DETERMINACIÓN DE UN ESTADO DE CARGA PARTICULAR PARA BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDO. PRIMEROS RESULTADOS

Transcripción

1 DETERMINACIÓN DE UN ESTADO DE CARGA PARTICULAR PARA BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDO. PRIMEROS RESULTADOS Roberto Federico Farfán y Carlos Cadena (1). Facultad de Ingeniería, INENCO, UNSa- CONICET Av. Bolivia 5150, 4400, Salta, Argentina (2). Facultad de Ciencias Exactas INENCO, UNSa- CONICET Av. Bolivia 5150, 4400, Salta, Argentina, cadenacinenco@gmail.com RESUMEN Las variaciones en la radiación y en la demanda eléctrica en sistemas híbridos solares, requieren el uso de acumulación. Al igual que las celdas FV, los acumuladores son dispositivos de corriente continua y compatibles con las cargas del mismo tipo, pero no solo acumulan energía, sino que también en conjunto con otros dispositivos de acondicionamiento de potencia, mejoran la estabilidad de tensión del sistema en general. Sin embargo para un mejor aprovechamiento, el generador fotovoltaico debe funcionar muy cerca de su punto de máxima potencia. Los acumuladores colaboran en esa tarea por un lado, y la mayoría de los mismos no están diseñados específicamente para los sistemas fotovoltaicos, por otro. En el presente trabajo se describe una metodología para determinar, durante el proceso de carga de un acumulador de plomo ácido, si el dispositivo está gaseando o no. Este hecho, es particularmente singular en la curva de carga del acumulador, pues permite entre otras variables, inferir su estado de carga (SOC). El método requiere para su funcionamiento de un sistema electroóptico, que consta de un par emisor-detector infrarrojo, y un espejo donde se produce la condensación de los gases que escapan del acumulador cuando comienza a gasear. Esto ocurre bajo determinados valores de corriente y temperatura, para una batería dada de capacidad C, y en mucha menor medida de otras variables. El exceso de corriente o de temperatura provoca cuando es acentuado, una disminución de la eficiencia del acumulador y también de su expectativa de vida, de allí la importancia del tema. Palabras clave: acumulador, plomo ácido, solar, sensor 1. INTRODUCCIÓN En los sistemas fotovoltaicos, las variaciones en la radiación (y también bajo condiciones de ausencia de la misma) y en la demanda eléctrica, requieren en general del uso de acumulación. Al igual que las celdas FV, los acumuladores son dispositivos de corriente continua y compatibles con las cargas del mismo tipo, pero no solo acumulan energía, sino que también, en conjunto con otros dispositivos de acondicionamiento de potencia, mejoran la estabilidad de tensión del sistema en general. Sin embargo, el generador fotovoltaico está diseñado para funcionar muy cerca de su punto de potencia óptima, mientras que la mayoría de las baterías no están diseñadas específicamente para los sistemas fotovoltaicos, y este hecho puede producir desacoples importantes. La manifestación de estos desacoples se observan en recargas insuficientes o sobrecargas excesivas, que terminan por deteriorar la batería. Figura 1. Curva de Carga de una batería a corriente y temperatura constante. Motivado por este hecho, se desarrolló un sensor que permite determinar si la carga de

2 una batería es la óptima. Cuando la carga de una batería se realiza a temperatura y corriente constante, la variación de la tensión de bornes en función del tiempo ocurre como la que se muestra en la figura 1. En esta curva se observan claramente dos regiones, la primera donde la batería asimila toda la corriente que ingresa como carga almacenada y la segunda donde comienza la sobrecarga, con el inicio del gaseo en inmediaciones del codo de la curva. La determinación de la tensión de gaseo Vg, se obtiene por medio de la intersección de las rectas que gobiernan las zonas descriptas como se indica en la figura 2[3]. con intervalos de TON y TOFF controlados por una señal modulada (PWM) que opera variando el ciclo de trabajo del transistor para mantener la corriente constante en la carga. El control de corriente la realizó un PIC 16f877, que en función de la corriente que ingresa a la batería, cambia el ciclo de trabajo de la señal PWM. Figura 3. Regulador de Descenso de Tensión (Step-down) 2.1 Sistema de adquisición de datos Figura 2. Determinación de la tensión de gaseo. Esta tensión sirve como referencia para cualquier sensor que se desarrolle para determinar si la carga de una batería es adecuada, como la que se propone detectar con el sensor que se presenta en este trabajo. 2. DESARROLLO La metodología empleada para determinar el correcto funcionamiento del sensor consistió en cargar una batería de plomo ácido de 120Ah a corriente y temperatura constante, y controlar si la señal arrojada por el sensor en la zona de sobrecarga sufre alguna perturbación. En los distintos ensayos se midió por medio de un sistema de toma de datos: tensión de bornes de la batería, corriente que ingresa al acumulador, temperatura ambiente, temperatura de electrolito y la señal entregada por el sensor. Como fuente de energía para los ensayos se implementó un cargador de baterías que puede entregar corrientes superiores a los 20A, en conjunto con un circuito regulador step down que se diseñó para los ensayos, como el que se muestra en la figura 3. Este circuito trabaja utilizando un MOSFET P como llave, El sistema adquisición de datos se compone principalmente de tres ADC0832 serie de ocho bits manejados por una computadora por medio del puerto paralelo. El ADC0832 es un conversor de dos canales, de manera que el sistema consta de seis entradas independientes de ocho bits. El circuito realizado para el manejo de los cuatro ADC requiere de cuatro señales del puerto paralelo por cada conversor, tres de las cuales permiten la configuración de cada canal (se utilizan para el clock, señal de inicio de la conversión y elección del canal) y la última recibe en forma serial los bits de conversión. Figura 4. Placa de adquisición de datos.

