Солнечная энергетика - это просто здорово, но вот в чем проблема: даже одна батарея стоит немалых денег, а для хорошего эффекта нужна не одна, и даже не две. Потому и приходит идея - собрать все самому. Если есть у вас небольшой навык пайки - это сделать просто. Вся сборка заключается в том, чтобы последовательно соединить элементы в дорожки, а дорожки закрепить на корпусе. Сразу скажем о цене. Набор для одной панели (36 штук) стоит в районе 70-80$. А полностью со всеми материалами солнечные батареи своими руками обойдутся вам примерно в 120-150$. Намного меньше, чем заводские. Но нужно сказать, что и по мощности они будут тоже меньше. В среднем каждый фотопреобразователь выдает 0,5 В, если последовательно соединить 36 штук, это будет порядка 18 В.
Немного теории: типы фотоэлементов для солнечных батарей
Самая большая проблема - приобрести фотоэлектрические преобразователи. Это те самые кремниевые пластины, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Вот тут нужно немного разбираться в типах фотоэлементов. Их выпускают двух типов: поликристаллические и монокристаллические. Монокристаллические более дорогие, но имеют более высокий КПД - 20-25%, поликристаллические - дешевле, но и производительность у них меньше - 17-20%. Как их отличить внешне? Поликристаллические имеют ярко-синий цвет. Монокристаллические немного темнее и у них не квадратная, а многогранная форма - квадрат со срезанными краями.
О форме выпуска. Есть фотоэлементы для солнечных батарей с уже припаянными проводниками, а есть наборы, где проводники прилагаются и все нужно паять самостоятельно. Что покупать решает каждый сам, но нужно сказать, что без навыка хотя-бы одну пластину вы повредите, а скорее, не одну. А если и паять умеете не очень… то лучше немного дороже заплатить, но получить уже почти готовые к использованию детали.
Сделать фотоэлементы для солнечных батарей своими руками нереально. Для этого нужно уметь выращивать кристаллы кремния, а потом его еще обрабатывать. Потому нужно знать, где купить. Об этом дальше.
Где и как купить фотоэлементы
Теперь о качестве. На всех китайских площадках типа Ebay или Alibaba продается отбраковка. Те детали, которые не прошли тесты на заводе. Потому идеальной батареи вы не получите. Но цена у них не самая большая, так что можно смириться. Во всяком случае, на первых порах. Соберите пару тестовых солнечных батарей своими руками, набейте руку, а потом можно брать с завода.
Некоторые продают фотоэлементы запаянными в воск. Это предотвращает их порчу при перевозке, но избавиться от воска и не повредить пластины довольно сложно. Нужно все вместе их окунуть в горячую, но не кипящую воду. Подождать пока воск растает, потом аккуратно разъединять. Потом поочередно купать каждую пластину в горячем мыльном растворе, потом окуная в чистую горячую воду. Таких «омовений» моет понадобиться несколько, воду и мыльный раствор придется менять, и не один раз. После того как воск удалите, чистые пластины разложите на махровом полотенце для просушки. Очень хлопотное это дело. Так что лучше покупайте без воска. Так намного проще.
Теперь о покупках на китайских площадках. Конкретно о Ebay и Alibaba. Они проверены, тысячи людей ежедневно там что-то покупают. Система ничем не отличается. После регистрации, как обычно, в строке поиска набираете название элемента. Потом выбираете понравившееся по какой-то причине предложение. Обязательно выбирайте из тех вариантов, где есть бесплатная доставка (на английском free shipping). Если такой пометки нет, то доставку придется оплачивать отдельно. А она часто больше стоимости товара и уж точно больше той разницы, что вы выгадаете на цене.
Ориентироваться нужно не только на цену, но и на рейтинг продавца и на отзывы. Внимательно читайте и состав товара, его параметры и отзывы. Можно с продавцом общаться, только сообщения писать нужно на английском.
По поводу оплаты. Она на этих площадках переводится продавцу только после того, как вы отпишитесь в получении товара. А пока идет доставка, ваши деньги лежат на счете торговой площадки. Оплачивать можно с карты. Если боитесь светить данные карты, воспользуйтесь промежуточными сервисами. Они есть разные, но суть одна - ваша карта не засветится. Есть на этих площадках и возврат товара, но это долгая песня, так что лучше брать у проверенных продавцов (с хорошим рейтингом и отзывами).
Да. Посылка идет в зависимости от региона. И дело не столько в том, как долго она будет идти из Китая, как в том, как скоро ее доставит почта. В лучшем случае - недели три, но может и полтора месяца.
Как собрать
Сборка солнечной батареи своими руками состоит из трех этапов:
- Изготовление каркаса.
- Пайка солнечных элементов.
- Укладка в каркас и герметизация.
Каркас изготовить можно из алюминиевых уголков или из деревянных реек. Но форма каркаса, материалы, последовательность изготовления зависят от способа установки.
Способ первый: установка на окне
Батарею вешают на окне, на раму изнутри помещения или снаружи, но тоже на окне. Тогда нужно делать каркас из алюминиевого уголка, а к нему приклеивать стекло или поликарбонат. В этом случае между фотоэлементами остаются хоть небольшие зазоры, через которые немного света проникает в помещение. Размеры рамы выбираете исходя из размеров ваших фотоэлементов и того, как вы собираетесь их располагать. Также некоторую роль могут сыграть габариты окна. Учтите, что плоскость должна быть ровная - фотоэлектрические преобразователи очень хрупкие, и при малейшем перекосе будут трескаться.
Развернув готовую раму с приклеенным стеклом лицом вниз, на поверхность стекла нанести слой герметика. На герметик, снова-таки лицевой стороной вниз, разложить собранные из фотоэлементов линейки.
Из толстого упругого поролона (толщина не менее 4 см) и куска полиэтиленовой пленки (200 мк) сделать мат: поролон обтянуть пленкой и хорошо скрепить. Лучше полиэтилен спаять, но можно и скотчем воспользоваться, только все стыки должны находиться на одной стороне. Вторая должна быть ровной и гладкой. По размерам мат должен хорошо ложиться в раму (без загибов и усилий).
Уложили мат на фотоэлементы, утопленные в герметике. На него доску, которая по размерам чуть меньше рамы, а на доску солидный груз. Это нехитрое устройство поможет выгнать пузыри воздуха, которые оказались под фотоэлементами. Воздух снижает производительность, причем очень сильно. Потому чем меньше пузырьков будет, тем лучше. Всю конструкцию оставляете на 12 часов.
Теперь время снять груз и отлепить мат. Делаете это медленно и не спеша. Важно не повредить пайку и проводники. Потому тяните плавно, без рывков. После того, как мат сняли, панель нужно оставить на некоторое время - досохнуть. Когда герметик перестанет липнуть, можно навешивать панель и пользоваться.
Вместо длительной процедуры с герметиком можно взять специальную пленку для герметизации. Она называется EVA. Просто сверху на собранную и уложенную на стекло батарею расстилаете пленку и греете ее строительным феном до полной герметизации. Времени уходит в разы меньше.
Способ второй: установка на стене, крыше и т.д.
В этом случае все иначе. Задняя стенка должна быть плотной и не проводящей ток. Возможно - деревянной, фанерной и т.п. Потому имеет смысл и раму сделать из деревянных брусков. Только высота корпуса должна быть небольшой, чтобы тень от бортиков не мешала.
На фото корпус состоит из двух половинок, но это совсем необязательно. Просто легче собирать и укладывать короткие линейки, но соединений в этом случае будет больше. Да. Несколько нюансов: нужно в корпусе предусмотреть несколько отверстий. В нижней части нужны несколько штук для выхода конденсата, а также два отверстия для вывода проводников от батареи.
Затем корпус батареи покрасить белой краской - кремниевые пластины имеют довольно широкий диапазон рабочих температур, но он не безграничен: от -40 o Cдо +50 o C. А летом в закрытой коробке +50 o C набегает легко. Потому и нужен белый цвет, чтобы не перегревались фотопреобразователи. Перегрев, как и переохлаждение, ведет к снижению эффективности. Это, кстати, может стать объяснением непонятного явления: полдень, солнце жарит, а батарея стала давать меньше электричества. А она просто перегрелась. Для южных регионов, наверное, нужно уложить фольгу. Это будет эффективнее. Причем производительность, скорее всего, возрастет: будет улавливаться еще и отраженное фольгой излучение.
