Una instalación fotovoltaica básica, cuya finalidad sea el suministro eléctrico de una pequeña instalación aislada de la red eléctrica (viviendas rurales, instalaciones de comunicaciones, alumbrado público, etc.) constan de los siguientes elementos específicos: regulador de carga, baterías, e inversor.
Regulador de carga
Tiene por misión regular la corriente que absorbe las baterías a fin de evitar cargas excesivas que puedan les puedan ocasionar daños, y también aprovechar al máximo la corriente generada en los paneles. Para ello, el regulador, mediante dispositivos electrónicos, mide constantemente el voltaje, que será un indicador del estado de carga de las baterías. Cunado llega al valor máximo admitido por las baterías, las desconecta de los paneles. A partir de este momento los receptores consumen corriente de las baterías hasta que la tensión baja hasta un valor previamente consignado, reconectandose de nuevo a los paneles para mantener lo que se llama una corriente “de flotación” que mantenga siempre las baterías cargadas. Entre los valores de voltajes máximo y mínimo; es decir, cuando las baterías tienen un voltaje intermedio, el regulador únicamente permite que circule una facción de la corriente generada en los paneles a las baterías, menor cuanto mas se acerque el voltaje entre bornes de las baterías y el voltaje máximo de regulación.
Baterías
Como es sabido, la energía solar es intermitente; es decir, sólo podemos aprovecharla durante el día, siempre que no esté el cielo cubierto con abundante nubosidad. De manera que salvo algunas aplicaciones como puede ser el bombeo de agua, en el que las bombas se pueden conectar directamente a los paneles sin necesidad de instalar baterías, o en instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red, diseñadas para para volcar a la red la energía sobrante diurna para absorberla durante la noche (sistema de balance neto), lo cierto es que, en la mayoría de las utilizaciones la energía se requiere precisamente cuando no hay radiación solar (Por ejemplo, cualquier sistema de iluminación o aparatos que funcionan continuamente como los frigoríficos). Por tanto queda claro la necesidad de acumular la corriente generada en los periodos de mucha radiación solar para utilizarse cuando dicha radiación es débil o inexistente. Las baterías son acumuladores electroquímicos cuyo fundamento damos por conocido, y que además de acumular energía, cumplen también con dos importantes misiones:
- Suministrar una potencia instantánea, en un momento dado, muy superior a la que puedan entregar los paneles solares. Tal es el caso de los frigoríficos, en los que en el momento de arranque del compresor, el consumo es varias veces superior al de su normal funcionamiento. Igualmente ocurre con cualquier motor eléctrico si carece de variador de velocidad.
- . Mantener un nivel de tensión estable. Como vimos en el artículo publicado “características eléctricas de los paneles fotovoltáicos” , la tensión de salida de un panel varía con la intensidad radiante, lo cual puede no ser adecuado para el funcionamiento de muchos aparatos.
Tipos de baterías.
- Las dos grandes clases de baterías adecuadas para una instalación fotovoltaica son las de niquel-cadmio y las de plomo-ácido.
- Las de niquel-cadmio son mas caras pero son muy fiables. Soportan descargas de hasta un 90% de su capacidad teórica, recuperándose totalmente. También tienen la propiedad de soportar temperaturas extremadamente bajas. No producen gases corrosivos y su mantenimiento es mínimo.
- Las de plomo-ácido se utilizan más que las anteriores por razones económicas. Las baterías de Pb-Sb (plomo-antimonio) de placas tubulares es el más utilizado en instalaciones medias o grandes. Suelen suministrarse en celdas o elementos de polipropileno translúcidos, cada uno de ellos con una tensión de 2 voltios, uniéndose en serie de 6 o 12 elementos para conseguir las típicas y usuales tensiones de 12 y 24 voltios. Este tipo de baterías se caracteriza por admitir descargas moderadamente altas (hasta del 80%), razón por las que se les denomina de “cilco profundo”.
Ciclos de carga-descarga de una batería.
Supongamos una típica instalación fotovoltaica que suministra corriente a una vivienda aislada de la red eléctrica. Durante el día, estando el cielo despejado, los paneles generarán energía para satisfacer la demanda de la vivienda y la sobrante la almacenará en las baterías. Posteriormente, durante la noche, normalmente aumentará el consumo, ya al que había, hay que añadir el alumbrado. Durante todo este periodo la instalación consumirá la energía almacenada en las baterías durante las horas diurnas, disminuyendo el nivel de carga de las mismas y recargándose de nuevo al día siguiente.
