Cómo dimensionar el banco de baterías

Banco de baterías para sistemas solares fuera de la red

Una vez que conozca el consumo eléctrico diario promedio, deberá traducirlo a la cantidad de energía almacenada en el banco de baterías, también conocida como capacidad del banco de baterías. Los siguientes factores determinan la capacidad del banco de baterías que busca:

• La eficiencia del inversor
• El número de días que espera que dure el banco de baterías sin recargarse
• La temperatura y el voltaje de funcionamiento de las baterías
• ¿Qué parte del banco de baterías estás dispuesto a utilizar?
• El voltaje al que desea que funcione la batería

Ahora, analizaremos en detalle estas variables y explicaremos cómo combinarlas para que pueda determinar con precisión la capacidad de batería necesaria y crear el banco de baterías para su sistema solar.

Al comprar baterías solares para completar el banco de baterías, existen varias opciones. El tipo de batería más común para sistemas fotovoltaicos aislados es una batería solar de 12 V nominal. Estas baterías se conectan en serie-paralelo para lograr las características de voltaje y capacidad deseadas.

Eficiencia del inversor

Siempre habrá pérdidas asociadas a la conversión de CC a CA, por lo que ningún inversor puede suministrar el 100 % de la energía de un banco de baterías a las cargas. Sin embargo, si el inversor puede ser más eficiente en la inversión, el banco de baterías puede ser más pequeño. Considere las cargas de CA conectadas al inversor propuesto y su tamaño (en términos de potencia de salida) para maximizar los niveles de eficiencia. Con esto quiero decir que no instale un inversor de 5 kW si el cliente solo consumirá 1 kW. En su lugar, intente que las cargas y el inversor sean compatibles.

Los fabricantes de inversores indican la eficiencia de sus unidades en todas sus hojas de especificaciones. Es importante recordar que la cifra indicada por los fabricantes corresponde al valor de eficiencia máxima. Por lo tanto, casi siempre será un valor impresionante cercano al 97 %. Si bien es posible alcanzar una eficiencia del 97 %, no se logra con frecuencia. La mayoría de los sistemas basados en baterías suelen tener una eficiencia cercana al 90 %. Como todas las variables, este porcentaje varía, pero el 90 % es un valor razonable que representa la eficiencia operativa típica de un inversor.

Los días de la autonomía

La cantidad de días que necesita que el banco de baterías mantenga su estilo de vida eléctrico se conoce como días de autonomía. En otras palabras, es la cantidad de días que espera que el banco de baterías le proporcione sus necesidades energéticas diarias promedio sin necesidad de recarga mediante el sistema solar fotovoltaico, el controlador de carga, el generador o la red eléctrica.

El clima local suele ser un factor clave en esta decisión, al igual que el presupuesto disponible para el proyecto. Como se puede imaginar, cuantos más días de autonomía tenga el sistema, más baterías necesitará y, por lo tanto, mayor será el coste del sistema.

Muchas aplicaciones residenciales aisladas de la red eléctrica utilizan dos o tres días de autonomía como punto de partida, mientras que la mayoría de los sistemas que interactúan con la red eléctrica solo utilizan un día. Para aplicaciones comerciales, la red eléctrica suele estar presente, por lo que un día de autonomía debería ser suficiente. Se puede considerar añadir más días de autonomía, pero entonces hay que encontrar un equilibrio entre el tamaño del banco de baterías y el tamaño del sistema fotovoltaico.

La temperatura utilizada para el funcionamiento de la batería.

La temperatura a la que funcionan las baterías afecta su capacidad. Cuanto más fría esté una batería, menor será su capacidad. ¿Por qué? Porque la eficiencia de la reacción química que ocurre en su interior aumenta o disminuye a diferentes temperaturas. Los fabricantes de baterías publican los efectos exactos que la temperatura tiene en sus baterías, por lo que debería poder encontrar esos datos para la batería que está considerando y aplicar el factor de reducción de temperatura correcto (el porcentaje de capacidad que puede esperar de una batería en función de la temperatura).