После того как краса высохла, можно укладывать собранные дорожки. Но в этот раз лицом вверх. Как их крепить? На каплю термостойкого герметика посредине каждой пластины. Почему не нанести по всей поверхности? Из-за температурного расширения пластина будет менять размеры. Если приклеить ее только посередине, с ней ничего не случиться. Если будет хотя-бы две точки - она рано или поздно лопнет. Потому аккуратно посередине наносите каплю, мягко прижимаете пластину. Не давите - раздавить очень легко.
В некоторых случаях пластины сначала крепились на основу - лист ДВП, выкрашенный в тот же белый цвет. А потом уже на основе закреплялись к корпусу шурупами.
После того, как все линейки уложены, последовательно их соединяете. Чтобы проводники не болтались, их можно зафиксировать несколькими каплями герметика. Вывести провода от элементов можно через днище или через бортик - как удобнее. Протяните их через отверстие, а потом залейте дырку все тем же герметиком. Теперь нужно дать всем соединениям высохнуть. Если накрыть крышкой раньше, на стекле и фотоэлементах образуется налет, который сильно снижает эффективность батареи. Потому ждем как минимум сутки (или столько, сколько указано на упаковке герметика).
Теперь дело за малым - накрыть все стеклом или прозрачным пластиком. Как крепить — дело ваше. Но на первых порах не герметизируйте. По крайней мере, до испытания. Может где-то обнаружится проблема.
И еще один нюанс. Если планируете в систему подключать аккумуляторы, понадобится поставить диод, который будет предотвращать разряд аккумулятора через батарею в ночное время или в плохую погоду. Лучше всего поставить диод «Шоттки». Его подсоединяю к батарее последовательно. Установить его лучше внутри конструкции - при высоких температурах у него уменьшается падение напряжения, т.е. в рабочем состоянии он будет меньше «садить» напряжение.
Как паять элементы для солнечной батареи
Немного об обращении с кремниевыми пластинами. Они очень-очень хрупкие, легко трескаются и ломаются. Потому обращаться нужно с ними с крайней осторожностью, хранить в жесткой таре подальше от детворы.
Работать нужно на ровной твердой поверхности. Если стол покрыт клеенкой, положите лист чего-то твердого. Пластина не должна прогибаться, а всей поверхностью жестко опираться на основу. Причем основание должно быть гладким. Как показывает опыт, идеальный вариант - кусок ламината. Он, жесткий, ровный, гладкий. Паяют на тыльной стороне, не на лицевой.
Для пайки использовать можно флюс или канифоль, любой из составов в маркере для пайки. Тут у каждого свои пристрастия. Но желательно, чтобы состав не оставлял следов на матрице.
Укладываете кремниевую пластину лицом вверх (лицо - синяя сторона). На ней есть две или три дорожки. Их промазываете флюсом или маркером, спиртовым (не водно-спиртовым) раствором канифоли. В комплекте с фотопреобразователями идет обычно тонкая контактная лента. Иногда она нарезана на куски, иногда идет в катушке. Если лента намотана на катушку, отрезать нужно кусок, равный двойной ширине солнечного элемента, плюс 1 см.
На обработанную флюсом полосу припаиваете отрезанный кусок. Лента получается намного длиннее пластинки, весь остаток остается с одной стороны. Старайтесь вести паяльник не отрывая. Насколько это возможно. Для более качественной пайки на кончике жала у вас должна быть капля припоя или олова. Тогда пайка будет качественной. Непропаянных мест быть не должно, хорошо все прогревайте. Но не давите! Особенно по краям. Это очень хрупкие изделия. Поочередно припаиваете ленты на все дорожки. Фотопреобразователи получаются «хвостатые».
Теперь, собственно, о том, как собрать солнечную батарею своими руками. Приступаем к сборке линейки. С обратной стороны пластинки тоже есть дорожки. Теперь «хвост» от верхней пластины припаиваем к нижней. Технология такая же: дорожку промазываем флюсом, потом пропаиваем. Так последовательно соединяем нужное количество фотоэлектрических преобразователей.
В некоторых вариантах на задней стороне не дорожки, а площадки. Тогда пайки меньше, но претензий по качеству может быть больше. В этом случае промазываем флюсом только площадки. И паяем тоже только на них. Вот, собственно, все. Собранные дорожки можно переносить на основание или корпус. Но есть еще множество хитростей.
Так, например, между фотоэлементами нужно выдерживать определенное расстояние (4-5 мм), что без фиксаторов не так и легко. Малейший перекос, и есть возможность порвать проводник, или сломать пластинку. Потому для задания определенного шага на кусок ламината приклеивают строительные крестики (используются при укладке плитки), или делают разметку.
Все проблемы, которые возникают при изготовлении солнечных батарей своими руками, связаны с пайкой. Потому перед герметизацией, а лучше еще и перед переносом линейки на корпус, проверить сборку амперметром. Если все нормально, можно продолжать работу.
Итоги
Теперь вы знаете, как сделать солнечную батарею в домашних условиях. Дело не самое сложное, но требует кропотливой работы.
Экология потребления. Наука и техника: Всем известно, что солнечная батарея преобразует энергию солнца в электрическую энергию. И существует целая индустрия по производству таких элементов на огромных фабриках. Я же предлагаю вам выполнить свою собственную солнечную батарею из легкодоступных материалов.
Всем известно, что солнечная батарея преобразует энергию солнца в электрическую энергию. И существует целая индустрия по производству таких элементов на огромных фабриках. Я же предлагаю вам выполнить свою собственную солнечную батарею из легкодоступных материалов.
Составные части солнечной батареи
Главным элементом нашей с вами солнечной батареи будут две медные пластинки. Ведь, как известно, окись меди стала первым элементом, в котором ученые открыли фотоэлектрический эффект.
Итак, для успешной реализации нашего скромного проекта понадобится:
1. Медный лист. На самом деле целый лист нам не нужен, а вполне хватит небольших квадратных (или прямоугольных) кусков по 5 см.
2. Пару зажимов типа крокодил.
3. Микроамперметр (чтобы понять величину генерируемого тока).
4. Электрическая печка. Она необходима для того чтобы окислить одну из наших пластин.
5. Прозрачная емкость. Вполне подойдет обычная пластиковая бутыль из-под минеральной воды.
6. Поваренная соль.
7. Обычная горячая вода.
8. Небольшой кусок наждачной бумаги, чтобы очистить наши медные пластины от оксидной пленки.
Как только все необходимое подготовлено, можно приступать к самому важному этапу.
Готовим пластины
Итак, первым делом берем одну пластину и промываем ее для удаления всех жиров с ее поверхности. После этого с помощью наждачной бумаги счищаем пленку окиси и уже очищенную планку кладем на включенную электрическую горелку.
После этого включаем ее и наблюдаем, как она раскаляет и изменяет нашу с вами пластину.
Как только медная пластина полностью приобретёт черный цвет подержите ее еще как минимум сорок минут на раскаленной плите. После этого выключите плитку и подождите пока полностью не остынет ваша «прожаренная» медь.
Из-за того что скорость остывания медной пластины и оксидной пленки будет разной большая часть черного налета отойдет самостоятельно.
После того как пластина остыла, возьмите ее и аккуратно смойте черную пленку под водой.
Важно. При этом не следует отдирать оставшиеся черные области или же каким-либо образом сгибать. Это нужно для того, чтобы остался неповрежденным слой меди.
После этого берем наши пластины и аккуратно помещаем в подготовленную емкость, а к краям прикрепляем наши крокодильчики с припаянными проводами. Причем нетронутый кусок меди соединяем с минусом, а обработанный к плюсу.
Затем готовим солевой раствор, а именно растворяем несколько ложек соли в воде и эту жидкость заливаем в емкость.
Теперь проверяем работоспособность нашей с вами конструкции путем подключения к микроамперметру.
Как вы видите установка вполне рабочая. В тени микроамперметр показал примерно 20 мкА. А вот на солнце прибор аж зашкалил. Поэтому лишь могу сказать, что на солнце такая установка выдает явно больше 100 мкА.
Конечно, от такой установки вы не сможете даже лампочку зажечь, но сделав такую установку со своим ребенком, вы сможете подогреть его интерес к изучению, например, физики. опубликовано
Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .
