CAPITULO 5LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO INTRODUCCION La importancia de este componente dentro del sistema FV hace necesario el conocimiento a fondo de las limitaciones intrínsecas del mismo. Sólo así podrá lograrse la correcta instalación y uso del sistema, prolongando su vida útil y grado de fiabilidad. s por ello !ue decidí incorporar dos capítulos relacionados con el tema. ste capítulo está dedicado a las baterías de plomo ácido en general" el capítulo subsiguiente proporciona detalles propios de las baterías usadas en los sistemas FVs. DOBLE CONVERSION DE ENERGIA #omen$aremos con una pregunta básica% &cuál es el mecanismo !ue permite la utili$ación de una batería como una fuente portátil de energía el'ctrica ( La respuesta es% una doble conversión de energía, llevada a cabo mediante el uso de un proceso electro- químico. La primera conversión, energía el'ctrica en energía !uímica, toma lugar durante el proceso de carga. La segunda, energía !uímica en el'ctrica, ocurre cuando la batería es descargada. )ara !ue estas conversiones puedan llevarse a cabo se necesitan dos electrodos metálicos inmersos en un medio !ue los vincule, llamado electrolito. POLARIDAD BATERIA COMERCIAL PROCESO DE CARGA ste con*unto forma una celda de acumulación, cuyo volta*e, en una batería de plomo+ ácido, e,cede levemente los -V, dependiendo de su estado de carga. n el proceso electrolítico cada uno de los electrodos toma una polaridad diferente. La batería tiene entonces un terminal negativo y otro positivo, los !ue están claramente identificados en la ca*a de plástico con los símbolos correspondientes .+ y /0. La batería comercial, para poder ofrecer un volta*e de salida práctico, posee varias de estas celdas conectadas en serie. La Figura 1.2 muestra muestra la estructura interna y e,terna de una batería de )b+ácido para automotor, donde se observa el coneccionado serie de las celdas, las !ue están físicamente separadas por particiones dentro de la ca*a !ue las contiene. #ada celda está compuesta de varias placas positivas y negativas, las !ue tienen separadores intermedios. 3odas las placas de igual polaridad, dentro de una celda, están conectadas en paralelo. l uso de varias placas de igual polaridad permite aumentar la superficie activa de una celda. l volta*e proporcionado por una batería de acumulación es de ##. )ara cargarla se necesita un generador de ##, el !ue deberá ser conectado con la polaridad correcta% positivo del generador al positivo de batería y negativo del generador al negativo de batería. )ara poder for$ar una corriente de carga el volta*e deberá ser algo superior al de la batería. 39 CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO La corriente de carga provoca reacciones !uímicas en los electrodos, las !ue continúan mientras el generador sea capa$ de mantener esa corriente, o el electrolito sea incapa$ de mantener esas reacciones. El proceso es reversible. Si desconectamos el generador y conectamos una carga el'ctrica a la batería, circulará una corriente a trav's de 'sta, en dirección opuesta a la de carga, provocando reacciones !uímicas en los electrodos !ue vuelven el sistema a su condición inicial. CICLO CARGA-DESCARGA n principio el 4ciclo5 de carga+descarga puede ser repetido indefinidamente. n la práctica e,isten limitaciones para el má,imo número de ellos, ya !ue los electrodos pierden parte del material con cada descarga. La diferencia funcional entre diferentes tipos de baterías obedece al uso de diferentes electrolitos y electrodos metálicos. 