasificacin

excesivo.

Hemos visto que la descarga de las bateras de plomo-cido trae aparejado un depsito

de sulfato de plomo en ambas placas. Normalmente este depsito est constitudo por

pequeos cristales, que se descomponen fcilmente durante el proceso de carga. Si,

por el contrario, la batera ha sido descargada repetidas veces por debajo del mnimoespecificado, es pobremente cargada, o permanece descargada por largo tiempo, el

tamao de los cristales crece, y slo una parte de ellos interviene en el proceso de

carga. Esto se traduce en una disminucin de la superficie activa del electrodo,

disminuyendo la capacidad de almacenaje. Este fenmeno se lo conoce con el nombre

de sulfatacin de la batera. En lugares donde los perodos nublados son de larga

duracin las bateras pueden permanecer en estado de baja carga, por largo tiempo,

induciendo la sulfatacin de las placas. Una carga a rgimen de corriente elevado

puede disolver esta formacin cristalina (proceso de ecualizacin).

Una batera que est cargada y permanece inactiva, independientemente de su tipo,pierde su carga con el tiempo. Este fenmeno es conocido como autodescarga. La

rapidez de la descarga depende de la temperatura ambiente y del tipo de batera. Al

analizar los distintos tipos de bateras en el Captulo 6, se dan valores especficos de

autodescarga para los modelos descriptos.

El proceso de carga en una batera de Pb-cido genera dos tipos de gases: oxgeno e

hidrgeno. Ambos son sumamente activos, de manera que las bateras deben estar en

un lugar que tenga ventilacin al exterior. En particular, una llama o chispa puede

iniciar una reaccin qumica entre el oxgeno y el hidrgeno, la que se lleva a cabo con

una fuerte explosin. Por ello es importante no fumar o producir chispas elctricas en

el rea donde se alojan las bateras. El electrolito de estas bateras es altamente corrosivo,atacando metales y susbstancias orgnicas. Al manejar bateras de Pb-cido se

recomienda el uso de guantes, botas y ropa protectora de goma. Si accidentalmente

Ud llegare a entrar en contacto con el electrolito, lvese las manos con abundante

agua, para evitar el ataque a la piel. Es muyimportante tener a mano bicarbonato de

soda. Esta substancia neutraliza al cido sulfrico y dado su bajo costo, puede usarse

para neutralizar cido derramado en el piso o en herramientas.

GASIFICACION

SULFATACION

AUTODESCARGA

NORMAS DE

SEGURIDAD


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Con el tiempo, todas las bateras pierden la capacidad de acumular carga, ya que con

cada descarga se pierde algo del material activo. Sin embargo, la vida til de las

mismas puede ser prolongada si se las mantiene cargadas, no se sobrecargan ni

descargan en exceso, permanecen en un lugar que no sufre temperaturas extremas, no

son sometidas a cortocircuitos, y se reemplaza el agua destilada que pierden.

Nunca agregue cido al eletrolito o productos restauradores milagrosos. Durante la

carga, iones de hidrgeno y oxgeno intervienen en el proceso qumico, disminuyendo

la cantidad de agua. Cuando la temperatura ambiente es elevada, esta prdida se acenta.

Restaure el nivel del electrolito, agregando slo agua destilada, al nivel recomendado

por el fabricante. No sobrepase ese nivel, ya que el electrolito y los gases generados

necesitan espacio para expandirse.

ENVEJECIMIENTO

NOTAS

TABLA 5.7

Punto de Congelacin de una Batera de Pb-cido

Estado Temperatura de Congelamiento

de Carga del Electrolito

% C

100% - 58,0

75% - 34,4

50% - 20,0

25% - 15,0

Descargada - 10,0

TEMPERATURAS

DECONGELACION


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Fig. 5.6- Detalles de Construccin de una Batera para Automotor

Tapa de Ventilacin

Conneccin de

las celdas en

serie

Placa Positiva

Terminal

Terminal

Bloques de Coneccin:

Unen las placas de

igual polaridad

Separadores

Placa Negativa

DescansosMecnicos

Celda

Espacio para

SedimentosCaja de Plstico

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