Солнце является неистощимым источником энергии. Люди давно научились тому, как эффективно пользоваться ей. Мы не будем вдаваться в физику процесса, а посмотрим, как можно использовать этот бесплатный энергетический ресурс. Поможет нам в этом самодельная солнечная панель.
Принцип действия
Что представляет собой солнечный элемент? Это специальный модуль, который состоит из огромного количества самых элементарных фотодиодов. Данные полупроводниковые элементы выращивали с использованием специальных технологий в условиях завода на пластинах из кремния.
К сожалению, такие устройства отнюдь не дешевые. Большинство людей не может их приобрести, однако на этот случай есть множество способов изготовить солнечные панели своими руками. И эта батарея вполне сможет создать конкуренцию коммерческим образцам. Причем цена ее будет совсем не сопоставима с тем, что предлагают магазины.
Постройка батареи из кремниевых пластин
Комплект для включает 36 кремниевых пластинок. Они предлагаются с размерами 8*15 сантиметров. Общие показатели мощности составят порядка 76 Вт. Также понадобятся провода для того, чтобы соединить элементы между собой, и диод, который будет выполнять функцию блокировки.
Одна кремниевая пластина выдает 2,1 Вт и 0,53 В при токе до 4 А. Соединять пластины необходимо только последовательно. Лишь таким образом наш источник энергии сможет выдать 76 Вт. На лицевой стороне нанесены две дорожки. Это «минус», а «плюс» расположен на тыльной стороне. Каждую из панелей необходимо расположить с зазором. Должно получиться девять пластин в четыре ряда. При этом второй и четвертый ряды необходимо развернуть наоборот относительно первого. Это требуется для того, чтобы все удобно соединилось в одну цепь. Обязательно нужно учесть диод. Он позволяет предотвратить разряд накопительного аккумулятора в ночное время суток либо в облачный день. «Минус» диода нужно соединить с «плюсом» батареи. Для заряда аккумулятора понадобится специальный контроллер. При помощи инвертора можно получить обычное бытовое напряжение в 220 В.
Сборка солнечных панелей своими руками
Самый малый коэффициент преломления света - у плексигласа. Он и будет использоваться в качестве корпуса. Это достаточно недорогой материал. А если нужно еще дешевле, тогда можно приобрести оргстекло. В худшем случае можно использовать поликарбонат. Но он мало подходит для корпуса по своим характеристикам. В магазинах можно отыскать специальный поликарбонат с покрытием, которое защищено от конденсата. Он позволяет также обеспечить батарее высокий уровень защиты от тепла. Но это еще не все элементы, из которых будет состоять солнечная панель. Своими руками стекло с хорошей прозрачностью несложно подобрать, это одна из основных составляющих конструкции. Кстати, подойдет даже обычное стекло.
Изготовление рамки
При монтаже кремниевые кристаллы необходимо крепить на небольшом расстоянии. Ведь нужно учесть различные атмосферные воздействия, которые могут повлиять на изменения основы. Так, желательно, чтобы расстояние составляло около 5 мм. В результате размер готовой конструкции составит где-то 835*690 мм.
Изготавливается солнечная панель своими руками с использованием профиля из алюминия. Он имеет максимальное сходство с фирменными изделиями. При этом самодельная батарея более герметична и прочна.
Для сборки понадобится уголок из алюминия. Из него делается заготовка для будущей рамки. Размеры - 835*690 мм. Для того чтобы скрепить профили между собой, необходимо заранее сделать технологические отверстия.
Внутреннюю часть профиля следует промазать герметиком на основе силикона. Наносить его нужно очень внимательно, чтобы все места были промазаны. От того, насколько качественно он будет нанесен, полностью зависит эффективность и надежность, которой будет обладать солнечная панель.
Своими руками теперь нужно положить в рамку из профиля лист из заранее подобранного прозрачного материала. Это может быть либо что-нибудь еще. Важный момент: силиконовый слой должен просохнуть. Это нужно учесть обязательно, иначе на кремниевых элементах появится пленка.
На следующем этапе прозрачный материал необходимо хорошо прожать и зафиксировать. Чтобы крепление получилось максимально надежным, следует воспользоваться метизами. Закрепим стекло по периметру и с четырех углов. Теперь солнечная панель, своими руками изготавливаемая, практически готова. Осталось лишь соединить кремниевые элементы между собой.
Пайка кристаллов
Теперь нужно как можно аккуратнее проложить проводник на пластинку из кремния. Далее наносим флюс и припой. Чтобы было удобнее работать, можно зафиксировать проводник с одной стороны чем-нибудь.
В этом положении аккуратно подпаиваем проводник к контактной площадке. Не давите на кристалл паяльником. Он очень хрупкий, вы можете его сломать.
Последние сборочные операции
Если для вас изготовление солнечных панелей своими руками впервой, то лучше использовать специальную разметочную подложку. Она поможет расположить необходимые элементы максимально ровно на необходимом расстоянии. Для того чтобы правильно отрезать провода нужной длины, соединяющие отдельные элементы, следует учесть, что проводник должен припаиваться к контактной площадке. Она немного вынесена за край кристалла. Если сделать предварительные расчеты, то выяснится, что провода должны быть по 155 мм.
Когда будете собирать все это в единую конструкцию, лучше взять лист фанеры или оргстекла. Для удобства кристаллы лучше предварительно расположить горизонтально и зафиксировать. Это легко делается с помощью крестиков для укладки плитки.
После того как вы соедините все элементы между собой, на каждый кристалл с обратной стороны наклейте двухсторонний строительный скотч. Нужно лишь немного прижать заднюю панель, и все кристаллы с легкостью перенесутся на базу.
Такой тип крепления никак ни герметизируется дополнительно. Кристаллы могут расширяться при высоких температурах, но это не страшно. Герметизировать нужно лишь отдельные части.
Теперь при помощи необходимо закрепить все шины и само стекло. Прежде чем заклеивать и полностью собирать батарею, желательно протестировать ее.
Герметизация
Если у вас обычный силиконовый герметик, то не нужно полностью заливать им кристаллы. Так можно исключить риск повреждения. Для заливки этой конструкции нужен не силикон, а эпоксидная смола.
Вот так просто и непринужденно можно получать электрическую энергию почти даром. Теперь рассмотрим, как еще можно сделать солнечные панели своими руками.
Экспериментальная батарея
Эффективные системы для преобразования солнечной энергии требуют наличия фабрик огромных размеров, особого ухода за ними и серьезной суммы денег.
Давайте попробуем изготовить что-то самостоятельно. Все, что понадобится для эксперимента, легко можно купить в хозяйственном магазине или найти на вашей кухне.
Солнечная панель своими руками из фольги
Для сборки понадобится медная фольга. Ее без труда можно найти в гараже или на крайний случай легко приобрести в любом хозяйственном магазине. Для сборки батареи нужно 45 квадратных сантиметров фольги. Также следует купить два «крокодильчика» и маленький мультиметр.
Чтобы получить рабочий солнечный элемент, желательно иметь электрическую печку. Нужно не меньше 1100 Ватт мощности. Она должна накалиться до ярко-красного цвета. Еще подготовьте обычную пластиковую бутылку без горлышка и пару столовых ложек соли. Достаньте из гаража дрель с абразивной насадкой и лист металла.
Приступаем к работе
Первым делам отрежем часть медной фольги такого размера, чтобы она полностью ложилась на электроплитку. От вас потребуется вымыть руки, чтобы на меди не оставалось жирных пятен от пальцев. Медь тоже желательно помыть. Чтобы убрать покрытие с медного листа, воспользуйтесь наждаком.
из медной фольги
Далее очищенный лист кладем на плитку и включаем ее на самый максимум возможностей. Когда плитка начнет греться, вы сможете наблюдать появление на медном листе красивых оранжевых пятен. Затем цвет изменится на черный. Необходимо подержать медь порядка получаса на раскаленной докрасна плитке. Это очень важный момент. Так, толстый слой оксида легко отслаивается, а тонкий будет липнуть. После того как пройдет полчаса, уберите с плиты медь и дайте ей остыть. Вы сможете наблюдать, как от фольги отваливаются куски.