6entro de un mismo tipo de batería, la diferencia funcional es el resultado del m'todo de fabricación. PERDIDAS DE CONVERSION #uando un tipo de energía es convertido en otro la eficiencia del proceso nunca alcan$a el 7889, ya !ue siempre e,isten p'rdidas .calor0. La doble conversión energ'tica !ue toma lugar dentro de una batería obedece esta ley física. :abrá, por lo tanto, p'rdidas de energía durante el proceso de carga y el de descarga. BATERIA l tipo de acumulador más usado en el presente, dado su ba*o costo, es la batería de Pb-ACIDO plomo y ácido sulfúrico con electrolito lí!uido. n ella, los dos electrodos están hechos de plomo y el electrolito es una solución de agua destilada y ácido sulfúrico. n este libro abreviaremos algo su nombre, llamándola batería Pb-ácido, usando el símbolo !uímico para el plomo .)b0. #uando la batería está cargada, el electrodo positivo tiene un depósito de dió,ido de plomo y el negativo es plomo. ;l descargarse, la reacción !uímica !ue toma lugar hace !ue, tanto la placa positiva como la negativa, tengan un depósito de sulfato de plomo. La Figuras 1.7 y 1.- ilustran estos dos estados. Tapón de Ventia!ión Dió"id# de Pb Tapón de Ventia!ión An#d# Ni$e de Ee!t%#it# S&'at# de Pb S&'at# de Pb (i)* 5*+- Bate%,a Ca%)ada (i)* 5*-- Bate%,a De.!a%)ada NOTA #omo el proceso !uímico libera gases .hidrógeno y o,ígeno0 se necesita !ue el con*unto tenga ventilación al e,terior. l dise<o de las tapas de ventilación permite la evacuación de estos gases, restringiendo al má,imo la posibilidad de un derrame del electrolito. /0 CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO DENSIDAD DEL ELECTROLITO 1ATT*2ORA AMP*2ORA PRO(UNDIDAD DE DESCARGA n una batería de )b+ácido el electrolito interviene en forma activa en el proceso electro!uímico, variando la proporción de ácido en la solución con el estado de carga del acumulador. #uando la batería está descargada, la cantidad de ácido en la solución disminuye. Si la batería está cargada, la cantidad de ácido en la solución aumenta. ste mecanismo tiene una derivación práctica% monitoreando la concentración del ácido se puede determinar el estado de carga de la batería. ste monitoreo se hace usando un densímetro, como veremos en detalle al hablar del mantenimiento de los sistemas FVs .#apítulo 7=0. 3res características definen una batería de acumulación% la cantidad de energía !ue puede almacenar, la má,ima corriente !ue puede entregar .descarga0 y la profundidad de descarga !ue puede sostener. La cantidad de energía !ue puede ser acumulada por una batería está dada por el número de >att.horas .?h0 de la misma. La capacidad .#0 de una batería de sostener un r'gimen de descarga está dada por el número de amperes.horas .;h0. VALOR EN 13 )ara una dada batería, el número de ?h puede calcularse multiplicando el valor del volta*e nominal por el número de ;h, es decir% VALOR EN A3 DE UNA BATERIA VALOR EN A34 SIGNI(ICADO CORRIENTE COMO VALOR (RACCIONAL ?h @ Volta*e nominal , ;h l número de ;h de una batería es un valor !ue se deriva de un r'gimen de descarga especificado por el fabricante. )ara un tipo especial de baterías, llamadas solares .capítulo 20, el procedimiento de prueba ha sido estandari$ado por la industria. Ana batería, inicialmente cargada al 7889, es descargada, a corriente constante, hasta !ue la energía en la misma se reduce al -89 de su valor inicial. l valor de esa corriente de descarga, multiplicado por la duración de la prueba .-8 horas es un valor típico0, es el valor en ;h de esa batería. An e*emplo práctico servirá para refor$ar este concepto. Si una batería solar tiene una capacidad .#0 de -88 ;h para un tiempo de descarga de -8hrs, el valor de la corriente durante la prueba es de 78;. ,iste la tentación de e,tender este concepto para corrientes de descarga en exceso del má,imo determinado por el m'todo de prueba .78; en nuestro e*emplo0. La batería de nuestro e*emplo no puede entregar -88; durante una hora. l proceso electro!uímico no puede ser acelerado sin !ue la batería incremente su resistencia interna en forma substancial .;p'ndice B0. ste incremento disminuye el volta*e de salida, autolimitando la capacidad de sostener corrientes elevadas en la carga. Si la corriente