Así, el ciclo de carga-descarga se repite diariamente siempre que los días sean claros o parcialmente nubosos.
Puede ocurrir que se presenten varios días consecutivos nubosos o cubiertos, entonces prácticamente todo el consumo se realiza a expensas de la energía almacenada en las baterías (la instalación deberá estar diseñada con un número de baterías tal que permita un determinado días de autonomía, en función de la región geográfica donde se encuentre y del consumo estimado). Una vez que termine el periodo de días nublados, la intensidad radiante volverá a cargar las baterías en un determinado tiempo. Se completa de esta manera el llamado ciclo autónomo, llamado así porque las baterías dependen solo de su propia capacidad útil para satisfacer la demanda energética durante dicho periodo. La vida de una batería se mide en ciclos de carga-descarga en lugar de tiempo, al igual que la vida de un automóvil se mide en kilómetros recorridos en lugar de años. Por eso, una batería que se le someta a varios ciclos diarios de carga-descarga, probablemente no durarán mas que unos pocos meses, mientras que las que se mantienen cargadas y solamente se utilizan de cuando en cuando, tendrán una vida útil de muchos años.
A modo orientativo se puede decir que una batería para uso fotovoltaico que tenga una media de un ciclo por día, la vida útil que cabe esperar sería de unos 10 años. En la vida de la batería también influye la profundidad de descarga que se produce en cada ciclo. Si ésta es muy grande, se acortará la vida de la batería; de ahí la necesidad de instalar este elemento con capacidad suficiente (Amperios-hora) para que la profundidad de descarga no suponga más que un moderado porcentaje de dicha capacidad (del orden de 10 o 15 %) .
En ningún caso deben emplearse baterías de automóviles para instalaciones fotovoltaicas, debido a la poca profundidad de descarga que proporcionan. Téngase en cuenta que este tipo de baterías están diseñadas para funcionar siempre a plena carga, pues así las mantiene el alternador del automóvil y en el momento de arranque del motor no suelen descargarse más del 1 % de su capacidad.
Factores que influyen en el comportamiento de las baterías.- Son los siguientes:
- Nivel de carga.
A medida que una batería se va descargando disminuye el voltaje; de manera que una de 12 V. nominales suele tener unos 14 V. cuando está totalmente cargada y 12 V. o algo menos cuando está descargada. Para tomar una medida correcta la batería debe de estar desconectada, ya que si está en proceso de carga o descarga, falseará su valor real. Como desconectarla no siempre es factible, también se puede obtener la medida de carga con un densímetro, midiendo la densidad relativa del electrolito. Para valores de 1,3 de densidad se considera que la batería está cargada, y a 1,05 o por debajo, estará totalmente descargada.
- Velocidad de descarga.
Como ya se ha dicho, una de las funciones de las baterías en una instalación fotovoltaica es la de proporcionar, durante cortos periodos de tiempo, una corriente más elevada que la generada en los paneles. A falta de indicaciones del fabricante, el límite máximo de la intensidad es 5 veces el valor de la capacidad en Ah.
- Temperatura.
Las reacciones químicas que tienen lugar en el electrolito están influenciadas por la temperatura de manera de manera directamente proporcional; es decir, al disminuir ésta, las reacciones se hacen con mayor dificultad, de manera que se requiere mayor energía en el proceso de carga de la batería. Por contra, al aumentar la temperatura, también aumentan las pérdidas por autodescarga. Por ambos motivos (opuestos entre sí) es conveniente que las baterías estén ubicadas en un lugar donde las temperaturas no sean extremas.
- Convertidores
Como sabemos, la corriente generada en los paneles y almacenada en las baterías es corriente continua (generalmente de 12 o 24V.). Sin embargo, la más utilizada es alterna a 220 V; de ahí la necesidad del convertidor (a veces llamado “inversor”), que viene a ser un dispositivo que permite transformar la corriente continua en alterna. De esta manera, en una instalación fotovoltáica podremos usar los aparatos eléctricos habituales diseñados para funcionar con corriente alterna. Dadas las transformaciones que tiene que realizar el convertidor (transformar una corriente continua en alterna o siusoidal, y mediante un transformador, elevar la tensión a 220 voltios, acarrea todo esto una inevitable pérdida de energía que resta eficiencia al conjunto de la instalación. Estas pueden llegar a valores del 20%.
Hay dos tipos de convertidores:
- De onda senoidal pura,
- De onda cuadrada.
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