Когда все остынет, оксидная пленка пропадет. Вы сможете легко очистить при помощи воды большую часть черного оксида. Если что-то не отдирается, не стоит и пытаться. Главное - не деформируйте фольгу. В результате деформации можно повредить тонкий слой оксида, он очень нужен для эксперимента. Если его не будет, солнечная панель, своими руками изготовленная, не будет работать.
Сборка
Второй кусок фольги отрежьте по тем же размерам, что и первый. Далее очень аккуратно требуется согнуть две части так, чтобы они вошли в пластиковую бутылку, но при этом не касались друг друга.
Затем цепляйте «крокодильчики» к пластинам. Провод от "нежареной" фольги - к "плюсу", провод от "жареной" - к "минусу". Теперь берем соль и горячую воду. Соль размешивайте до полного растворения. Выльем раствор в нашу бутылку. И теперь можно наблюдать на плоды трудов. Эта самодельная солнечная панель, своими руками сделанная, может быть в дальнейшем немного усовершенствована.
Другие способы использования солнечной энергии
Солнечную энергию уже как только не используют. В космосе она запитывает на Марсе от Солнца питается знаменитый марсоход. А в Соединенных Штатах Америки от Солнца работают дата-центры Google. В тех местах нашей страны, где отсутствует электричество, люди могут посмотреть новости по телевизору. Все это благодаря Солнцу.
А еще данная энергия позволяет обогревать дома. Воздушно-солнечная панель своими руками очень просто изготавливается из пивных банок. Они накапливают тепло и отдают его в жилое помещение. Это эффективно, бесплатно и доступно.
Наверное, нет такого человека, который не хотел бы стать более независимым. Возможность полностью распоряжаться собственным временем, путешествовать, не зная границ и расстояний, не задумываться о жилищных и финансовых проблемах - вот что даёт ощущение настоящей свободы. Сегодня мы расскажем о том, как, используя солнечное излучение, снять с себя бремя энергетической зависимости. Как вы догадались, речь пойдёт о солнечных батареях. А если быть точнее, то о том, можно ли своими руками построить настоящую солнечную электростанцию.
История создания и перспективы использования
Идею превращения энергии Солнца в электричество человечество вынашивало давно. Первыми появились гелиотермальные установки, в которых перегретый сконцентрированными солнечными лучами пар вращал турбины генератора. Прямое преобразование стало возможным лишь в середине XIX века, после того, как француз Александр Эдмон Баккарель открыл фотоэлектрический эффект. Попытки создать на основании этого явления действующую солнечную ячейку увенчались успехом лишь полвека спустя, в лаборатории выдающегося русского учёного Александра Столетова. Полностью описать механизм фотоэлектрического эффекта удалось ещё позже - человечество обязано этим Альберту Энштейну. К слову, именно за эту работу он получил Нобелевскую премию.
Баккарель, Столетов и Энштейн - вот те учёные, которые заложили фундамент современной солнечной энергетики
О создании первого солнечного фотоэлемента на основе кристаллического кремния возвестили мир сотрудники компании Bell Laboratories в далёком апреле 1954 года. Эта дата, по сути, и является отправной точкой технологии, которая в скором времени сможет стать полноценной заменой углеводородному топливу.
Поскольку ток одной фотоэлектрической ячейки составляет миллиамперы, то для получения электроэнергии достаточной мощности их приходится соединять в модульные конструкции. Защищённые от внешнего воздействия массивы солнечных фотоэлементов и являются солнечной батареей (из-за плоской формы устройство нередко называют солнечной панелью).
Преобразование солнечного излучения в электричество имеет огромные перспективы, ведь на каждый квадратный метр земной поверхности приходится в среднем 4.2 кВт/час энергии в день, а это экономия практически одного барреля нефти в год. Изначально используемая лишь для космической отрасли технология уже в 80-х годах прошлого века стала настолько обыденной, что фотоэлементы стали использовать в бытовых целях - в качестве источника питания калькуляторов, фотоаппаратов, светильников и т. д. Параллельно создавались и «серьёзные» гелиоэлектрические установки. Закреплённые на крышах домов, они позволяли полностью отказаться от проводного электричества. Сегодня можно наблюдать рождение электростанций, представляющих собой многокилометровые поля из кремниевых панелей. Вырабатываемая ими мощность позволяет питать целые города, поэтому можно с уверенностью говорить о том, что будущее - за солнечной энергетикой.
Современные солнечные электростанции представляют собой многокилометровые поля фотоэлементов, способные снабжать электричеством десятки тысяч домов
Солнечная батарея: как это работает
После того как Энштейн описал фотоэлектрический эффект, миру открылась вся простота такого, казалось бы, сложного физического явления. В его основе лежит вещество, отдельные атомы которого находятся в неустойчивом состоянии. При «бомбардировке» фотонами света из их орбит выбиваются электроны - вот они-то и являются источниками тока.
Практически полвека фотоэффект не имел практического применения по одной простой причине - отсутствовала технология получения материалов с неустойчивой атомной структурой. Перспективы дальнейших исследований появились лишь с открытием полупроводников. Атомы этих материалов имеют либо избыток электронов (n-проводимость), или же испытывают в них нехватку (p-проводимость). При использовании двухслойной структуры со слоем n-типа (катод) и p-типа (анод), «обстрел» фотонами света выбивает электроны из атомов n-слоя. Покидая свои места, они устремляются на свободные орбиты атомов p-слоя и далее через подключённую нагрузку возвращаются на исходные позиции. Наверное, каждый из вас знает, что движение электронов в замкнутом контуре представляет собой электрический ток. Вот только заставить электроны перемещаться удаётся не благодаря магнитному полю, как в электрических генераторах, а за счёт потока частиц солнечного излучения.
Солнечная панель работает благодаря фотоэлектрическому эффекту, который был открыт ещё в начале XIX века
Поскольку мощность одного фотоэлектрического модуля недостаточна для питания электронных устройств, то для получения требуемого напряжения используется последовательное подключение множества ячеек. Что же касается силы тока, то её наращивают параллельным соединением определённого количества таких сборок.
Генерация электричества в полупроводниках напрямую зависит от количества солнечной энергии, поэтому фотоэлементы не только устанавливают под открытым небом, но и стараются сориентировать их поверхность перпендикулярно падающим лучам. А чтобы защитить ячейки от механических повреждений и атмосферного воздействия, их монтируют на жёстком основании и сверху защищают стеклом.
Классификация и особенности современных фотоэлементов
Первую солнечную ячейку изготовили на основе селена (Se), однако низкий КПД (менее 1%), быстрое старение и высокая химическая активность селеновых фотоэлементов вынуждали искать другие, более дешёвые и эффективные материалы. И они нашлись в лице кристаллического кремния (Si). Поскольку этот элемент периодической таблицы является диэлектриком, его проводимость обеспечили за счёт включений из различных редкоземельных металлов. В зависимости от технологии изготовления существует несколько типов кремниевых фотоэлементов:
- монокристаллические;
- поликристаллические;
- из аморфного Si.
Первые изготавливаются методом срезания тончайших слоёв от слитков кремния самой высокой степени очистки. Внешне фотоэлементы монокристаллического типа выглядят как однотонные тёмно-синие стеклянные пластины с выраженной электродной сеткой. Их КПД достигает 19%, а срок службы составляет до 50 лет. И хоть производительность изготовленных на основе монокристаллов панелей постепенно падает, есть данные, что изготовленные более 40 лет назад батареи и сегодня сохраняют работоспособность, выдавая до 80% своей первоначальной мощности.
Монокристаллические солнечные ячейки имеют однородный тёмный цвет и срезанные углы - эти признаки не позволяют спутать их с другими фотоэлементами
В производстве поликристаллических фотоэлементов используют не такой чистый, но зато более дешёвый кремний. Упрощение технологии сказывается на внешнем виде пластин - они имеют не однородный оттенок, а более светлый узор, который образуют границы множества кристаллов. КПД таких солнечных ячеек немного ниже, чем у монокристаллических - не более 15%, а срок службы составляет до 25 лет. Надо сказать, что снижение основных эксплуатационных показателей абсолютно не сказалось на популярности поликристаллических фотоэлементов. Они выигрывают за счёт более низкой цены и не такой сильной зависимости от внешней загрязнённости, низкой облачности и ориентации на Солнце.
