CAPACITA’ DI UNA BATTERIA e BATTERIE PER FOTOVOLTAICO

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PROGETTARE PICCOLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI (VERSIONE AGGIORNATA)

Una batteria, potrebbe essere un qualunque dispositivo che immagazzina energia per utilizzarla successivamente. La parola batteria identifica un apparato elettrochimico che converte l‘energia chimica in energia elettrica, mediante l’uso di una cella galvanica.

Una cella galvanica è un sistema costituito da due elettrodi (un anodo e un catodo) e una soluzione di elettrolita. La tensione di una cella galvanica di una batteria al piombo è tipicamente di 2 Volt ed è costituita da una o più celle galvaniche.

Lo scopo delle batterie non è quello di produrre elettricità ma di accumulare o immagazzinare l’elettricità. Le reazioni chimiche all’interno delle batterie variano a seconda che l’energia elettrica venga immagazzinata o rilasciata. Nelle batterie ricaricabili come a esempio quelle al piombo, il processo può essere ripetuto più e più volte. Tipicamente le batterie non offrono un’efficienza del 100% ma si attesta su valori inferiori. Questo significa che un po’ di energia viene persa sotto forma di calore durante le reazioni chimiche di carica e scarica.

PREMESSA

In linea generale le batterie si possono dividere in due categorie: Primarie e Secondarie.

  • Le primarie sono quelle che non possono essere ricaricate dopo il loro utilizzo e di solito vengono chiamate “pile” che trasformano in energia elettrica una reazione chimica. Una volta che vengono consumate le sostanze attive usate nella fabbricazione non generano più energia.

  • Le batterie secondarie, o accumulatori, generano energia attraverso una reazione chimica (ossidoriduzione) durante il processo di scarica, e funzionano come le pile.
  • Funziona come un utilizzatore elettrochimico, durante il processo di carica, trasformando l’energia elettrica in energia chimica . Per cui la carica può essere completamente ristabilita attraverso l’applicazione di un’adeguata energia elettrica.

VITO SPERONI CONSULENTE SULLE TELECOMUNICAZIONI E FOTOVOLTAICO

TENSIONE NOMINALE

La tensione nominale (Volt) è la differenza di potenziale che si instaura tra il polo positivo e negativo.

Come esempio vi riporto la tensione nominale, alla temperatura di 25°C, degli accumulatori più comuni:

  • 2,1 Volt a elemento per quelle al piombo acido
  • 1,2 Volt a elemento per quelle al nichel
  • 3,2-3,7 Volt a elemento per quelle al litio

La tensione nominale è pari alla somma delle tensioni nominali che costituiscono l’accumulatore.

Durante l’uso la tensione dell’accumulatore non è costante ma subisce delle variazioni dovute al processo di carica e scarica, e per proteggere il pacco batterie vengono fissati dei valori limiti di tensione entro i quali devono essere contenute le variazioni.

Nel processo di carica il valore massimo di tensione inviata al pacco batteria è uguale alla tensione di carica, mentre il valore minimo durante la scarica è dato dalla tensione di scarica.

TENSIONE DI CARICA

La tensione di carica espresso in Volt è quella fornita alla batteria che consente di innescare il processo di ricombinazione delle cariche elettriche.

Ci sono diverse modalità di carica che sono indicate dal costruttore, a esempio le batterie al piombo e al litio necessitano una tensione di carica costante, invece le batterie al nichel richiedono una corrente costante. In tutti i casi non si devono superare determinati valori di tensione altrimenti nelle batterie al piombo si produce idrogeno gassoso e un probabile danneggiamento, e un rischio di esplosione nelle batterie al litio.

Come esempio vi riporto i valori limiti della tensione di carica, alla temperatura di 25°C, degli accumulatori più comuni:

  • 2,40 Volt a elemento per quelle al piombo acido
  • 1,60 Volt a elemento per quelle al nichel
  • 4,20 Volt a elemento per quelle al litio

La tensione di carica varia al variare della temperatura dell’accumulatore, per cui se la temperatura si discosta dai 25°C necessita di una compensazione. A esempio, per gli accumulatori al piombo la tensione limite di carica alla temperatura di 15°C diventa 2,445 Volt per elemento, e 2,335 alla temperatura di 35°C.