Dado que la mayoría de los sistemas utilizan baterías de plomo-ácido y que la tecnología es bastante uniforme entre los distintos fabricantes, recomendamos usar un único factor de reducción de temperatura: el 90 %. Este porcentaje corresponde a una temperatura de batería de aproximadamente 15,5 °C (60 °F) e indica que, a esa temperatura, la batería solo podrá entregar el 90 % de su capacidad nominal (la capacidad de la batería a 25 °C (77 °F).

Profundidad de descarga del banco de baterías (DoD)

La profundidad de descarga (DOD) es la cantidad de energía extraída del banco de baterías; generalmente se expresa en porcentaje. Cuanto mayor sea el valor de DOD, más energía ha salido del banco de baterías. Al igual que con los días de autonomía, la DOD puede (y debe) determinarse en el proceso de diseño del sistema, ya que afecta el tamaño total del banco de baterías. Al observar una gráfica típica proporcionada por los fabricantes de baterías que muestra el número de ciclos frente a la DOD, resulta evidente que cuanto menor es la DOD, mayor es el número de ciclos (un ciclo es el período desde que se agota la capacidad de las baterías hasta que se recargan). Aunque este hecho probablemente no sea sorprendente, no significa que deba intentar minimizar las baterías y diseñar un sistema con una DOD pequeña.

Lo que realmente necesita hacer es evaluar en qué punto de la curva se entregará la máxima cantidad de energía durante la vida útil del banco de baterías. Para determinar la DOD ideal para un banco de baterías, observe la imagen completa en forma de gráfico; un gráfico muestra el número de ciclos de un banco de baterías en función del porcentaje de su descarga. La siguiente figura muestra un ejemplo.

Si el banco de baterías de la tabla anterior tiene una capacidad nominal de 400 amperios-hora (Ah), puede usar esa información para estimar la energía suministrada a lo largo de su vida útil. En la tabla, puede ver que este banco de baterías durará aproximadamente 2000 ciclos si la DOD es solo del 30 %. El número de ciclos se reduce a aproximadamente 600 cuando la DOD es del 70 %. Entonces, ¿qué DOD suministra más energía a lo largo de la vida útil del banco de baterías? Haga los cálculos para averiguarlo:

• 400 Ah × 30% DOD por ciclo × 2000 ciclos = 240 000 Ah
• 400 Ah × 50% DOD por ciclo × 1000 ciclos = 200 000 Ah
• 400 Ah × 70% DOD por ciclo × 600 ciclos = 168.000 Ah

Aunque la idea de reducir la DOD parece atractiva a primera vista, ya que aumenta la vida útil del banco de baterías, resulta en una menor cantidad de amperios-hora entregados. Dado que la función del banco de baterías es almacenar y entregar energía, conviene considerar descargar las baterías con mayor frecuencia para maximizar la inversión (y reducir el coste inicial del sistema). Al evaluar la DOD, la mayoría de los diseños de bancos de baterías utilizan un valor entre el 50 % y el 80 %, pero no existe una respuesta exacta. Debe evaluar las opciones y hacer una sugerencia basándose en la información de las tablas del fabricante de las baterías que utiliza en el banco.

Tenga cuidado de nunca superar una DOD del 80 % (hablamos de baterías de plomo-ácido) en su diseño. Reducir repetidamente la capacidad de un banco de baterías por encima del 80 % las daña y provoca una falla prematura del banco.

Tensión nominal

Para cualquier sistema de baterías que instale, debe considerar los voltajes nominales del banco de baterías de 12, 24 o 48 VCC. Estos voltajes corresponden a los requisitos de entrada del inversor para la mayoría de los inversores disponibles comercialmente.

Los sistemas que utilizan inversores que producen niveles de potencia de CA relativamente bajos (menos de 2000 W) podrían justificar el uso de un banco de baterías de 24 V, pero con los avances en las tecnologías de inversores y controladores de carga, los bancos de baterías de 48 V se han vuelto muy populares. (Tenga en cuenta que los niveles de potencia que se indican aquí no son valores absolutos, sino pautas comunes que puede seguir. Representan el objetivo de reducir el tamaño de los conductores [cables] aumentando los voltajes y reduciendo los valores de corriente).