de descarga es menor !ue la especificada, digamos 1;, la relación ;h es válida. La batería de -88;h de nuestro e*emplo puede sostener este valor de corriente por C8 horas. Los fabricantes de baterías e,presan el valor de la corriente de carga .o descarga0 como un valor fractional de su capacidad en ;h. n nuestro e*emplo, #D-8 representa 78; y #DC8 representa un valor de 1;. sta forma de dar el valor de la corriente de descarga .o carga0 parece arbitraria, pero no lo es si recordamos !ue la capacidad en ;h de una batería, por definición, re!uiere un número específico de horas de descarga. /+ CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO Si la batería solar de nuestro e*emplo tiene un volta*e nominal de 2V, la cantidad de energía !ue puede ser acumulada es de% 2V , -88 ;h @ 7.-88 ?h .7,- E?h0 PRO(UNDIDAD La profundidad de descarga .)60 representa la cantidad de energía !ue puede e,traerse DE de una batería. ste valor está dado en forma porcentual. Si la batería del e*emplo DESCARGA entrega 288 ?h, la )6 es del 189. #uando se efectúa la prueba para determinar la capacidad en ;h de una batería solar la )6 alcan$a el F89. VOLTA5E DE SALIDA l volta*e de salida de una batería de )b+ácido no permanece constante durante la carga o descarga. 6os variables determinan su valor% el estado de carga y la temperatura del electrolito. Las curvas de la Figuras 1.= y 1.C muestran estas variaciones de volta*e, tanto para el proceso de carga como para el de descarga. Los valores están dados usando diferentes valores de corriente, para dos temperaturas de traba*o% -1G# y 7G#, respectivamente. Las curvas a -1G# refle*an el comportamiento de una batería traba*ando en un ambiente con temperatura benigna. Las curvas a 7G# refle*an el comportamiento de la misma batería cuando la temperatura del electrolito es cercana al punto de congelación del agua. Los valores dados por las curvas corresponden a una batería de 7-V nominales. Si la batería es de 2V , estos valores deberán ser divididos por dos. Si el banco de baterías tiene un valor !ue es un múltiplo de 7-V, los valores leídos deberán multiplicarse por el valor del múltiplo. )ara comprender el efecto !ue tiene la temperatura en el comportamiento de la batería es útil recordar !ue cual!uier reacción !uímica es acelerada cuando la temperatura se incrementa y es retardada cuando 'sta disminuye. CURVAS DE DESCARGA Las curvas de descarga muestran !ue a ba*a temperatura la caída de volta*e es mucho más severa !ue la !ue se observa, para la misma corriente, a -1G#. La ba*a temperatura retarda la reacción !uímica, lo !ue se traduce en un brusco aumento de la resistencia interna .;p'ndice B0 de la batería, lo !ue provoca una mayor caída del volta*e. stas curvas confirman la e,periencia !ue el lector tiene con baterías para automotor durante el invierno. Se observa, asimismo, !ue si se mantiene constante la temperatura del electrolito, la caída de volta*e es siempre mayor .aumento de la resistencia interna0 cuando la corriente de descarga aumenta. ste es el mecanismo autolimitante al !ue nos referimos con anterioridad. CURVAS DE CARGA )ara la carga, se observa !ue el volta*e correspondiente a un dado estado y corriente de carga, es siempre menor cuando la temperatura disminuye. s conveniente cargar una batería con un nivel de corriente !ue no e,ceda el má,imo dado por el fabricante .