Поликристаллические фотоэлементы имеют более светлый синий оттенок и неоднородный рисунок - следствие того, что их структура состоит из множества кристаллов
Для солнечных батарей из аморфного Si используется не кристаллическая структура, а тончайший слой кремния, который напыляют на стекло или полимер. Хоть подобный метод производства и является самым дешёвым, такие панели имеют самый короткий срок жизни, причиной чему является выгорание и деградация аморфного слоя на солнце. Не радует этот тип фотоэлементов и производительностью - их КПД составляет не более 9% и во время эксплуатации существенно снижается. Использование солнечных батарей из аморфного кремния оправдано в пустынях - высокая солнечная активность нивелирует падение производительности, а бескрайние просторы позволяют размещать гелиоэлекростанции любой площади.
Возможность напылять кремниевую структуру на любую поверхность позволяет создавать гибкие солнечные панели
Дальнейшее развитие технологии производства фотоэлектрических элементов вызвано необходимостью в снижении цены и улучшении эксплуатационных характеристик. Максимальной производительностью и долговечностью сегодня обладают плёночные фотоэлементы:
- на основе теллурида кадмия;
- из тонких полимеров;
- с использованием индия и селенида меди.
О возможности применения в самодельных устройствах тонкоплёночных фотоэлементов говорить пока ещё рано. Сегодня их выпуском занимается только несколько наиболее «продвинутых» в технологическом плане компаний, поэтому чаще всего гибкие фотоэлементы можно увидеть в составе готовых солнечных панелей.
Какие фотоэлементы лучше всего подходят для солнечной батареи и где их можно найти
Изготовленные кустарным способом солнечные панели всегда будут находиться на шаг позади своих заводских собратьев, и на то есть несколько причин. Во-первых, известные производители тщательно отбирают фотоэлементы, отсеивая ячейки с нестабильными или сниженными параметрами. Во-вторых, при изготовлении гелиоэлектрических батарей используется специальное стекло с повышенным светопропусканием и сниженной отражающей способностью - найти такое в продаже практически невозможно. И в-третьих, прежде чем приступать к серийному выпуску, все параметры промышленных образцов обкатывают с использованием математических моделей. В итоге минимизируется влияние нагрева ячеек на КПД батареи, улучшается система отвода тепла, находится оптимальное сечение соединяющих шин, исследуются пути снижения скорости деградации фотоэлементов и т. д. Решать подобные задачи, не имея оборудованной лаборатории и соответствующей квалификации, невозможно.
Низкая стоимость самодельных солнечных батарей позволяет построить установку, позволяющую полностью отказаться от услуг энергокомпаний
Тем не менее сделанные своими руками солнечные батареи показывают неплохие результаты производительности и не так уж и сильно отстают от промышленных аналогов. Что же касается цены, то здесь мы имеем выигрыш более чем в два раза, то есть при одинаковых затратах самоделки дадут в два раза больше электроэнергии.
Учитывая всё вышесказанное, вырисовывается картина того, какие фотоэлементы подходят под наши условия. Плёночные отпадают по причине отсутствия в продаже, а аморфные - из-за короткого срока службы и низкого КПД. Остаются ячейки из кристаллического кремния. Надо сказать, что в первом самодельном устройстве лучше использовать более дешёвые «поликристаллы». И только обкатав технологию и «набив руку», следует переходить на монокристаллические ячейки.
Для обкатки технологий подойдут дешёвые некондиционные фотоэлементы - как и качественные устройства, их можно купить на зарубежных торговых площадках
Что касается вопроса, где взять недорогие солнечные элементы, то их можно найти на зарубежных торговых площадках типа Taobao, Ebay, Aliexpress, Amazon и др. Там они продаются как в виде отдельных фотоэлементов различных размеров и производительности, так и готовыми наборами для сборки солнечных панелей любой мощности.
Продавцы нередко предлагают фотоэлементы так называемого класса «B», которые представляют собой повреждённые солнечные батареи моно- или поликристаллического типа. Небольшие сколы, трещины или отсутствие уголков практически не сказывается на производительности ячеек, зато позволяет приобрести их по гораздо меньшей стоимости. Именно по этой причине их выгоднее всего использовать в самодельных гелиоэнергетических устройствах.
Можно ли заменить фотоэлектрические пластины чем-то другим
Редко у какого домашнего мастера не найдётся заветной коробочки со старыми радиодеталями. А ведь диоды и транзисторы от старых приёмников и телевизоров являются всё теми же полупроводниками с p-n-переходами, которые при освещении солнечным светом вырабатывают ток. Воспользовавшись этими их свойствами и соединив несколько полупроводниковых приборов, можно сделать самую настоящую солнечную батарею.
Для изготовления маломощной солнечной батареи можно использовать старую элементную базу полупроводниковых приборов
Внимательный читатель сразу же спросит, в чём подвох. Зачем платить за фабричные моно- или поликристаллические ячейки, если можно использовать то, что лежит буквально под ногами. Как всегда, дьявол скрывается в деталях. Дело в том, что самые мощные германиевые транзисторы позволяют получить на ярком солнце напряжение не более 0.2 В при силе тока, измеряемой микроамперами. Для того чтобы достичь параметров, которые выдаёт плоский кремниевый фотоэлемент, понадобится несколько десятков, а то и сотен полупроводников. Сделанная из старых радиодеталей батарея сгодится разве что для зарядки кемпингового светодиодного фонаря или небольшого аккумулятора мобильного телефона. Для реализации более масштабных проектов, без покупных солнечных ячеек не обойтись.
На какую мощность солнечных батарей можно рассчитывать
Задумываясь о строительстве собственной солнечной электростанции, каждый мечтает о том, чтобы полностью отказаться от проводного электричества. Для того чтобы проанализировать реальность этой затеи, сделаем небольшие расчёты.
Узнать суточное потребление электроэнергии несложно. Для этого достаточно заглянуть в присланный энергосбывающей организацией счёт и разделить количество указанных там киловатт на число дней в месяце. К примеру, если вам предлагают оплатить 330 кВт×час, то это значит, что суточное потребление составляет 330/30=11 кВт×час.
График зависимости мощности солнечной батареи в зависимости от освещённости
В расчётах следует обязательно учитывать тот факт, что солнечная панель будет вырабатывать электричество только в светлое время суток, причём до 70% генерации осуществляется в период с 9 до 16 часов. Кроме того, эффективность работы устройства напрямую зависит от угла падения солнечных лучей и состояния атмосферы.
Небольшая облачность или дымка снизят эффективность токоотдачи гелиоустановки в 2–3 раза, тогда как затянутое сплошными облаками небо спровоцирует падение производительности в 15–20 раз. В идеальных условиях для генерации 11 кВт×час энергии было бы достаточно солнечной батареи мощностью 11/7 = 1.6 кВт. Учитывая влияние природных факторов, этот параметр следует увеличить примерно на 40–50%.
Кроме того, есть ещё один фактор, заставляющий увеличить площадь используемых фотоэлементов. Во-первых, не следует забывать о том, что ночью батарея работать не будет, а значит, понадобятся мощные аккумуляторы. Во-вторых, для питания бытовых приборов нужен ток напряжением 220 В, поэтому понадобится мощный преобразователь напряжения (инвертор). Специалисты утверждают, что потери на накопление и трансформацию электроэнергии забирают до 20–30% от её общего количества. Поэтому реальная мощность солнечной батареи должна быть увеличена на 60–80% от расчётной величины. Принимая значение неэффективности в 70%, получаем номинальную мощность нашей гелиопанели, равную 1.6 + (1.6×0.7) =2.7 кВт.
Использование сборок из высокотоковых литиевых аккумуляторов является одним из наиболее изящных, но отнюдь не самым дешёвым способом хранения солнечной электроэнергии
Для хранения электроэнергии понадобятся низковольтные аккумуляторы, рассчитанные на напряжение 12, 24 или 48 В. Их ёмкость должна быть рассчитана на суточное потребление энергии плюс потери на трансформацию и преобразование. В нашем случае понадобится массив батарей, рассчитанных на хранение 11 + (11×0.3) = 14.3 кВт×час энергии. Если использовать обычные 12-вольтовые автомобильные аккумуляторы, то понадобится сборка на 14300 Вт×ч / 12 В = 1200 А×ч, то есть шесть аккумуляторов, рассчитанных на 200 ампер-часов каждый.