TENSIONE FINALE DI SCARICA

La tensione finale di scarica è quella indicata dal costruttore ed è espressa in Volt, per evitare di ridurre la vita dell’accumulatore è necessario non scaricarla oltre il limite di tensione indicato dal costruttore.

Esempio. Un accumulatore con una tensione di 12 Volt e una Capacità di 10 Ah, la corrente di scarica a 0,05 C e a 2 C sarà espressa dalla seguente regola:

0,05C=0,05* 10=0,5 A e 2C= 2*10=20 A

Dove l’indice C è l’intensità della corrente  che una batteria eroga per scaricarsi in un’ora.

CAPACITA’

La capacità di una batteria è il parametro che rappresenta la quantità di carica elettrica immagazzinata dalla batteria, ed è espressa in Ampere-ora (Ah).

L’Ampere-ora (Ah) è l’unità di misura della carica elettrica e rappresenta la quantità di carica necessaria per erogare Ampere per un’ora. E viene utilizzata per misurare il tempo di scarica di una batteria (es. una batteria da 1 Ah se eroga continuamente 1 A si scarica in 1 ora), ma si utilizza anche per stimare il tempo di ricarica (es. per caricare una batteria da 1 Ah con una corrente costante di 1 A sarebbe necessario 1 ora).

CALCOLO DELLA CAPACITA’

La capacità nominale (Q) di un accumulatore (batteria) alla temperatura ambiente di 25°C è pari al prodotto tra la corrente di scarica (A) e il tempo (h) che è necessario per raggiungere la tensione finale di scarica.

Praticamente indica la quantità di carica elettrica che una cella elettrochimica è in grado erogare prima di scaricarsi.

Q= Is*t 

Qcapacità nominale (unità di misura: Ah); Iscorrente di scarica (A)ttempo (h)

La Capacità nominale Q (definita per omogeneizzare i criteri di scelta di un accumulatore) viene indicata convenzionalmente alla scarica in un determinato intervallo di tempo (h) ed è riferita a una corrente di scarica costante.

Il valore della capacità di una batteria non rimane costante ma è influenzata da due fattori principali: la temperatura e l’intensità della corrente di scarica. Se la temperatura aumenta come conseguenza aumenta la capacità e viceversa; se aumenta la corrente di scarica diminuisce la capacità e viceversa.

L’ ENERGIA DI UNA BATTERIA (Wh = wattora)

L’unità di misura della capacità di immagazzinamento di energia di una batteria è il wattora (Wh)  e si ottiene moltiplicando la capacità in Ah (ampere-ora) per la tensione nominale della batteria: 

Wh= V* Ah

Esempio: Tensione dell’accumulatore 12 Volt; Capacità 50 Ah.

Wh= 50 (Ah) *12 (Volt)= 600 

CALCOLO AMPERE-ORA

Se volessi calcolare gli Ah di una batteria che eroghi kWh a 12 Volt farò in questo modo:

per ottenere la L’Energia espressa in Wh devo moltiplicare il valore della capacità  in Ah per la tensione nominale Vn del sistema di accumulo:

Wh= Ah* Vn

Da cui ricavo gli Ah con la formula:

Ah= Wh/ Vn

Per cui: Ah= 3000/12=250 

Esempio: Per avere 100 Watt per 10 ore da una batteria a 12 Volt (V) saranno necessari: 83,3 Ah  ( 100*10/12= 83,3 Ah).

Dal valore ottenuto bisogna tenere conto che se si utilizza batterie al piombo acido, o piombo gel devono essere scaricate al 50% della capacità nominale, o all’80 % se sono al Litio, per cui è necessario aumentare la capacità

Se si tratta di batterie al piombo divido gli Ah per 0,5; e per 0,8 se si tratta di batterie al Litio .