#D-8 ó 78; en nuestro e*emplo0. l tiempo de carga, multiplicado por la corriente de carga debe ser un 719 mayor al número de ;h de la batería, para compensar por las p'rdidas durante el proceso de carga. /- CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO VARIACION EN EL VOLTA5E DE UNA BATERIA DE Pb-ACIDO DE +-V Te6pe%at&%a de Ee!t%#it#4 -57C ESTADO DE CARGA 89: (i)* 5*3- Va%ia!i#ne. de V#ta;e en &na Bate%,a Pb-<!id# 8Cortesía de la Revista 2OME PO1ER: /3 CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO VARIACION EN EL VOLTA5E DE UNA BATERIA DE Pb-ACIDO DE +-V Te6pe%at&%a de Ee!t%#it#4 +7C ESTADO DE CARGA 89: (i)* 5*/- Va%ia!i#ne. de V#ta;e en &na Bate%,a Pb-<!id# 8Cortesía de la Revista 2OME PO1ER: // CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO l valor del volta*e a circuito abierto para una batería no representa una buena indicación del estado de carga o la vida útil de la misma. )ara !ue esta medición tenga alguna significación, la lectura debe ser precedida por la carga de la misma, seguida de un período de inactividad de varias horas. l voltímetro a usarse deberá ser capa$ de leer dos decimales con precisión. La medición de la densidad del electrolito constituye una evaluación más iable, pues se mide un grupo de celdas por separado. 6iferencias substanciales en el valor de la densidad entre un grupo de celdas y los restantes dá una indicación clara del enve*ecimiento de la misma .#apítulo 7=0. An volta*e !ue es importante es el de 4final de descarga5 para la batería. ste valor está dado por el fabricante, pero es siempre cercano a los 78,1V, para una batería de )b+ácido de 7-V nominales, traba*ando a una temperatura cercana a los -1G#. CONGELACION An problema !ue suele presentarse cuando la temperatura del electrolito alcan$a los DEL 8G# está relacionado con el estado de carga de la batería. Si 'sta está prácticamente ELECTROLITO descargada, la cantidad de agua en la solución electrolítica es mayor, como indicamos anteriormente. ;l ba*ar la temperatura del electrolito e,iste la posibilidad de !ue el agua se congele. Si esto ocurre, su volumen aumenta. La fuer$a de esta e,pansión distorsiona los electrodos, pudiendo da<ar las celdas o !uebrar la ca*a. l ácido del electrolito actúa como anticongelante, de manera !ue es e,tremadamente importante mantener la carga de las baterías cuando la temperatura de traba*o disminuye. Ana batería solar del tipo )b+ácido, totalmente descargada, se congela alrededor de los +78G#. Si está totalmente cargada, el punto de congelación se alcan$a alrededor de los +1FG# .3abla 1.H, pág. CH0. Si las ba*as temperaturas causan tantos problemas, algún lector puede concluír !ue las temperaturas ambientes elevadas son las ideales. La conclusión es errónea, pues la mayor actividad !uímica se traduce en una reducción en la vida útil de una batería de )b+ácido, como lo muestra la tabla dada a continuación. TEMPERATURA REDUCCION DEL ELECTROL* DE LA VIDA UTIL 7C 9 -1 8 =8 =8 =1 18 C8 21 C1 HH 18 FH 11 I1 GASI(ICACION #uando una batería de plomo+ácido está pró,ima a alcan$ar el 7889 de su carga, la cantidad de agua en el electrolito ha sido severamente reducida. Los iones !ue 'sta provee se hacen más escasos, disminuyendo la posibilidad para el ión de hidrógeno .electrodo negativo0 y para el ión de o,ígeno .electrodo positivo0 de reaccionar !uímicamente, formando plomo y dió,ido de plomo, respectivamente. Si la corriente de carga continúa al mismo nivel, el e,ceso de gases escapa del electrolito produciendo un intenso burbu*eo, el !ue se conoce como 4gasificación5. /5 EVALUACION DEL ESTADO DE CARGA TEMPERATURA ELEVADA CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO GASI(ICACION Si el proceso de carga no es controlado, el e,ceso de o,ígeno comien$a a o,idar los sostenes de plomo de las celdas, pudiendo causar el derrumbe de los mismos. ste fenómeno es conocido como la 4muerte súbita5 de la batería, ya !ue ocurre sin dar aviso previo. Ana gasificación e,cesiva arrastra parte del electrolito, el !ue es e,pulsado fuera de la batería, a trav's de los tapones de respiración. ste material contiene ácido sulfúrico, da<ando los terminales de salida y disminuyendo la cantidad de ácido dentro de la batería. l proceso de carga de una batería de )b+ácido debe minimi$ar la gasificación del electrolito. ;lgo de gasificación es útil, pues contribuye a homogenei$ar la solución electrolítica. )ara