Солнечная батарея – это несколько фотоэлементов, собранных в одном корпусе, снабжающих электричеством потребителя. Сами фотоэлементы с каждым днем становятся все доступнее, во многом благодаря тому, что их в хорошем качестве стал выпускать Китай.
Материалы:
Инструмент:
Максимально подробно рассказано, как своими руками собрать солнечную батарею из фотоэлементов на алюминиевом каркасе.
Сточить напильником углы на одной грани с каждой стороны алюминиевого угла под 45 градусов.
Обрезать уголки ножовкой по металлу под 45 градусов. Для удобства можно воспользоваться стуслом:
С каждой стороны уголка должна получиться вот такая конструкция:
Обрезанный алюминиевый уголок
Делаем скобы для соединения уголков:
Прикладываем уголки срезанными углами друг к другу
Перпендикулярно ставим уголок и на нем намечаем линию отреза
Должно получиться 4 соединительных уголка
На сторонах каждой полученной скобы находим центр и сверлим отверстие, диаметром 6 мм:
Находим центр каждой стороны скобы
Отверстие в скобе
Делаем разметку через отверстие в каждой скобе на уголке. Чтобы потом не перепутать, помечаем каждый угол и каждую скобу цифрой:
Разметка отверстий «по месту»
Ставим цифры, чтобы потом не перепутать
Сверлим отверстия в уголке сверлом 5 мм, должно получиться так:
Отверстия в уголке
Собираем рамку с помощью болтов и гаек:
Вклеиваем с помощью герметика стекло в собранную рамку:
Силиконом следует обработать стыки снаружи и внутри
Обезжирить поверхность стекла изнутри и разложить фотоэлементы лицевой стороной вниз таким образом, чтобы контактные шины были параллельны:
Соедините между собой фотоэлементы скотчем, так они не распадутся при дальнейших операциях.
Соединить между собой элементы по схеме:
Схема соединения фотоэлементов в батарее
Собираем уплотняющую конструкцию:
Конструкция укладывается внутрь рамки:
Поролон укладывается внутрь рамки
Рамка вместе с поролоном переворачивается и снимается. Остаются только уложенные и скрепленные между собой скотчем фотоэлементы:
Снять алюминиевую рамку
Фотоэлементы на поролоне
На всю поверхность фотоэлементов кистью наносится герметик Sylgard 184 и накрывается сверху рамкой со стеклом:
Герметик на фотоэлементах
Накрыть фотоэлементы рамкой со стеклом
Ставим груз на стекло на несколько часов, за это время должны удалиться пузыри воздуха:
Пузыри уходят за 2-3 часа
Через 12 часов снимаем груз и отрываем поролон. Батарея готова к подключению!
Несколько характерных ошибок, совершаемых при самостоятельной сборке панелей, о которых хотелось бы предупредить.
Похожие записи
Как выбрать солнечную панель - обзор важных параметров
Подбираем аккумулятор для солнечной электростанции
Реальное применение тонкопленочных солнечных батарей
Виды садовых светильников и фонарей на солнечных батареях, как и где использовать.
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.
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.
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.
Сборка солнечной батареи своими руками состоит из трех этапов:
Каркас изготовить можно из алюминиевых уголков или из деревянных реек. Но форма каркаса, материалы, последовательность изготовления зависят от способа установки.
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.
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.
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.
Теперь вы знаете, как сделать солнечную батарею в домашних условиях. Дело не самое сложное, но требует кропотливой работы.
В настоящее время очень модными и популярными являются альтернативные источники энергии, особенно у владельцев загородных коттеджей или частных домов. Но часто такое устройство стоит немалых денег и не каждый может себе позволить приобрести для дома солнечные батареи. Поэтому очень актуальным стало изготовление солнечных панелей своими руками. Так как же самому сделать солнечные батареи?
Такой альтернативный источник энергии довольно практичный, потому что в отличие от традиционного источника энергоснабжения стоит он гораздо меньше. Изготовление солнечных панелей своими руками позволяет не только оптимизировать энергопотребление, но также экономит финансы.
Солнечные батареи обладают следующими достоинствами:
Несмотря на довольно весомые достоинства, есть у солнечных батарей и свои минусы, такие как:
Установить солнечные панели в частном доме под силу каждому. Но для того чтобы такая конструкция, созданная своими руками, приносила пользу по максимуму, следует учитывать ее особенности. К солнечной батарее предъявляются следующие требования:
Если нет возможности приобрести солнечные батареи, можно изготовить их своими руками. Вначале необходимо определиться с материалом , из которого они будут сделаны.
Чтобы создать панели, необходимы будут качественные фотоэлементы. Производители на сегодняшний день предлагают следующие виды устройств:
Для энергоснабжения дома лучше всего использовать поликристаллы, которые доступны в наборах.
Важно знать, что все необходимые для сборки ячейки лучше всего приобретать у одного производителя , так как продукция разных марок имеет значительные различия в эффективности изделий. Это может создать дополнительные сложности при сборке, повлечь затраты в результате эксплуатации, при этом солнечная батарея будет иметь невысокую мощность.
Чтобы сделать солнечную панель из подручных средств, необходимы будут специальные проводники, предназначенные для соединения фотоэлементов.
Корпус будущей конструкции лучше всего изготавливать из алюминиевых уголков, обладающих небольшим весом. Можно также использовать такой материал, как дерево. Но из-за того, что конструкция будет все время подвержена атмосферному влиянию, срок ее эксплуатации будет снижаться.
Размеры корпуса панели зависят от количества фотоячеек.
Внешнее покрытие фотоэлементов может быть выполнено из оргстекла или прозрачного поликарбоната. Также применяют закаленное стекло, не пропускающее инфракрасные лучи.
Таким образом, для изготовления солнечной батареи своими руками потребуются следующие материалы:
Такие материалы приобретаются в магазине стройматериалов или в интернет-магазине.
Для того чтобы сделать панели своими руками, нужно собрать требуемые материалы. Собирается солнечная батарея для дома в такой последовательности.
Чтобы правильно сделать солнечные батареи своими руками, нужно придерживаться следующих рекомендаций:
Получить бесплатную электроэнергию в своем доме мечтает каждый человек и эта мечта осуществима. Сделав солнечные батареи своими руками, можно наслаждаться дополнительным источником электроснабжения. При этом такая конструкция не наносит никакого вреда окружающей среде , к тому же она очень надежная и недорогостоящая.
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.
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
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.
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:
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:
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.
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.
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.
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.
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).
Прежде чем приступать к изготовлению солнечной панели, следует решить задачи по её размещению, рассчитать габариты и подготовить необходимые материалы и инструмент.
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:
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
Приступая к изготовлению самодельной солнечной панели, следует запастись:
В работе понадобится самый простой инструмент, который всегда есть под рукой у домовитого хозяина - паяльник, стеклорез, пила, отвёртка, малярная кисть и др.
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
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.
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
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
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.
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.
