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Le batterie per gli impianti fotovoltaci

Batteria

Esempio di batteria per impianti fotovoltaici

L’energia prodotta dai moduli fotovoltaici viene immagazzinata nelle batterie, per renderla disponibile quando la luce del sole non è sufficiente. E’ l’elemento più critico di tutto il sistema, l’unico che esige manutenzione.

 

Requisiti principali delle batterie:

- costante disponibilità ad assorbire ed erogare energia solare in grandi e piccole quantità
- erogazione di corrente sufficientemente grande
- lunga durata di vita nel funzionamento ciclico
- esercizio con poca manutenzione
- costi minimi

Tra le batterie disponibili sul mercato, la più idonea risulta sempre la batteria al piombo, grazie soprattutto al rendimento di carica e scarica e al rapporto tra prezzo e prestazioni.
PbO2+Pb+2 H2SO4 <--> 2PbSO4+ 2 H2O
Durante la carica gli elettrodi emettono acido; durante la scarica si produce il processo inverso.

Batteria carica:
Piastra positiva  --> perossido di piombo (PbO2)
Piastra negativa --> puro piombo(Pb) Elettrolita --> acido solforico diluito

Batteria scarica:
Piastra positiva e negativa --› solfato di piombo (PbSO4) --› elettrolita: acqua leggermente acidula
La carica avviene immettendo energia elettrica. Una carica troppo veloce potrebbe danneggiare le piastre.
Le batterie adottate negli impianti fotovoltaici possono assorbire correnti di carica molto deboli, cosa che le normali batterie non potrebbero fare.

Batteria sovraccaricata --> in prossimità degli elettrodi si formano ossigeno ed idrogeno.
La miscela dei due gas è detta gas tonante ed è esplosiva (pericolo !! --> sistemare le batterie in luoghi ben arieggiati).
Il regolatore di carica (centralina) previene la sovraccarica della batteria, bloccando il processo di carica quando si raggiunge una tensione finale di carica di 2,35 V per cella.
Per evitare invece l’eccesso di scarica, con relativo rischio di solfatazione delle piastre, il regolatore interromperà il prelievo di corrente nel caso in cui la tensione dell’elemento scende sotto un certo livello (1,75 V).
Aumentando la corrente di scarica, inoltre, aumentano le perdite dovute alla resistenza (P = R * I2) e si incrementano le reazioni secondarie, riducendo in tal modo la capacità della batteria.

Ecco che quindi la capacità di una batteria (Cn = In * tn [Ah], In=corrente di scarica nominale; tn=tempo di scarica nominale) viene sempre definita in funzione del tempo di scarica e della temperatura di funzionamento. Ad esempio, C20 seguito dalla capacità [Ah], indica che la stessa è da intendersi se la batteria è scaricata in 20 ore alla temperatura di 25°C.

Temperatura di esercizio ideale per gli accumulatori al piombo: 15 - 25°C.

Col ridursi della temperatura la capacità diminuisce, mentre con l’aumentare della temperatura si velocizzano le reazioni chimiche e si verifica una maggiore autoscarica--> 3 - 5% / mese a 20°C. Poiché al variare della temperatura cambia la tensione (DV max (T) = - 6 mV/°C) è importante che il regolatore sia in grado di considerare la temperatura.

Principali tipi di batterie

Le batterie sono un'elemento essenziale e anche il più delicato negli impianti fotovoltaici non collegati alla rete elettrica locale (impianti isolati) e possono essere di diverso tipo:

Batterie con piastre positive e negative a griglia
Durata di vita doppia di quella delle automobili.
Debole autoscarica, resistenza ai cicli, poca manutenzione.

Batterie OPzS con piastre positive corazzate
Piastre positive tubolari corazzate, piastre negative a griglia.
La lega al piombo contiene selenio e pochissimo antimonio, garantendo in tal modo una buona resistenza ai cicli.
Eccezionale resistenza ai cicli (circa 3000 cicli con una profondità di scarica del 30%), autoscarica inferiore al 3%, carica senza problemi, poca manutenzione, impiego possibile fino a -5°C al massimo, ottimo rapporto prezzo-qualità, grande durata di vita.
Applicazioni: impianti con forte sollecitazione delle batterie, per grandi capacità.