3 Debido a que se manejan cuatro ADC, se utilizaron los tres registros del puerto paralelo, el DATAPORT y el CONTROLPORT para la configuración de los distintos canales de los tres ADC, y el STATUSPORT para recibir las señales de cada conversión. Para este sistema se diseñó un programa realizado en lenguaje C manejado por un sistema operativo LINUX, que permite sincronizar la conversión de cada uno de los canales, convertir la señal digital en la magnitud analógica que se está midiendo, guardar esta información en distintos archivos y por medio de tuberías, redireccionar el contenido de los archivos como entradas al programa denominado GNUPLOT para mostrar la información medida en la pantalla. Para medir la temperatura ambiente se utilizó un sensor LM35 conectado a un amplificador. La salida del amplificador se conecta a una de las entadas de los ADC para que el programa guarde la información. La temperatura del electrolito también se midió por medio de un LM35 encerrado en un tubo de vidrio pequeño, rodeado de una grasa conductora. Esta señal se amplificó y se conectó al sistema de toma de datos. La corriente se midió por medio de un sensor de Efecto Hall, el UGN3503UA, que en conjunto con un toroide permite medir la variación de corriente por medio de la variación de campo magnético de la misma. Figura 5. Esquema del sensor. Esta perturbación es una señal de que el acumulador se encuentra en la zona de sobrecarga y en consecuencia el sistema toma de datos debe identificarla. La señal que emite el optoacoplador se amplificó para poder determinar con más precisión los signos de perturbación. El optoacoplador es el principal componente de este dispositivo y para los ensayos se utilizó el ITR-H En la figura 6 se observa un esquema del mismo y sus dimensiones. 2.2 Descripción técnica del sensor El sensor desarrollado consta básicamente de un tubo de vidrio abierto colocado en uno de los tapones de acumulador, como se muestra en la figura 5. En el interior del tubo se coloca un espejo con un ángulo aproximadamente de 45, para recibir los vapores provenientes de la batería y un optoacoplador reflectivo, que trabaja con una señal infrarroja formado por un emisor y receptor. El optoacoplador emite una señal desde un plano horizontal, las micro gotas de vapor debidas a la sobrecarga, producen una perturbación en el haz que desvía el espejo y que recibe el receptor de la señal infrarroja. Se determinó también, que la condensación en el espejo es ácida (debido a una ínfima presencia de ácido sulfúrico) mediante papel indicador. Figura 6. Dimensiones del optoacoplador utilizado. A este sistema se le agregó una celda peltier detrás del espejo de manera que permita mantener la temperatura del espejo a una temperatura más baja que la del medio donde se encuentra. Al sistema se le agregó esta variante para mejorar la condensación en caso que se las condiciones ambientales lo requieran.

4 compensar cualquier variación de temperatura que se intensifica cuando en la carga se ingresa a la zona de sobrecarga. Figura 7. Foto del sensor utilizado en los ensayos. 2.3 Preparación de los ensayos Los ensayos se realizaron bajo distintos regímenes de carga, midiéndose tensión de bornes de la batería, temperatura ambiente, temperatura de electrolito, corriente de carga y señal del optoacoplador reflectivo. El acumulador ensayado es una Batería de plomo ácido de 120Ah. Los primeros ensayos se realizaron con corrientes elevadas, lo que produjo distintos aumentos de la temperatura del electrolito a medida que se produjo la carga como se observa en la figura 8 y 9. Figura 9. Variación de la temperatura en la carga para una corriente de 7A. Estas modificaciones ayudaron a que la temperatura oscile alrededor de un grado como se observa en la siguiente figura 10. Figura 10. Variación de la temperatura del electrolito para baja carga y en baño termostático. Figura 8. Variación de la temperatura en la carga para una corriente de 9A. Debido a que los ensayos deben ser a corriente constante y temperatura constante de electrolito, se disminuyó el régimen de carga por un lado y se introdujo la batería en un baño térmostatizado, de manera que permita Por otro lado, una variable importante al igual que la temperatura en el ensayo, es la corriente. Los datos tomados en los ensayos determinaron que el control de corriente basado en el sistema step down controlado por una señal PWM proveniente de un pic 16F877 respondió adecuadamente, como se observa en la figura 11.