Как видите, даже для того, чтобы обеспечить электричеством бытовые потребности средней семьи, понадобится серьёзная гелиоэлектрическая установка. Что касается использования самодельных солнечных батарей для отопления, то на данном этапе такая затея не выйдет даже на границы самоокупаемости, не говоря уж о том, чтобы можно было что-то сэкономить.
Расчёт размера батареи
Размер батареи зависит от требуемой мощности и габаритов источников тока. При выборе последних вы обязательно обратите внимание на предлагаемое разнообразие фотоэлементов. Для использования в самодельных устройствах удобнее всего выбирать солнечные ячейки среднего размера. Например, рассчитанные на выходное напряжение 0.5 В и силу тока до 3 А поликристаллические панели размером 3×6 дюймов.
При изготовлении солнечной батареи они будут последовательно соединяться в блоки по 30 шт, что позволит получить требуемое для зарядки автомобильной батареи напряжение 13–14 В (учитывая потери). Максимальная мощность одного такого блока составляет 15 В × 3 А = 45 Вт. Исходя из этого значения, будет нетрудно подсчитать, сколько элементов понадобится для постройки солнечной панели заданной мощности и определить её размеры. Например, для постройки 180-ваттного солнечного электрического коллектора понадобится 120 фотоэлементов общей площадью 2160 кв. дюймов (1.4 кв.м).
Постройка самодельной солнечной батареи
Прежде чем приступать к изготовлению солнечной панели, следует решить задачи по её размещению, рассчитать габариты и подготовить необходимые материалы и инструмент.
Правильный выбор места установки - это важно
Поскольку солнечная панель будет изготавливаться своими руками, соотношение её сторон может быть любым. Это очень удобно, поскольку самодельное устройство можно более удачно вписать в экстерьер кровли или дизайн загородного участка. По этой же причине выбирать место для монтажа батареи следует ещё до начала проектировочных мероприятий, не забывая учитывать несколько факторов:
- открытость места для солнечных лучей в течение светового дня;
- отсутствие затеняющих построек и высоких деревьев;
- минимальное расстояние до помещения, в котором установлены аккумулирующие мощности и преобразователи.
Конечно, установленная на крыше батарея выглядит более органично, однако размещение устройства на земле имеет больше преимуществ. В этом случае исключается возможность повреждения кровельных материалов при установке поддерживающего каркаса, снижается трудоёмкость монтажа устройства и появляется возможность своевременного изменения «угла атаки солнечных лучей». И что самое главное - при нижнем размещении будет намного проще поддерживать чистоту поверхности солнечной панели. А это является залогом того, что установка будет работать в полную силу.
Монтаж солнечной панели на крыше вызвана скорее нехваткой места, чем необходимостью или удобством эксплуатации
Что понадобится в процессе работы
Приступая к изготовлению самодельной солнечной панели, следует запастись:
- фотоэлементами;
- многожильным медным проводом или специальными шинами для соединения солнечных ячеек;
- припоем;
- диодами Шоттки, рассчитанными на токоотдачу одного фотоэлемента;
- качественным антибликовым стеклом или плексигласом;
- рейками и фанерой для изготовления каркаса;
- силиконовым герметиком;
- метизами;
- краской и защитным составом для обработки деревянных поверхностей.
В работе понадобится самый простой инструмент, который всегда есть под рукой у домовитого хозяина - паяльник, стеклорез, пила, отвёртка, малярная кисть и др.
Инструкция по изготовлению
Для изготовления первой солнечной батареи лучше всего использовать фотоэлементы с уже припаянными выводами - в этом случае уменьшается риск повреждения ячеек при сборке. Тем не менее, если вы имеете навыки обращения с паяльником, то сможете немного сэкономить, купив солнечные элементы с нераспаянными контактами. Для постройки панели, которую мы рассматривали в приведённых выше примерах, понадобится 120 пластин. Используя соотношение сторон примерно 1:1, потребуется укладка 15 рядов фотоэлементов по 8 штук в каждом. При этом мы сможем каждые два «столбика» соединить последовательно, а четыре таких блока подключить параллельно. Таким образом можно избежать путаницы в проводах и получить ровный, красивый монтаж.
Схема электрических соединений домашней солнечной электростанции
Корпус
Сборку солнечной панели всегда следует начинать с изготовления корпуса. Для этого нам понадобятся алюминиевые уголки или деревянные рейки высотой не более 25 мм - в этом случае они не будут бросать тень на крайние ряды фотоэлементов. Исходя из размеров наших кремниевых ячеек размером 3х6 дюймов (7.62х15.24 см), размер рамы должен составлять не менее 125х 125 см. Если вы решите использовать другое соотношение сторон (например, 1:2), то каркас можно дополнительно усилить поперечиной из рейки такого же сечения.
Обратную сторону корпуса следует зашить панелью из фанеры или OSB, а в нижнем торце рамы просверлить вентиляционные отверстия. Соединение внутренней полости панели с атмосферой понадобится для выравнивания влажности - в противном случае не избежать запотевания стёкол.
Для изготовления корпуса солнечной панели подойдут самые простые материалы - деревянные рейки и фанера
По внешнему размеру каркаса вырезают панель из плексигласа или высококачественного стекла высокой степени прозрачности. В крайнем случае можно использовать оконное стекло толщиной до 4 мм. Для его крепления подготавливают уголковые кронштейны, в которых выполняют сверления для крепления к раме. При использовании оргстекла можно проделать отверстия непосредственно в прозрачной панели - это упростит сборку.
Чтобы защитить деревянный корпус солнечной батареи от влаги и грибка, его пропитывают антибактериальным составом и окрашивают масляной краской.
Для удобства сборки электрической части, из ДВП или другого диэлектрического материала вырезают подложку по внутреннему размеру рамы. В дальнейшем на ней будет выполняться монтаж фотоэлементов.
Пайка пластин
Перед тем как начать пайку, следует «прикинуть» укладку фотоэлементов. В нашем случае понадобится 4 массива ячеек по 30 пластин в каждом, причём располагаться в корпусе они будут пятнадцатью рядами. С такой длинной цепочкой будет неудобно работать, к тому же возрастает риск повреждения хрупких стеклянных пластин. Рационально будет соединять по 5 деталей, а окончательную сборку выполнять после того, как фотоэлементы будут смонтированы на подложке.
Для удобства, фотоэлементы можно смонтировать на непроводящей подложкке из текстолита, оргстекла или ДВП
После соединения каждой цепочки, следует проверить её работоспособность. Для этого каждую сборку помещают под настольную лампу. Записывая значения силы тока и напряжения, можно не только контролировать работоспособность модулей, но и сравнивать их параметры.
Для пайки используем маломощный паяльник (максимум 40 Вт) и хороший, легкоплавкий припой. Его в небольшом количестве наносим на выводные части пластин, после чего, соблюдая полярность подключения, соединяем детали друг с другом.
При пайке фотоэлементов следует проявлять максимальную аккуратность, поскольку эти детали отличаются повышенной хрупкостью
Собрав отдельные цепочки, разворачиваем их тыльной частью к подложке и при помощи силиконового герметика приклеиваем к поверхности. Каждый 15-вольтовый блок фотоэлементов снабжаем диодом Шоттки. Этот прибор позволяет току протекать только в одном направлении, поэтому не позволит аккумуляторам разряжаться при низком напряжении солнечной панели.
Окончательное соединение отдельных цепочек фотоэлементов выполняют согласно представленной выше электрической схеме. В этих целях можно использовать специальную шину или многожильный медный провод.
Навесные элементы солнечной батареи следует закрепить термоклеем или саморезами
Сборка панели
Подложки с расположенными на них фотоэлементами укладывают в корпус и крепят саморезами. Если рама усиливалась поперечиной, то в ней выполняют несколько сверлений под монтажные провода. Кабель, который выводят наружу, надёжно фиксируют на раме и припаивают к выводам сборки. Чтобы не путаться с полярностью, лучше всего использовать двухцветные провода, подключая красный вывод к «плюсу» батареи, а синий - к её «минусу». По верхнему контуру рамы наносят сплошной слой силиконового герметика, поверх которого укладывают стекло. После окончательной фиксации сборку солнечной батареи считают законченной.