Batterie a blocchi con piastre positive tubolari
Le piastre positive tubolari e le piastre negative a griglia sono isolate le une dalle altre mediante separatori microporosi. Un ulteriore involucro in fibre di vetro racchiude l’elettrodo positivo e previene cortocircuiti interni. La speciale lega del blocco e la grande scorta di elettrolito assicurano assenza di manutenzione per 3 anni.
Anche con correnti deboli la carica è buona (sono quindi ideali per gli impianti fotovoltaici), grande durata di vita, elevata resistenza ai cicli (circa 4.500 cicli con profondità di scarica del 30%), alto rendimento in Ah (95-98%).

Batterie con elettroliti solidi
Utili per temperature sotto lo zero.
Sono robuste e non hanno problemi per trasporti in aereo.
Durata cicli: maggiore che nelle batterie con piastra a griglia, ma inferiore a quelle OPzS o tubolari.
Poiché la cella è molto sensibile alle perdite idriche il processo di carica deve essere perfettamente adeguato alla batteria, in modo da contenere al massimo la formazione di gas.
Costo elevato.

Batterie al nichel-cadmio
Per temperature estreme (da - 50°C ad oltre + 55°C).
Nel caso dei piccoli cicli il rendimento in Ah è di oltre il 95% e, con scariche profonde, ancora del 70%.
Le batterie al Ni-Cd possono essere scaricate completamente. Con buone condizioni di funzionamento la durata di vita è lunghissima. Essendo la scarica totale possibile, il regolatore di carica è superfluo. Svantaggio: alta autoscarica (5 - 10 volte superiore di quella delle batterie al piombo).
Alto costo.

Rendimento batterie = Eout / Ein [%]

Il rendimento sale quanto più è basso il rapporto tra Isc e Icar. Un buon rendimento è considerato 0,83.

Durata di vita: se la batterie è “ben regolata” può arrivare anche a 8 - 10 anni di vita.

Se la profondità di scarica è eccessiva, la durata di vita della batteria si riduce:


Profondità di scarica  N° cicli
80%  200
40% 600
30% 800
20% 1100

                

Collegamenti in serie e in parallelo

Collegamento in serie: + di una batteria con - di un’altra --> si sommano le tensioni e le capacità in Wh; le capacità in Ah non cambiano

Collegamento in parallelo: tra poli uguali --> si sommano le capacità in Ah e in Wh, mentre la tensione rimane costante.

Si privilegia il collegamento in serie, tale da ottenere la tensione richiesta dal sistema.
Si evita il collegamento in parallelo, perché la carica risulterebbe sempre disuniforme e la durata di vita delle batterie ne sarebbe penalizzata.

Manutenzione

In fase di manutenzione dell'impianto é fondamentale eseguire un controllo periodico dell’elettrolita.

Gli intervalli di manutenzione possono essere prolungati facendo ricorso a dispositivi di ricombinazione dell’idrogeno (capsule al carbone attivo da avvitare al posto dei tappi): l’ossigeno e l’idrogeno che si producono durante la carica si congiungono di nuovo per formare acqua, che ritorna alla batteria riducendo sensibilmente le perdite idriche.

Altri accorgimenti

Isolare le batterie per ridurre al minimo l’escursione termica.
I collegamenti tra diverse batterie devono essere fatti unicamente tra elementi assolutamente identici.

Attenzione!

• Alla sovraccarica perenne --> l’acqua si scompone in miscela tonante e corrode le piastre.
• Alla scarica profonda --> le griglie delle piastre si trasformano in solfato di piombo, con conseguenti perdite di capacità.
• Allo stoccaggio in stato di scarica --> le masse attive degli eletrodi formano cristalli di solfato di piombo grossi e duri che riducono la capacità.
• Alle basse temperature --> allo stato scarico l’elettrolita può congelare e distruggere il contenitore dell’accumulatore.

CONFRONTO TRA BATTERIE PER IMPIANTI SOLARI E BATTERIE PER AUTOTRAZIONE
   Batteria solare        Batteria x autotrazione
Corrente di spunto Piccola Grande
Rendimento Grande Medio
N° cicli Grande Piccola
Autoscarica Piccola Media
Durata di vita Lunga Media