una batería solar de )b+ácido de 7-V nominales, traba*ando alrededor de los -1G#, un volta*e de carga de 7C,-FV proporciona un nivel tolerable de gasificación. An volta*e más elevado provoca un nivel de gasificación e,cesivo. SUL(ATACION :emos visto !ue la descarga de las baterías de plomo+ácido trae apare*ado un depósito de sulfato de plomo en ambas placas. Jormalmente este depósito está constituído por pe!ue<os cristales, !ue se descomponen fácilmente durante el proceso de carga. Si, por el contrario, la batería ha sido descargada repetidas veces por deba*o del mínimo especificado, es pobremente cargada, o permanece descargada por largo tiempo, el tama<o de los cristales crece, y sólo una parte de ellos interviene en el proceso de carga. sto se traduce en una disminución de la superficie activa del electrodo, disminuyendo la capacidad de almacena*e. ste fenómeno se lo conoce con el nombre de .&'ata!ión de la batería. n lugares donde los períodos nublados son de larga duración las baterías pueden permanecer en estado de ba*a carga, por largo tiempo, induciendo la sulfatación de las placas. Ana carga a r'gimen de corriente elevado puede disolver esta formación cristalina .proceso de ecuali$ación0. AUTODESCARGA Ana batería !ue está cargada y permanece inactiva, independientemente de su tipo, pierde su carga con el tiempo. ste fenómeno es conocido como autodescarga. La rapide$ de la descarga depende de la temperatura ambiente y del tipo de batería. ;l anali$ar los distintos tipos de baterías en el #apítulo 2, se dan valores específicos de autodescarga para los modelos descriptos. NORMAS DE l proceso de carga en una batería de )b+ácido genera dos tipos de gases% o,ígeno e SEGURIDAD hidrógeno. ;mbos son sumamente activos, de manera !ue las baterías deben estar en un lugar !ue tenga ventilación al e,terior. n particular, una llama o chispa puede iniciar una reacción !uímica entre el o,ígeno y el hidrógeno, la !ue se lleva a cabo con una fuerte e,plosión. )or ello es importante no fumar o producir chispas el'ctricas en el área donde se alo*an las baterías. l electrolito de estas baterías es altamente corrosivo, atacando metales y susbstancias orgánicas. ;l mane*ar baterías de )b+ácido se recomienda el uso de guantes, botas y ropa protectora de goma. Si accidentalmente Ad llegare a entrar en contacto con el electrolito, lávese las manos con abundante agua, para evitar el ata!ue a la piel. s muy importante tener a mano bicarbonato de soda. sta substancia neutrali$a al ácido sulfúrico y dado su ba*o costo, puede usarse para neutrali$ar ácido derramado en el piso o en herramientas. /= CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO ENVE5ECIMIENTO #on el tiempo, todas las baterías pierden la capacidad de acumular carga, ya !ue con cada descarga se pierde algo del material activo. Sin embargo, la vida útil de las mismas puede ser prolongada si se las mantiene cargadas, no se sobrecargan ni descargan en e,ceso, permanecen en un lugar !ue no sufre temperaturas e,tremas, no son sometidas a cortocircuitos, y se reempla$a el agua destilada !ue pierden. NOTAS Junca agregue ácido al eletrolito o productos 4restauradores5 milagrosos. 6urante la carga, iones de hidrógeno y o,ígeno intervienen en el proceso !uímico, disminuyendo la cantidad de agua. #uando la temperatura ambiente es elevada, esta p'rdida se acentúa. Kestaure el nivel del electrolito, agregando sólo agua destilada, al nivel recomendado por el fabricante. Jo sobrepase ese nivel, ya !ue el electrolito y los gases generados necesitan espacio para e,pandirse. TEMPERATURAS DE CONGELACION TABLA 5*> P&nt# de C#n)ea!ión de &na Bate%,a de Pb-<!id# E.tad# de Ca%)a 9 7889 H19 189 -19 6escargada Te6pe%at&%a de C#n)ea6ient# de Ee!t%#it# 7C + 1F,8 + =C,C + -8,8 + 71,8 + 78,8 /> CAPITULO 5- LA BATERIA DE PLOMO-ACIDO (i)* 5*=- Detae. de C#n.t%&!!ión de &na Bate%,a pa%a A&t#6#t#% /?