После того, как на герметик будет установлено защитное стекло, панель можно транспортировать к месту установки
Установка и подключение солнечной батареи к потребителям
В силу ряда причин самодельная солнечная панель является достаточно хрупким устройством, поэтому требует обустройства надёжного поддерживающего каркаса. Идеальным вариантом будет конструкция, которая позволит ориентировать источник бесплатной электроэнергии в обеих плоскостях, однако сложность такой системы чаще всего является весомым доводом в пользу простой наклонной системы. Она представляет собой подвижную раму, которую можно выставить под любым углом к светилу. Один из вариантов каркаса, сбитого из деревянного бруса, представлен ниже. Вы же можете использовать для его изготовления металлические уголки, трубы, шины и т. д. – всё, что есть под руками.
Чертёж каркаса солнечной батареи
Чтобы подключить солнечную батарею к аккумуляторам, понадобится контроллер заряда. Этот прибор будет следить за степенью заряда и разряда батарей, контролировать токоотдачу и выполнять переключение на сетевое питание при значительной просадке напряжения. Прибор необходимой мощности и требуемого функционала можно купить в тех же торговых точках, где продаются фотоэлементы. Что касается питания бытовых потребителей, то для этого потребуется трансформировать низковольтное напряжение в 220 В. С этим успешно справляется другое устройство - инвертор. Надо сказать, что отечественная промышленность выпускает надёжные приборы с хорошими ТТХ, поэтому преобразователь можно купить на месте - бонусом в этом случае будет «настоящая» гарантия.
Одной солнечной батареи для полноценного электроснабжения дома будет недостаточно - понадобятся еще и аккумуляторы, контроллер заряда и инвертор
В продаже можно найти инверторы одной и той же мощности, отличающиеся по цене в разы. Подобный разброс объясняется «чистотой» выходного напряжения, что является необходимым условием питания отдельных электрических устройств. Преобразователи с так называемой чистой синусоидой имеют усложнённую конструкцию, и как следствие, более высокую стоимость.
Видео: изготовление солнечной панели своими руками
Постройка домашней солнечной электростанции является нетривиальной задачей и требует как финансовых и временных затрат, так и минимальных знаний основ электротехники. Приступая к сборке солнечной панели, следует соблюдать максимальное внимание и аккуратность - только в этом случае можно рассчитывать на удачное решение вопроса. Напоследок хотелось бы напомнить о том, что загрязнение стекла является одним из факторов падения производительности. Не забывайте своевременно чистить поверхность солнечной панели, иначе она не сможет работать на полную мощность.
являются фотоэлектрические преобразователи (солнечные модули), которые обращают энергию солнечного света в электричество. Для того, чтобы в доме пользоваться бытовыми приборами за счет солнечной батареи, таких модулей должно быть достаточно много.Энергии, вырабатываемой одним модулем, недостаточно для удовлетворения энергетических потребностей. Между собой фотоэлектрические преобразователи связаны одной последовательной цепью.
Части, из которых состоит солнечная батарея:
- Солнечные модули ,объединенные в рамки.В одной рамке объединяются от единиц до нескольких десятков фотоэлектрических элементов. Для обеспечения электроэнергией целого дома понадобится несколько панелей с элементами.
- . Служит для накопления получаемой энергии, которую затем можно использовать в темное время суток.
- Контроллер . Он следит за разрядкой и зарядкой аккумулятора.
- . Преобразует постоянный ток, полученный от солнечных модулей в переменный.
Солнечный модуль (или фотоэлектрический элемент) основан на принципе p-n перехода, и по своему устройству очень напоминает транзистор. Если у транзистора спилить шляпку и на поверхность направить солнечные лучи, то подключенным к нему прибором можно определить мизерный электрический ток. Солнечный модуль работает по такому же принципу, только поверхность перехода у солнечного элемента значительно больше.
Как и многие типы транзисторов, солнечные элементы изготавливаются из кристаллического кремния.
По технологии изготовления и материалам различают три вида модулей:
- Монокристаллические . Изготовлены в виде цилиндрических кремниевых слитков. Преимущества элементов заключается в высокой производительности, компактности и в наибольшем сроке службы.
- Тонкопленочные . Делается напыление слоев фотоэлектрического преобразователя на тонкую подложку. КПД тонкопленочных модулей относительно невысок (7-13%).
- Поликристаллические . Расплавленный кремний заливается в квадратную форму, затем остуженный материал режется на квадратные пластинки. Внешне отличаются от монокристаллических модулей тем, что края углов у поликристаллических пластин не обрезаны.
Аккумулятор. В солнечных батареях наибольшее применение нашли свинцово-кислотные аккумуляторы. Стандартный аккумулятор имеет напряжение 12 вольт, для получения большего напряжения собирают аккумуляторные блоки. Так можно собрать блок напряжением 24 и 48 вольт.
Контроллер заряда солнечных батарей. Контроллер заряда действует по принципу регулятора напряжения в автомобиле. В основном на 12 вольт выдают напряжение от 15 до 20 вольт, и без контроллера могут быть повреждены перегрузкой. При 100% заряженном аккумуляторе контроллер отключает модули и предохраняет аккумулятор от закипания.
Инвертор. Солнечные модули вырабатывают постоянный ток, а для использования бытовых приборов и техники требуется переменный ток и напряжение 220 вольт. Инверторы предназначены для преобразования постоянного тока, делая его переменным.
Выбор комплектующих для изготовления
Чтобы снизить себестоимость солнечной станции, нужно попробовать собрать ее самостоятельно. Для этого потребуется закупить необходимые комплектующие, какие-то элементы можно изготовить самому.
Самостоятельно получится собрать:
- рамки с фотоэлектрическими преобразователями;
- контроллер зарядки;
- инвертор напряжения;
Самые большие затраты будут связаны с приобретением самих солнечных элементов. Детали можно заказать из Китая или на eBay, такой вариант обойдется дешевле.
Благоразумно приобретать работоспособные преобразователи с повреждениями и дефектами – они просто забракованы производителем, но вполне исправны. Нельзя покупать элементы разных размеров и мощности – максимальный ток солнечной батареи будет ограничен током самого малого элемента.
Для изготовления рамки с солнечными элементами потребуется:
- алюминиевый профиль;
- солнечные элементы (обычно 36 штук для одной рамки);
- припой и флюс;
- дрель;
- крепежные делали;
- силиконовый герметик;
- медная шина;
- лист прозрачного материала (оргстекло, поликарбонат, плексиглас);
- лист фанеры или текстолита(оргстекла);
- диоды Шоттки;
Собирать инвертор самостоятельно имеет смысл только при небольшом энергопотреблении. Контроллер заряда в простом исполнении не так дорого стоит, поэтому нет особого смысла тратить время на изготовление прибора.
Технология изготовления своими руками
Для сборки солнечной батарей потребуется:
- Сконструировать рамку (корпус).
- Спаять все солнечные элементы в параллельную цепь.
- Закрепить солнечные элементы на рамке.
- Сделать корпус герметичным – прямое попадание атмосферных осадков на фотоэлектрические элементы недопустимо.
- Разместить батарею в районе наибольшей солнечной освещенности.
Для удовлетворения энергетических потребностей частного дома одной солнечной панели (рамки) будет недостаточно. Исходя из практики, с одного квадратного метра солнечной панели можно получить 120 Вт мощности. Для нормального энергообеспечения жилого дома потребуется где-то 20 кв. м. площади солнечных элементов.
Чаще всего батареи размещают на крыше дома с солнечной стороны.
Сборка корпуса
Корпус можно собирать из фанерного листа и реек, или из алюминиевых уголков и листа и оргстекла (текстолита). Необходимо определиться, сколько элементов будет размещаться в рамке. Следует учитывать, что между элементами необходим зазор в 3-5 мм, и размер рамки рассчитывается с учетом этих расстояний. Расстояние необходимо для того, чтобы при тепловом расширении пластины не прикасались друг с другом.
Сборка конструкции из алюминиевого профиля и оргстекла:
- из алюминиевого уголка делается прямоугольный каркас;
- По углам в алюминиевом корпусе сверлятся отверстия для крепежа;
- на внутреннюю часть профиля корпуса наносится силиконовый герметик по всему периметру;
- в раму устанавливается лист оргстекла (текстолита) и плотно прижимается к раме;
- по углам корпуса с помощью шурупов ставятся крепежные уголки, которые надежно фиксируют лист прозрачного материала в корпусе;
- герметику дают основательно высохнуть;
Все, корпус готов. Перед размещением солнечных элементов в корпусе необходимо тщательно протереть поверхность от грязи и пыли.