Cómo determinar la capacidad de batería que necesita

Paso 1. Determine el nivel de consumo promedio diario de vatios-hora (o kilovatios-hora) de CA.

A modo de ejemplo, supongamos que el consumo energético diario medio es de 5 kWh.

Paso 2. Divida el valor de vatios-hora del Paso 1 por la eficiencia estimada del inversor.

Este paso aumenta la capacidad requerida debido a que un inversor pierde parte de su capacidad almacenada durante el proceso de conversión de CC a CA (una pérdida del 10 % es común). Siguiendo con el ejemplo, se obtiene que 5 kWh ÷ 0,9 = 5,56 kWh (el 90 % es una estimación razonable de la eficiencia del inversor).

Paso 3. Agregue cualquier consumo de energía de las cargas de CC al valor de vatios-hora del Paso 2.

Este valor representa el consumo energético diario total de todas las cargas conectadas al banco de baterías. Si tiene tres luces LED de CC de 20 W que funcionan 5 horas al día, el consumo total de CC es de 3 luces × 20 W × 5 horas = 300 Wh, o 0,3 kWh. Por lo tanto, el consumo energético total es de 5,56 kWh + 0,3 kWh = 5,86 kWh.

Paso 4. Multiplica el valor energético del Paso 3 por los días de autonomía deseados.

Al hacerlo, se indica la cantidad de energía que el banco de baterías necesita almacenar (dos o tres días es un valor bastante típico). En mi ejemplo, se requieren tres días de autonomía, por lo que el nuevo valor energético es 5,86 kWh × 3 días = 17,58 kWh.

Paso 5. Divida el valor calculado en el paso 4 por el valor de compensación de temperatura proporcionado por el fabricante de la batería.

El 90% de los fabricantes estiman la capacidad ajustada a 60 grados Fahrenheit. Aplique el valor del fabricante a la temperatura estimada del banco de baterías que está considerando. Por lo tanto, si el banco de baterías de ejemplo se almacenará a 60 grados Fahrenheit, realice este cálculo: 17,58 kWh ÷ 0,9 = 19,54 kWh.

Paso 6. Divida el valor del paso 5 por la profundidad de descarga permitida.

Cuanto mayor sea la DOD, menor será el banco de baterías, ya que se utilizará una mayor capacidad (aproximadamente entre el 50 % y el 80 %). En este ejemplo, usaremos una DOD del 50 %, por lo que el cálculo sería el siguiente: 19,54 kWh ÷ 0,5 = 39,08 kWh.

Paso 7. Divida el valor del paso 6 por el voltaje nominal deseado para el banco de baterías.

Las baterías se clasifican en amperios-hora, no en vatios-hora. Utilizando el voltaje nominal del banco de baterías, puede determinar los amperios-hora necesarios (use un valor de 12 V, 24 V o 48 V). El sistema de este ejemplo se instalará a 48 V para mantener los valores de corriente al mínimo y reducir el tamaño de los conductores. El resultado es el siguiente: 39,08 kWh ÷ 48 V = 0,815 kAh, o 815 Ah.

Cableado del banco de baterías

Tan pronto como sepa cuál debe ser la capacidad del banco de baterías y el voltaje nominal, estará listo para evaluar las diferentes opciones de batería y decidir cuál es la mejor para el banco de baterías que está construyendo.

Para determinar la cantidad de baterías necesarias en una cadena, divida el voltaje nominal del banco de baterías por los voltajes nominales de las baterías individuales.

A partir del ejemplo, calculamos que el banco de baterías necesitaría una capacidad de 815 Ah a 48 V. Supongamos que queremos tener dos cadenas de baterías en nuestro banco; necesitamos una batería de 408 Ah (que es difícil de encontrar, por lo que podríamos optar por una de 400 Ah). Las baterías con este nivel de capacidad se encuentran comúnmente en opciones nominales de 6 V. Por lo tanto, si va a conectar un banco a 48 V y cada batería es de 6 V, sabe que las cadenas de baterías deben tener ocho baterías de longitud. Aquí está el cálculo: 48 V ÷ 6 V = 8 baterías por cadena.

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