Per cui se devo utilizzare una batteria al piombo con una Capacità nominale( Q) di 200 Ah dovrò acquistarne una di 400 Ah (Ah=Q/0,5=200/0,5=400 Ah), se invece dovessi utilizzare una batteria al Litio con una capacità nominale di 200 Ah dovrò acquistarne una da 250 Ah (Ah=Q/0,8= 200/0,8=250 Ah)

VALORE CONVENZIONALE DI UNA BATTERIA COMPLETAMENTE SCARICA

Per convenzione: la capacità nominale di una batteria (Q) con un indice C₂₀, è la quantità di corrente che la batteria può erogare continuamente per 20 ore prima di scendere a 10,5 Volt che è il valore convenzionale di batteria completamente scarica. 

Valore convenzionale di batteria completamente carica

Invece è completamente carica, quando la tensione ai poli della batteria è di circa 12.8 Volt.

Una batteria al piombo con elementi immersi in acido solforico è in grado di sopportare scariche non superiori al 50% della sua capacità nominale, se viene superata si può danneggiare in modo irreversibile. Per le batterie al Gel il valore è di poco superiore. Per cui se la batteria ha una capacità di 100 Ah, sarà in grado di erogarne solo 50 prima che sia scarica.

CALCOLO DELLA CAPACITA’ DI ACCUMULATORE PER UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO 

Per calcolare la Capacità (Q) del pacco batteria in Ah  da utilizzare in un impianto fotovoltaico bisogna tenere conto dei seguenti fattori:

  1. Et= Wh*t= Ah (Energia totale). Bisogna sommare i Watt di ogni apparato connesso all’impianto fotovoltaico e moltiplicarlo per le ore di utilizzo, e si ottengono i Wh  o kWh (es. il televisore consuma 150 Watt x 6 ore di utilizzo= 900 Wh; ecc.).
  2. NgNumero dei giorni che le batterie devono erogare energia quando manca quella proveniente dal solare.
  3. Se si utilizza batterie al piombo acido o piombo gel devono essere scaricate al 50% della capacità nominale, o all’80 % se sono al Litio.
  4. Sapere la tensione dell’impianto fotovoltaico (es. 12, o 24 Volt)
  5. l’Efficienza : L’efficienza totale indica quale percentuale di energia accumulata è realmente disponibile e di solito varia dal 70 al 95 % (scegliamo quelle con almeno il 92% di efficienza).

FORMULA DELLA CAPACITA’

Con scarica al 50% della capacità nominale se sono batterie al piombo acido o piombo gel   

oppure:

Dove: QB= capacità batteria in AhEt= consumo in WhNg= numero dei giorni di utilizzo; Tensione fotovoltaico0,5= profondità di scarica; 0,92efficienza.

Con scarica all’80% della capacità nominale se sono batterie al Litio (in questo caso non teniamo conto dell‘Efficienza)

oppure:

Dove: QB= capacità batteria in AhEt= consumo in WhNg= numero dei giorni di utilizzo; Tensione fotovoltaico0,8= profondità di scarica;

RIASSUNTO

Ah = capacità, corrente immagazzinata, che potremmo paragonarla ai litri di acqua in un grande recipiente
A = corrente che scorre in questo momento, è come la portata di acqua in un tubo che rifornisce il recipiente
Wh = energia totale usata, prodotta o accumulata, come il conto in banca
W = potenza istantanea prodotta o consumata, è quanto lavoro riusciamo a fare contemporaneamente.

Nota: il valore espresso nella targhetta di una batteria (180 Ah/ 1200 A) significa che la batteria potrà erogare sullo spunto la corrente massima di 1200 Ampere.

COME CALCOLARE IN AUTOMATICO  LA CAPACITA’ DELLE BATTERIE PER FOTOVOLTAICO

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BATTERIE DI ACCUMULO PER FOTOVOLTAICO

 I pannelli solari producono energia elettrica durante il giorno, che può essere consumata al momento, ma il consumo energetico è generalmente più elevato di mattina e di sera, quando la luce solare non è presente, per cui l’energia andrebbe sprecata se non ci fossero le batterie che immagazzinano il surplus di elettricità e consente di utilizzarla quando è necessario.