Соединение фотоэлементов
Обращаясь с фотоэлектронными элементами, следует помнить, что они очень хрупкие и требуют бережного отношения. Перед соединением пластин в последовательную цепочку их сначала тщательно, но аккуратно протирают– пластины должны быть идеально чистыми.
Если фотоэлементы были куплены уже с припаянными проводниками, это упрощает процесс соединения модулей. Но перед сборкой в этом случае необходимо проверить качество готовой пайки, и если есть неровности – устранить их.
На фотоэлектрических пластинах предусмотрены контакты по обеим сторонам – это контакты разной полярности. Если проводники(шины) еще не припаяны, необходимо сначала припаять их к контактам пластин, а затем уже соединить фотоэлектрические элементы между собой.
Чтобы припаять шины к фотоэлектрическим модулям, нужно:
- Отмерить нужную длину шины и нарезать на куски нужное количество полосок.
- Протереть контакты пластин спиртом.
- Тонким слоем нанести на контакт флюс по всей длине контакта с одной стороны.
- Приложить шину точно по длине контакта и разогретым паяльником медленно провести по всей поверхности пайки.
- Перевернуть пластину и повторить все операции пайки на другой стороне.
Нельзя сильно прижимать паяльник к пластине, элемент может лопнуть. Также необходимо проверить качество пайки – неровностей на лицевой стороне фотоэлементов быть не должно. Если бугорки и шероховатости остались, нужно еще раз аккуратно пройтись паяльником по шву контакта. Пользоваться необходимо маломощным паяльником.
Что нужно сделать, чтобы правильно и точно произвести соединение фотоэлектрических элементов:
- Если нет опыта в сборке элементов, рекомендуется воспользоваться разметочной поверхностью, на которой следует разместить элементы (фанерный лист).
- Расположить солнечные панели строго по разметке. Размечая, не забывать оставлять расстояние между элементами 5 мм.
- Пропаивая контакты пластин, обязательно следить за полярностью. Фотоэлементы должны быть правильно собраны в последовательную цепочку, иначе батарея не будет нормально работать.
Механический монтаж панелей:
- В корпусе сделать разметку для пластин.
- Солнечные элементы поместить в корпус, положив их на оргстекло. В рамке закрепить силиконовым клеем по размеченным местам. Клея много не наносить, только крохотную каплю по центру пластины. Нажимать осторожно, чтобы не повредить пластины.В корпус лучше перемещать пластины вдвоем, одному будет неудобно.
- Соединить все провода по краям пластин с общими шинами.
Прежде чем герметизировать панель, нужно протестировать качество пайки. Конструкцию аккуратно выносят поближе к солнечному свету и замеряют напряжение на общих шинах. Оно должно быть в пределах ожидаемых значений.
Как вариант, герметизацию можно провести следующим образом:
- Нанести капельки силиконового герметика между пластинами и по краям корпуса, аккуратно пальцами руки края фотоэлементов прижать к оргстеклу. Нужно, чтобы элементы как можно плотнее легли к прозрачному основанию.
- Поставить на все края элементов небольшой груз , допустим, головки из автомобильного набора инструментов.
- Дать герметику хорошо высохнуть , пластины за это время надежно зафиксируются.
- Затем промазать аккуратно все стыки между пластинами и краями рамки. То есть, нужно промазать в корпусе все, кроме самих пластин. Попадание герметика на края тыльной стороны пластин допустимо.
Финальная сборка солнечной батареи
- Сбоку корпуса установить соединительный разъем, разъем соединить с Шоттки.
- Закрыть с наружной стороны пластины защитным экраном из прозрачного материала. В данном случае, оргстеклом. Конструкция должна быть герметичной и исключать проникновение в нее влаги.
- Лицевую сторону (оргстекло) желательно обработать , например, лаком (лак PLASTIK-71).
Для чего нужен диод Шоттки? Если свет падает только на часть солнечной батареи, а другая часть затемнена, возможен выход элементов из строя.
Диоды помогают избежать поломки конструкции в таких случаях. При этом теряется мощность на 25%, но без диодов не обойтись – они шунтируют ток, ток идет в обход фотоэлементов. Чтобы падение напряжения было минимальным, необходимо применять низкоомные полупроводники, такими являются диоды Шоттки.
Преимущества и недостатки солнечной батареи
У солнечных батарей есть как преимущества, так и недостатки. Если бы были только одни плюсы от применения фотоэлектрических преобразователей, весь мир давно бы уже перешел на этот вид получения электроэнергии.
Преимущества:
- Автономность источника питания , нет зависимости от перебоев напряжения в централизованной электросети.
- Отсутствие абонентской платы за использование электроэнергией.
Недостатки:
- Высокая себестоимость оборудования и элементов.
- Зависимость от солнечного освещения.
- Возможность повреждения элементов солнечной батареи вследствие неблагоприятных погодных условий (град, буря, ураган).
В каких случаях целесообразно использовать установку на фотоэлектрических элементах:
- Если объект (дом или дача) находится на большом удалении от линии электропередач. Это может быть загородный коттедж в сельской глубинке.
- Когда объект расположен в южном солнечном районе.
- При совмещении различных видов энергии. Например, отопление частного дома с помощью печного отопления и солнечной энергии. Себестоимость маломощной солнечной станции будет не столь высока, и может быть экономически оправдана в данном случае.
Установка
Монтировать батарею необходимо по месту максимальной освещенности солнечным светом. Панели могут крепиться на крыше дома, на жестком или поворотном кронштейне.
Лицевая часть солнечной батареи должна быть обращена на юг или юго-запад под углом от 40 до 60 градусов. При монтаже нужно учитывать внешние факторы. Панели не должны загораживаться деревьями и другими предметами, на них не должна попадать грязь.
- Лучше покупать фотоэлементы с небольшими дефектами. Они также работоспособны, только имеют не такой красивый внешний вид. Новые элементы очень дороги, сборка солнечной батареи будет экономически не оправдана. Если нет особой спешки, пластины лучше заказать на eBay, это обойдется еще дешевле. С пересылкой и Китая нужно быть осторожнее – большая вероятность получить бракованные детали.
- Фотоэлементы нужно купить с небольшим запасом , велика вероятность их поломки во время монтажа, особенно, если нет опыта сборки подобных конструкций.
- Если элементы пока не используются , следует припрятать их в надежное место во избежание поломок хрупких деталей. Нельзя складывать пластины большими стопками – они могут лопнуть.
- При первой сборке следует изготовить шаблон , на котором будут размечены места расположения пластин перед сборкой. Так легче вымерять расстояния между элементами перед пайкой.
- Паять необходимо маломощным паяльником , и ни в коем случае не применять усилие при пайке.
- Для сборки корпуса удобнее применять алюминиевые уголки , деревянная конструкция менее надежная. В качестве листа с тыльной стороны элементов лучше использовать оргстекло или другой подобный материал и надежнее, чем крашеная фанера, и эстетично выглядит.
- Располагать фотоэлектрические панели следует в местах, где солнечное освещение будет максимальным в течение всего светового дня.
Схема электроснабжения дома
Последовательная цепь энергоснабжения частного дома на солнечных батареях выглядит следующим образом:
- Солнечная батарея из нескольких панелей , которые расположены на скате крыши дома, либо на кронштейне. В зависимости от энергопотребления, панелей может быть до 20 штук и больше. Батарея вырабатывает постоянный ток 12 вольт.
- Контроллер зарядки . Устройство предохраняет аккумуляторы от преждевременного разряда, а также ограничивает напряжение в цепи постоянного тока. Тем самым, контроллер защищает аккумуляторы от перегрузки.
- Инвертор напряжения . Преобразует постоянный ток в переменный ток, обеспечивая тем самым возможность потребления электроэнергии бытовыми приборами.
- Аккумуляторы . Для частных домов и дач ставят несколько аккумуляторов, соединяя их последовательно. Служат для накопления энергии. Энергия аккумуляторов используется в темное время суток, когда элементы солнечной батареи не вырабатывают ток.
- Электросчетчик .
Довольно часто в частных домах система энергоснабжения дополняется резервным генератором.
В целом, собрать солнечную батарею своими руками не так уж и сложно. Необходимы только определенные средства, терпение и аккуратность.