5 Figura 11. Medición de corriente en un ensayo a 3A. 3. RESULTADOS OBTENIDOS Por medio de las medidas obtenidas se calculó la tensión de gaseo Vg que indica el comienzo de la zona de sobrecarga, y se comparó esta medida con la señal entregada por el sensor en inmediaciones de este punto de referencia. En la figura 12 se observa la variación de la de bornes de batería y el trazado de las rectas para determinar la tensión Vg. Figura 12. Determinación de Vg en la curva de carga. La señal arrojada por el optoacoplador se observa en la figura 13, junto a la tensión de bornes de la batería. La señal del sensor permanece prácticamente continua y se produce una alteración de la señal algunos pocos minutos después de detectar el inicio del gaseo. En los distintos ensayos realizados, esta secuencia de alteraciones se repitió. Figura 13. Tensión de batería y señal del sensor. 4. CONCLUSIONES Se diseñó un sensor permite determinar cuándo una acumulador de plomo ácido en el proceso de carga ingresa en la zona de sobrecarga. El mismo fue ensayado bajo diferentes condiciones de corriente constante, pero en regímenes relativamente bajos de la misma, y tratando que la temperatura del electrolito no cambie. En cada uno de estos ensayos se calculó Vg y se comparó la señal de inicio del gaseo, un indicativo que el acumulador ingresó a la zona de sobrecarga, con la señal que entregaba el sensor. Al comparar ambas curvas se observa en los ensayos una perturbación que se inicia (en un promedio) diez minutos después del comienzo del gaseo (en el punto donde se cruzan las tangentes a la curva voltaje vs. tiempo), un margen que a priori parece aceptable. Con los ensayos realizados se obtuvo información del comportamiento de la temperatura del electrolito, la temperatura ambiente y la señal emitida por un sensor como consecuencia de la sobrecarga. La información obtenida permite realizar un buen estudio del comportamiento de las baterías de plomo ácido en el proceso de carga y determinar cuándo la batería se encuentra en la región de sobrecarga. En un trabajo futuro se debe ensayar y simular el prototipo bajo diferentes condiciones de carga, optimizar la amplificación del optoacoplador y mejorar el control de corriente para que los ensayos puedan optimizarse.

6 6. REFERENCIAS [1] U.S. Department of Energy, 1995, Photovoltaic Fundamentals, DOE/CH Rev.1. [2] "PV Balance of System Brief #3," Sandia National Laboratories, October, 1993, World Wide Web, Photovoltaic Power, presented at the Energy Storage Association meeting. [11] B.Maxeiner, 1997, Investigation of a battery model to calculate state of charge of lead acid batteries. [3] N. Vela1*,y and J. Aguilera2, Characterisation of Charge Voltage of Leadacid Batteries: Application to the Charge Control Strategy in Photovoltaic Systems,Prog. Photovolt: Res. Appl. 2006; 14: [4] Akhil, A.A., L. Lachenmeyer, S.J. Jabbour, and H.K. Clark, Specific Systems Studies of Storage for Electric Utilities, Sandia National Laboratories: August Report SAND [5] Butler, P.C., Battery Energy Storage for Utility Applications: Phase I - Opportunities Analysis, Sandia National Laboratories: November Report SAND [6] Battery Energy Storage Market Feasibility Study, Frost & Sullivan: July Report SAND Web Case Studies, Solar Energy Industries Association, World Wide Web, [7] Perez, R. 1994, et.al., "Providing Firm Peak Load Reduction with PVs: Operational Results of the NMPC PV+Buffer Storage Prototype," Proceedings of at the American Solar Energy Society Conference, San Jose. [8] Nigro, R. 1997, "Opportunities for Battery Storage: Results of the PV BONUS Program," presented at Energy Storage Association meeting. [9] Salt River 1997 Project Residential Photovoltaic-Battery Energy Storage System Project, Electric Power Research Institute. Report TC [10] Perez, R. 1997, Grid-Connected