BATTERIE AL PIOMBO-ACIDO

Questo tipo di batteria è affidabile ed economica, ma anche ingombrante e pesante. Per ottenere un buon numero di cariche e scariche è necessario che siano scaricate al 50% della sua capacità di accumulo nominale: per cui la capacità utile si riduce della metà. Bisogna anche tenere conto del luogo dove vengono messe in quanto producono gas idrogeno, per cui se si trovano al chiuso il luogo deve essere ben areato.

Le batterie al Piombo hanno delle differenze costruttive a secondo dell’utilizzo che uno ne fa, ad esempio quelle delle auto sono costruite per garantire un’elevata corrente allo spunto, mentre per il fotovoltaico devono garantire un elevato numero di cariche e scariche.

BATTERIA AGM

In linea generale sul mercato troviamo due soluzioni: le batterie AGM  (Absorbent Glass Mata) piastre piane  che sono a tenuta stagna e sopporta senza problemi anche le posizioni obliqueGarantiscono dai 400 ai 700 cicli al 50% della capacità nominale, poco per il fotovoltaico e infatti sono costruite per le auto, o apparati UPS per garantire solo il tempo necessario per il ripristino della rete.

BATTERIA AL PIOMBO/GEL

Le batterie al Piombo/Gel sono quelle più diffuse, dal costo economico e affidabili. Possono essere scaricate fino a un massimo del 50% della loro carica nominale ed esaurisce la sua funzione dopo circa 2000/2500 cicli di carica e scarica. E se la utilizziamo ogni giorno possiamo stimare una durata di circa 6/7 anniUna cosa da tenere presente che le batterie al piombo pesano e sono ingombranti e sono da mettere in una zona areata in quanto producono, nella carica, gas idrogeno.

La batteria al gel presenta il vantaggio di un’usura ridotta degli elettrodi, da questo deriva una durata di utilizzo superiore rispetto a una batteria al piombo-acido convenzionale.

BATTERIE GEL IN PIOMBO ACIDO

Le Batterie stazionarie OPzV sono batterie gel in piombo-acido che, essendo sigillate, non necessitano di manutenzione periodica. Sono ideali per l’utilizzo in installazioni solari, luci di emergenza, sistemi antincendio, telecomunicazioni, sistemi di irrigazione, ecc. La batteria si presenta in un formato compatto affinché sia più semplice da installare e trasportare. Queste batterie sono composte da celle tubolari e si caratterizzano per il loro eccellente comportamento in ciclo profondo, alto rendimento e livello di affidabilità. A livello tecnico, il vantaggio principale delle OPzV è che integrano una valvola di controllo che ne permette la scarica ripetuta e duratura delle celle e ciò ne consente il funzionamento sia in posizione verticale che orizzontale. La batteria offre un’alta resistenza ai cicli di scarica profonda e ripetuta per cui la sua durata stimata è di oltre 2400 cicli a una profondità di scarica media del 60% con una vita media di più di 18 anni a 25ºC.

BATTERIE AL LITIO

Le batterie al litio hanno il pregio di essere leggere, compatte, e si ricaricano velocemente, per il fotovoltaico le aziende hanno adottato per la maggior parte due tipi:

NMC (Nickel Manganese Cobalto: Li-NMC)

  • La NMC (Nickel Manganese Cobalto: Li-NMC) che per la sua particolare composizione di elementi ha una massa energetica elevata per cui può accumulare grandi quantità di energia senza che il peso aumenti in proporzione. Per questo motivo vengono usate principalmente per le auto elettriche. Per contro le NMC hanno un difetto non trascurabile: nel caso ci fosse un cortocircuito o un danneggiamento potrebbero verificarsi incendi difficili da estinguere e considerando che le batterie di questo tipo contengono dalle 600 alle 1000 celle una reazione a catena potrebbero mettere in pericolo l’abitazione.

Litio Ferro Fosfato (LFP: Li-FePO₄)

  • Il mercato si è concentrato su questo tipo di accumulatore Litio Ferro Fosfato (LFP: Li-FePO₄), migliorandone le prestazioni, come: la durata, azzerare l’effetto memoria, densità di energia. Già oggi possiamo rilevare le eccellenti prestazioni con un contenuto aumento della temperatura, senza fumo ne esplosioni.  Le celle così strutturate resistono meglio a elevate tensioni di cella applicate a lungo, ma hanno una tensione nominale di soli 3,2 Volt che ne riduce l’energia specifica. Quello che si può imputare è che questa tecnologia ha una maggiore corrente di autoscarica, che può provocare problemi di bilanciamento delle batterie con l’invecchiamento. Il problema è controllabile con appositi dispositivi elettronici, con un aumento del costo. Inoltre soffre l’umidità, per cui va accuratamente protetta. L’accumulatore è in grado di sostenere circa 10.000 cicli di scarica e carica mantenendo alla fine il 70% della sua capacità originale. Il costo è di circa 1000/1200 euro per kWh, i prezzi sono in costante diminuzione grazie alla loro diffusione e al miglioramento della tecnologia.

Le batterie di accumulo agli ioni di litio permette loro di ottimizzare l’autoconsumo ai massimi livelli:

  • efficienza 90% – 95%
  • profondità di scarica 90% – 100%
  • 10.000 cicli di vita circa
  • dimensioni compatte e peso ridotto
  • installazione semplificata
  • sicurezza

COMPOSIZIONE DELLA BATTERIA AL LITIO FERRO FOSFATO

È composta da centinaia di singole cella collegate tra loro per ottenere la capacità necessaria ad alimentare gli apparati della nostra abitazione con l’energia immagazzinata attraverso il fotovoltaico.

Queste celle sono composte da due elettrodi, uno è in grafite mentre l’altro è in litio-ferro-fosfato (Li-FePO₄), la dimensione è leggermente maggiore rispetto ad altre tipologie, ma ha una maggiore resistenza al calore.

DIFFERENZE CON ALTRE BATTERIE AL LITIO

Quelle che vengono usate nei computer, macchine elettriche, smartphone sono diverse rispetto a quelle usate per il fotovoltaico. Infatti, in questi casi, per la maggior parte, un elettrodo della batteria è costituito da Nichel o Cobalto.  Si tratta di una miscela di litio-cobalto come il nichel-manganese cobalto (NMC) oppure il nichel-cobalto-alluminio (NCA). Le prestazioni di queste ultime sono inferiori rispetto al LiFePo4 (litio-ferro-fosfato), ma sono comunque utilizzate maggiormente in quanto occupano meno superficie e sono piuttosto leggere.

CARATTERISTICHE PRINCIPALI PER LA SCELTA DEL TIPO DI BATTERIA

  • Velocità con cui la batteria riesce ad immagazzinare o rilasciare l’energia;
  • Materiali– esistono diverse tecnologie per la costruzione delle batterie di accumulo: Piombo, Sodio, Nichel, Ioni di Litio. Oggi, quello più usato è il litio: sicuro, non emette emissioni di gas ed è l’unica tecnologia che non contiene metalli pesanti o tossici;
  • Garanzie del produttore – Alcuni produttori indicano un numero massimo di cicli garantiti di carica e di scarica, sarebbe preferibile che le garanzie fossero legate al tempo di funzionamento in funzione della data di installazione.
  • Versatilità– una batteria di accumulo deve adattarsi ad ogni tipo di impianto fotovoltaico.

Le batterie al Litio sono piccole e leggere ma molto costose. La percentuale di scarica può arrivare fino all’80% della capacità nominale e il ciclo di cariche e scariche può arrivare, a esempio quelle al Litio Ferro Fosfato, fino a 10.000 cicli.

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